Tại sao Artemis II không bay thẳng mà lượn vòng hình số 8?

Tối 10/4 theo múi giờ EDT (sáng 11/4 giờ Hà Nội), tàu Orion đưa phi hành đoàn Artemis II đáp xuống Thái Bình Dương, kết thúc chuyến bay lịch sử vòng quanh Mặt Trăng. "Tàu Integrity (tên do phi hành đoàn Artemis II đặt cho tàu Orion) và bốn phi hành gia đã hạ cánh thành công mỹ mãn. Về mọi mặt, đây là nhiệm vụ hoàn hảo như sách giáo khoa", Rob Navias, phát ngôn viên của NASA, nhận xét.

Hành trình trở về thực chất được lập trình sẵn ngay từ đầu, tận dụng trọng lực Mặt Trăng để bẻ cong quỹ đạo của Orion, giúp tàu quay lại Trái Đất mà không cần nhiều hỗ trợ từ động cơ tên lửa. Samantha Kenyon, phó giáo sư kỹ thuật hàng không vũ trụ tại Đại học Bách khoa Virginia, cho biết đó chính là phần "tự do" trong quỹ đạo "trở về tự do" của con tàu.

Theo Kenyon, có hai lựa chọn là khai hỏa động cơ khi Orion bay qua phía xa Mặt Trăng (phía luôn khuất khi nhìn từ Trái Đất), gián đoạn liên lạc vô tuyến với Trái Đất, hoặc khai hỏa sớm hơn nhiều, khi vẫn ở gần hành tinh xanh. Phương án thứ hai mang lại ít rủi ro hơn cho phi hành gia nếu động cơ tên lửa gặp trục trặc.

Ngoài ra, quỹ đạo trở về tự do cũng giúp phi hành đoàn Artemis II phá vỡ kỷ lục của Apollo 13 về khoảng cách xa Trái Đất nhất mà con người từng bay, thiết lập năm 1970. Cụ thể, Artemis II đã bay cách Trái Đất khoảng 406.771 km, xa hơn 6.616 km so với Apollo 13.

Ngày 2/4, Orion khai hỏa động cơ tên lửa gần 6 phút, tiêu thụ khoảng 450 kg nhiên liệu, vừa đủ để rời xa Trái Đất và thiết lập lộ trình bay vòng qua Mặt Trăng rồi trở về theo quỹ đạo trở về tự do. Thao tác này diễn ra suôn sẻ đến mức NASA đã bỏ qua vài lần khai hỏa nhỏ hơn để điều chỉnh đường bay theo kế hoạch.

Các kỹ sư hàng không vũ trụ có thể vạch ra quỹ đạo như vậy bằng cách coi Trái Đất và Mặt Trăng như "giếng trọng lực". Hãy hình dung một bản đồ địa hình, trong đó Trái Đất và Mặt Trăng là hai hố lớn, bao quanh là những ngọn đồi uốn lượn. Quỹ đạo trở về tự do giống như đường lăn của viên bi, đưa Orion di chuyển dọc theo những đường cong xung quanh giếng trọng lực Mặt Trăng, sau đó lại bị kéo tới giếng trọng lực Trái Đất. "Một khi đạt đến độ cao nhất định trên bản đồ địa hình và tiến vào con đường đó, tàu sẽ tiếp tục đi mà không tốn năng lượng", Kenyon giải thích với Scientific American.

Việc sử dụng quỹ đạo trở về tự do được nhiệm vụ Luna 3 của Liên Xô tiên phong ứng dụng, lần đầu tiên đưa tàu không người lái đến chụp ảnh phía xa Mặt Trăng. Tuy nhiên, lần sử dụng nổi tiếng nhất có lẽ thuộc về nhiệm vụ Apollo 13 của Mỹ.

Tháng 4/1970, tàu Apollo 13 chở ba phi hành gia NASA James A. Lovell, John "Jack" Swigert, Fred Haise bay đến Mặt Trăng, dự định đổ bộ khu vực Fra Mauro. Tuy nhiên, tàu gặp sự cố vỡ bình oxy trên đường đi khiến cuộc đổ bộ bị hủy. Phi hành đoàn sau đó quyết định xoay xở tiến vào quỹ đạo trở về tự do nhằm "hồi hương" an toàn.

