[Chuyện thư viện] SpaceX và hành trình bay vào vũ trụ

Tối hôm nay (30/5/2020), SpaceX của Elon Musk sẽ phóng lên không gian chuyến bay chở người đầu tiên, vốn là cột mốc quan trọng cho ngành công nghiệp vũ trụ. Chuyến bay mang tên Demo 2 sẽ chở theo 2 phi hành gia NASA đến trạm vũ trụ ISS.

Tại sao sự kiện này được coi là một mốc quan trọng của ngành hàng không vũ trụ? Bởi vì nếu thành công, SpaceX sẽ là công ty tư nhân đầu tiên khai thác vũ trụ theo khía cạnh thương mại. Các cường quốc khoa học hay các tập đoàn lớn như Airbus, Boeing, GM… đều có khả năng mang người lên vũ trụ (theo nghĩa hẹp) nhưng SpaceX là nơi đầu tiên biến khả năng đó thành một ngành công nghiệp (có thể) sinh lời. Hãy tưởng tượng thay vì nghiên cứu thêm công nghệ và đánh bóng sản phẩm, SpaceX tập trung vào tính bình dân và khả năng tái sử dụng của thiết bị. Với việc ISS lắp thêm khoang thương mại thì tương lai gần người dân có thể mua vé lên ISS và tập bay trên đó.

Trong bài viết này mình sẽ giới thiệu tổng quan về lịch sử ngành hàng không vũ trụ, lý thuyết sơ khởi về động cơ tên lửa và lí do (theo cảm nhận cá nhân) chuyến bay của SpaceX được quan tâm.

—

I. Một chút thông tin về việc bay lên trời

Tên lửa có tổ tiên là pháo hoa của người Trung Hoa ở thế kỉ thứ 10. Ở đây pháo hoa được bắn lên trời thông qua một mũi tên. Đến thế kỉ thứ 13, người Trung Quốc thay vì bắn pháo hoa thì đã bắt đầu biết buộc các chất cháy nổ hay kim loại và bắn về phía quân thù. Đây có thể coi là khởi nguồn của pháo binh. Đến thế kỉ 15, các loại pháo lớn được sở dụng rộng rãi trên chiến trường. Nổi bật nhất trong thời kì này là những khẩu pháo của đế chế Ottoman: những khẩu pháo này đã góp phần không nhỏ trong trận vây thành Constantinople. Những bức tường của Constantinople đã giúp đế chế Byzantine đứng vững nghìn năm, và chỉ bị khuất phục bởi những khẩu pháo tên Orban từ quân đội Ottoman. Sự xuất hiện của những khẩu pháo này đánh dấu chấm hết cho những bức tường thành, và gián tiếp thay đổi hình thái chiến tranh thời kì này (giai đoạn sau thế kỉ 15).

Pháo binh Ottoman và tường thành Constantinople

Đến thế kỉ 19, quân đội Châu Âu đều có lực lượng pháo binh chuyên nghiệp. Một lần nữa Napoleon với việc dùng pháo binh như lực lượng chủ lực trong quân đội, tiếp tục định hình lại hình thức chiến tranh. Trước thời điểm đó, pháo binh cồng kềnh vừa nặng, và mặc dù có sự phân biệt giữa pháo binh hạng nặng (ground artillery) và pháo binh hạng nhẹ (light field artillery – canon) nhưng chủ yếu pháo binh thời kì này là đơn vị phụ trợ, đóng vai trò hỗ trợ. Chính Napoleon đã cải tiến pháo binh như đơn vị tấn công chiến lược, với việc làm pháo nhỏ, nhẹ với nhiều cỡ khác nhau, giúp pháo binh Pháp cơ động và chiếm thế thượng phong.

Có thể hiểu đơn giản chiến thuật của Napoleon như sau: đánh chiếm cao điểm trong chiến trường, kéo pháo lên đó rồi bắn áp chế xung quanh. Với tầm bắn xa hơn (chứ không phải mạnh hơn) và khả năng cơ động, pháo binh Pháp áp đảo pháo binh đối thủ trong thời gian dài. Ngoài ra phải kể đến các khẩu canon bắn những quả đạn tròn bouncing, không phải đạn nổ nhưng gây tê liệt tinh thần đối phương. Phải đến trận Talavera năm 1809 và Waterloo năm 1815, Wellington người Anh mới bắt đầu bố trí quân đằng sau/bên các ngọn núi để hạn chế sức mạnh của pháo binh Pháp.