Theo Jay Warren McMahon, phó giáo sư kỹ thuật hàng không vũ trụ tại Đại học Colorado, Boulder, quỹ đạo hình số 8 đặc trưng này được coi là một lời giải cho bài toán "ba vật thể" - gồm Trái Đất, Mặt Trăng và tàu vũ trụ - trong cơ học quỹ đạo. Lực hấp dẫn của Mặt Trời gây nhiễu loạn nhẹ cho đường bay, do đó cũng được đưa vào các phép tính.

Việc giải bài toán thường đòi hỏi vẽ đồ thị chuyển động của tàu vũ trụ từ vùng ảnh hưởng của trọng lực Trái Đất, nơi lực hút của hành tinh xanh chiếm ưu thế, đến vùng ảnh hưởng trọng lực Mặt Trăng. Trong nhiệm vụ Artemis II, sự chuyển đổi này diễn ra khoảng 0h41 ngày 6/4 (11h41 theo giờ Hà Nội), đánh dấu lần đầu tiên con người bước vào không gian Mặt Trăng kể từ nhiệm vụ Apollo 17 năm 1972.

"Chúng ta bay vượt lên trước Mặt Trăng, sau đó nó đuổi kịp, kéo chúng ta trở lại và quăng vòng quanh. Vì vậy, thực chất chúng ta sẽ quay về nhanh hơn và theo một quỹ đạo khác so với trường hợp không có Mặt Trăng", McMahon giải thích về quỹ đạo trở về tự do đưa tàu vũ trụ bay vòng qua Mặt Trăng, trở lại Trái Đất.

Phương pháp tính toán này cũng là cơ sở cho thao tác "ná cao su trọng lực" mà các tàu liên hành tinh như Voyager của NASA thực hiện nhằm tối ưu hóa thời gian di chuyển trong hệ Mặt Trời. Tất cả đều dựa trên sự truyền động lượng thông qua lực kéo hấp dẫn từ vật thể lớn hơn như Mặt Trăng hoặc hành tinh, lên tàu vũ trụ nhỏ để thay đổi quỹ đạo tàu theo hướng mong muốn.

Tàu Orion rời bệ phóng tối 1/4 (5h35 ngày 2/4 giờ Hà Nội) đưa phi hành đoàn Artemis II bay tới Mặt Trăng, thực hiện nhiệm vụ có người lái đầu tiên của NASA vượt ra ngoài quỹ đạo Trái Đất tầm thấp sau 54 năm. Phi hành đoàn được ví "đại diện cho thế giới", khi lần đầu có phụ nữ, người da màu và thành viên không phải người Mỹ bay tới Mặt Trăng.

Phi hành đoàn Artemis II ước tính đã di chuyển quãng đường 1.117.659 km trong toàn bộ hành trình vòng quanh Trái Đất và Mặt Trăng, tổng thời gian bay ước tính là 9 ngày 1 giờ và 31 phút.

Artemis II được thiết kế như một bước đệm cho chương trình Artemis của NASA, hướng tới thiết lập sự hiện diện lâu dài của con người trên Mặt Trăng. Nhiệm vụ không người lái Artemis I diễn ra hồi tháng 11/2022, sau nhiều đợt hoãn và hủy phóng. Sau thành công của Artemis II, NASA sẽ thử nghiệm tàu Orion và các trạm đổ bộ Mặt Trăng trên quỹ đạo Trái Đất trong nhiệm vụ Artemis III năm 2027. Cơ quan này đặt mục tiêu thực hiện chuyến đổ bộ lên bề mặt vào năm 2028 với nhiệm vụ Artemis IV. Đến thập niên 2030, NASA kỳ vọng bắt đầu phát triển các khu định cư, robot tự hành và trạm đổ bộ chở hàng, hướng đến thiết lập sự hiện diện bền vững trên bề mặt Mặt Trăng.

Nguồn: vnexpress.net