Một cảnh trong phim The Patriot

Pháo binh, và về sau là lực lượng tên lửa, liên tiếp có những cải tiến đáng kể. Một bước ngoặt đáng chú ý vào năm 1944 là sự ra đời của tên lửa xuyên lục địa đầu tiên: V-2. V-2 có tầm bắn 320km và nặng hơn 12 tấn, cha đẻ của V-2 là Werner Von Braun. Von Braun về sau làm việc cho NASA và đóng góp rất nhiều vào trung tâm Marshall – trung tâm nghiên cứu động cơ tên lửa lớn nhất của NASA và kế hoạch Apollo.

Có thể nói V-2 là tiền nhân của các động cơ tên lửa bây giờ. So với pháo binh, mọi việc tính toán nằm ở khâu chuẩn bị, và sau thời điểm bắn viên đạn ra ngoài/lên trời thì “súng và đạn như chưa từng quen”. Tên lửa có thể coi là một viên đạn có gắn động cơ, có sự tự điều chỉnh để đạt sự chính xác tối đa. Và các tên lửa đẩy vũ trụ có thể coi là một viên “đạn” khổng lồ có động cơ, thay vì chứa 1000 cân thuốc nổ thì chứa vệ tinh và thay vì bay 10000km sang phía kia đại dương thì bay 320km lên thẳng bầu trời.

Tên lửa V-2

Ở đây, mặc dù có sự đóng góp rất lớn từ lĩnh vực quân sự, khoa học tên lửa ghi nhận sự đóng góp của 3 nhà khoa học là Konstantin Tsiolkovsky, Herman Obert và Robert Goddard (chúng ta cũng có thể kể đến Jules Verne với tác phẩm nổi tiếng From the Earth to the Moon, xuất bản năm 1863). Tsiolkovsky là học giả người Nga nổi tiếng với phương trình Tsiolkovsky – phương trình tên lửa và nhiều nhận định xuất sắc về khoa học tên lửa. Herman Oberth sinh ở Romania nhưng làm việc ở Đức, ông là thầy của Von Braun và về sau làm việc với chính Von Braun trong dự án V-2. Ông nổi tiếng với việc chỉ ra những thách thức và giới hạn công nghệ cần vượt qua. Một giai thoại về Oberth là đồ án tiến sĩ “Ways to Spaceflight” của ông từng bị từ chối ban đầu vì lí do “ngây thơ”. Người thứ 3, Robert Goddard đến từ Hoa Kì được biết đến vì những đóng góp của ông cho vấn đề nguyên vật liệu dùng cho động cơ.

Những đóng góp liên tục từ nhiều ngành, nghề, lĩnh vực khác nhau đã liên tục cải tiến hệ thống tên lửa nói chung. Cũng dễ nhận ra rằng chiến tranh (Thế chiến 1, 2) và cuộc chiến tranh lạnh sau đó giữa Hoa Kỳ và Liên Xô phần nào thúc đẩy sự phát triển của động cơ tên lửa nói riêng và cuộc chạy đua vào không gian nói chung.

Cuộc chạy đua vào không gian bắt đầu khi vệ tinh Sputnik của Liên Xô được tên lửa đẩy SS-6 ICBM đưa lên không gian ngày 4/10/1957. Hoa Kỳ theo ngay sau với vệ tinh Explorer 1 sử dụng tên lửa Juno vào ngày 31/1/1958. NASA được tổng thống Eisenhower thành lập vào tháng 4 năm 1958. NASA tập trung vào việc đưa con người vượt ra khỏi quỹ đạo Trái Đất, và họ đã thành công 11 năm sau đó với động cơ Saturn V khi đưa Neil Armstrong lên mặt trăng. Sự hụt hơi của Liên Xô (về sau là Nga) giúp Hoa Kỳ dẫn đầu về công nghệ cho đến tận ngày nay.

Saturn V

Ở đây chúng ta có thể có một thắc mắc: Tại sao không quốc gia nào lên được mặt trăng mặc dù Hoa Kỳ đã lên đó vào năm 1969?

Lí do là vấn đề tài chính. Hoa Kỳ để đưa được Neil Armstrong lên mặt trăng cần phải chuẩn bị chính sách, huy động nguồn lực và kêu gọi ủng hộ từ dân chúng từ những năm 60s. Chúng ta phải kể đến sự cạnh tranh về mặt hình ảnh giữa Hoa Kỳ và Liên Xô trong thời gian này. Khi liên quan đến niềm tự hào dân tộc và danh dự quốc gia thì… cái gì cũng có thể. Có thể nói mọi thứ trên thế giới này bị chi phối bởi 2 thứ: vật lý và… tiền. Ở hạng mục sau, Hoa Kỳ thắng tuyệt đối.

Vì thế, khi Liên Xô rời bỏ cuộc chơi và vị thế dẫn đầu không còn bị cạnh tranh, chi phí dành cho NASA cũng giảm dần. Đó cũng là lí do vì sao ngày nay nhiều quốc gia không mặn mà với việc lên vũ trụ. Việc này phần nhiều được coi như niềm tự hào quốc gia và không mang lại giá trị kinh tế hiện hữu. Có thể tóm tắt trong một câu: Là quá đắt để bay lên vũ trụ, và là quá sớm để khai thác vũ trụ. Nếu là vấn đề danh dự thì miếng bánh đầu tiên là quan trọng nhất, mọi miếng về sau đều là miếng bánh thứ hai, là miếng bánh ăn thừa. Không ai mặn mà lên Mặt Trăng bởi vì Mặt Trăng đã bị cắm cờ Hoa Kỳ, buồn là vậy.

Đây là lí do vì sao sự kiện của SpaceX được quan tâm. SpaceX cố gắng để việc bay vào vũ trụ được rẻ hơn, và đồng thời khởi động một cuộc đua khai thác vũ trụ giữa các quốc gia hay siêu tập đoàn. Ở mức độ quốc gia, Trung Quốc có kế hoạch đưa người lên Mặt Trăng trong tương lai gần, Nhật có kế hoạch “khai thác” thiên thạch ngoài không gian… Ở mức độ siêu tập đoàn, chúng ta có Blue Origin, Virgin Galactic, SpaceX, Boeing…

II. Tổng quan về động cơ tên lửa

Động cơ là công cụ chuyển hoá dạng năng lượng này thành năng lượng khác. Động cơ hơi nước chuyển thế năng của nước thành cơ/động năng của máy móc. Động cơ đốt trong chuyển đổi năng lượng do biến đổi hoá học (đốt cháy xăng, dầu) thành thế năng của đòn quay rồi thành động năng của xe cộ… Khi nói về động cơ, chúng ta hay nói về hiệu năng. Có nhiều định nghĩa cũng như quy chuẩn cho nhiều loại hiệu năng, hãy điểm qua một vài ví dụ.

+ So sánh động cơ hơi nước (động cơ đốt ngoài) với động cơ bốn thì (động cơ đốt trong) ngày nay. Trong lịch sử, các đoàn tàu chạy bằng động cơ hơi nước cần công nhân liên tục đốt than để đun nóng nước, nước sôi sinh ra hơi nước có áp suất đẩy các piston, tạo thành cơ năng của hệ thống. Trong động cơ bốn thì, các nguyên liệu hoá học (xăng, dầu) được đốt cháy, nhiệt năng của phản ứng toả ra làm tăng áp suất trong xilanh, đẩy xilanh chuyển động tạo thành cơ năng của hệ thống.  Chúng ta có thể rút ra quan sát: Có vẻ như đốt xăng/dầu thì hiệu quả hơn đốt than và đốt bên trong ống thì hiệu quả hơn bên ngoài ống.

+ Bạn đun một ấm nước. Nước cần được “truyền năng lượng” để nóng lên từ nhiệt độ phòng đến 100 độ C. Nếu đun bằng bếp ga sẽ mất 10 phút, nếu đun bằng bếp từ sẽ mất 2 phút. Ở đây bếp từ truyền một lượng nhiệt tương đương bếp ga nhưng trong thời gian bằng 1/5, ta có thể nói rằng: Cách thức truyền nhiệt của bếp từ hiệu quả hơn bếp ga.

Ví dụ trên là minh hoạ cho hai vấn đề lớn trong khoa học tên lửa: nguyên liệu và hệ thống động cơ đẩy. Chúng ta muốn hệ thống nhẹ; giải phóng năng lượng lớn (và đều); bền vững và ít rủi ro. Đây là vấn đề trade-off, cần tối ưu hoá, tức là được cái này sẽ mất cái kia. Ngày nay các động cơ tên lửa, máy bay phản lực, tàu ngầm… là những hệ thống động cơ tốt nhất (và đắt nhất) thế giới.

Infographic 3D này và này giải thích tương đối trực quan về cách thức hoạt động của động cơ ô tô và động cơ máy bay, chúng ta có thể thấy sự phức tạp tương ứng với chúng.

Vấn đề thứ ba liên quan đến hai vấn đề trên, chính là sự tối ưu hoá. Ở đây là toán học. Chúng ta có meme về đề tài này (come on, It is not rocket science!). Người nào giỏi tích phân và giải tích nói chung có thể hiểu được phần nào.

Vấn đề thứ tư là nguyên vật liêu. Để chịu được môi trường khắc nghiệt chúng ta cần những vật liệu bền hơn, tốt hơn, và đôi khi, kì lạ hơn. Ngoài ra cần có một sự đồng đều đáng kể giữa các vật liệu. Rất bình thường nếu một lý thuyết mới/phát hiện mới chỉ ra một cách thức cải tiến hệ thống, nhưng không có vật liệu nào có khả năng xây dựng hệ thống đó. Saturn V của NASA gồm ba triệu chi tiết. Sự đồng bộ của ba triệu chi tiết này là thách thức lớn của NASA, và một tàu con thoi của NASA đã nổ tung chỉ vì có một mảnh cao su không đồng bộ. Khoa học tên lửa gồm nhiều lĩnh vực khác nhau và có sự phát triển không (thể) đồng đều. Một sự đột phá của lĩnh vực này đôi khi cần vài chục năm để các lĩnh vực khác đáp ứng kịp.

Tổng quan, chúng ta có thể phân loại tên lửa thành ba hệ thống: hệ thống đẩy, hệ thống điều khiển và hệ thống phụ trợ. Các vấn đề về tên lửa hiện nay phần nhiều thuộc về vấn đề khoa học kĩ thuật (engineering). Chúng ta thường dùng từ “hoàn thiện” cho một vấn đề kĩ thuật, và dùng từ “khám phá” cho một vấn đề thuộc về khoa học tự nhiên. Và vì thế, có lẽ nhân loại vẫn phải chờ thêm một thời gian nữa để tên lửa được “hoàn thiện” hơn, trước khi tự tin mua vé khứ hồi vào vũ trụ.

Clip trên là vụ nổ của Ariane 5 vào năm 1996. Lí do của vụ nổ này là lỗi phần mềm khi chuyển đổi số liệu của hệ 64 floating sang hệ 16 integer. Một thập kỉ nghiên cứu và hàng tỉ đô nổ tung như pháo hoa vậy.

III. Một vài nhận xét (cá nhân) trước giờ phóng

Nếu thành công, SpaceX sẽ thay thế nước Nga đưa “hàng” lên ISS và có được cơ hội khai thác không gian, đặc biệt là các hành trình lên quỹ đạo vệ tinh. Đặc biệt hơn là khả năng “bán vé” cho đại chúng. Giá giữ chỗ cho một chuyến bay vào vũ trụ của SpaceX là 81 triệu USD.

Nếu như trước nay, NASA vẫn nhờ tên lửa Nga để đưa “hàng” vào vũ trụ (dự án SS của NASA có nhiệm vụ đưa người lên không gian đã bị dừng vào năm 2011) thì nay công việc này được chuyển cho SpaceX. Tên lửa Nga với tiền thân là các tên lửa hạt nhân liên lục địa, mang những tính cách rất Nga: bền, rẻ, an toàn. Tuy nhiên đi kèm với đó là những hạn chế về mặt tính năng và tính chất chính trị quốc tế. Với việc đưa những vụ phóng về Hoa Kỳ, nhiều người hi vọng sự thành công của SpaceX sẽ mở ra một không gian cởi mở trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, tạo tiền đề cho những sự đột phá sau này.