Hành trình phát triển công nghệ vệ tinh. [Phần 8]: Khám phá Hành tinh Đỏ
16/01/2022 07:15 - Nguyễn Xuân Lê Khoa
Ai biết rằng lịch sử ngành vũ trụ đã có biết bao chật vật và thất bại với mộng tưởng chạm đến hành tinh đặc biệt, thu hút ta qua kính viễn vọng vớibởi vẻ ngoài ánh màu đỏ rực, tách bạch trước những ngôi sao lấp lánh khác trên bầu trời đêm
Nhà khoa học Carl Sagan đứng bên cạnh mô hình tàu Viking 2 tại Death Valley, California, vào ngày 26/10/1980.
Mãi đến thế kỷ XVIII, khi những chiếc kính thiên văn đầu tiên hướng lên trời, con người mới có cái nhìn đầu tiên về hành tinh này, mở ra một kỷ nguyên của văn hóa - khoa học gắn liền với sao Hỏa. Vào năm 1877, nhà thiên văn học người Ý Giovanni Schiaparelli phát hiện trên bề mặt Hỏa Tinh những cấu trúc tựa kênh rạch. Từ đó, trong cộng đồng khoa học đã nảy sinh những giả thuyết về sự tồn tại của các nền văn minh bên ngoài địa cầu. Trước khi những giả thuyết ấy bị bác bỏ bởi những kính thiên văn tân tiến hơn, đã có nhiều tác phẩm khoa học viễn tưởng lấy chủ đề sự sống trên sao Hỏa ra đời.
Mang cảm hứng From the Earth to the Moon của Jules Verne, nhà thiên văn học Camille Flammarion đã miêu tả sao Hỏa trong trí tưởng tượng của ông đến với người đọc qua tác phẩm Les Terres du Ciel [1884]: Một hành tinh tương tự của chúng ta với nước, không khí, những cơn mưa, con suối và dòng nước ngầm phun trào lên trên mặt đất.
Percival Lowell, một người luôn tin vào những kênh đào trên sao Hỏa, người đã đặt nền móng cho việc khám phá sao Diêm Vương, đã có ba quyển sách Mars [sao Hỏa, 1895], Mars and Its Canals [sao Hỏa và những kênh đào của nó, 1906], và Mars and the Abode of Life [sao Hỏa và nơi cư ngụ của sự sống, 1930]. Mặc dù niềm tin mù quáng về sự sống trên sao Hỏa khiến nhiều đồng nghiệp khó chịu, Lowell vẫn để lại di sản là một đài thiên văn đẳng cấp thế giới [Lowell Observatory], do ông tự đầu tư từ tiền túi của mình đặt tại Flagstaff, Arizona, Mỹ nơi lý tưởng nhất để quan sát thiên văn. Ngày nay, đài thiên văn Lowell vẫn tiếp tục đóng góp vào sự tiến bộ của tri thức nhân loại.
Cơ hội hai năm một lần
Từ những năm đầu của thập niên 60 thế kỷ XX, sao Hỏa đã trở thành một chủ đề nóng hổi, tâm điểm của cuộc đua không gian giữa Liên Xô và Hoa Kỳ. Nhân loại liên tiếp phóng các vệ tinh đến thăm dò hành hành tinh đất đá nằm xa hơn Trái đất này. Sao Hỏa xếp thứ tư tính từ Mặt trời, với kích thước chỉ nhỏ bằng một nửa và trọng lực bằng 38% so với Trái đất. Sao Hỏa mất nhiều thời gian hơn Trái đất để hoàn thành một quỹ đạo đầy đủ quanh Mặt trời, 687 ngày so với 365 ngày, khiến cho cơ hội để tiếp cận hành tinh này chỉ diễn ra sau 26 tháng một lần [khoảng hơn hai năm], và mất ít nhất khoảng sáu tháng hành trình mới đến được đây. Nhưng tốc độ tự quay thì gần như tương đương Trái đất, dẫn đến một ngày chỉ dài vỏn vẹn hơn 40 phút so với Trái đất. Nhìn từ Trái đất, sao Hỏa không chỉ nổi bật lên màu đỏ cam rỉ sét, mà còn qua những đường nét bí ẩn trông giống những rặng núi hay công trình nhân tạo khổng lồ. Đây là một trong nhiều lý do sao Hỏa luôn được đồn đoán là cái nôi ẩn chứa một sự sống ngoài hành tinh.
Lowell, dù với những suy luận kỳ quái, ông đã kích thích trí tưởng tượng của công chúng đối với việc khám phá hành tinh hơn bất kỳ ai khác trong thời đại của mình. Ông đã góp phần chắp cánh cho trí tưởng tượng của những cây bút như H.G.Wells, Edgar Rice Burroughs, Stanley G. Weinbaum với những tác phẩm khoa học viễn tưởng kinh điển trong lịch sử nhân loại. Để rồi, những bí ẩn, mạo hiểm mà các tác phẩm văn học của thế kỷ XIX, XX mang đến chính là nguồn động lực to lớn để chúng ta miệt mài tìm tòi, khám phá và chinh phục không gian.
Liên Xô liên tiếp phóng chín tàu do thám đến sao Hỏa trong suốt thập niên 1960 để làm sáng tỏ hàng thập kỷ tò mò của con người, tuy nhiên các sứ mệnh đều kết thúc trong thất bại. Các sứ mệnh này bao gồm cả vệ tinh quỹ đạo, tàu đổ bộ và tàu quá cảnh [flyby].
Các tàu vũ trụ được phóng ban đầu rất nhỏ và được phóng bằng tên lửa Molniya. Trong đó phải kể đến chương trình Mars 1M [hay còn gọi là Marsnik với Mars + Sputnik theo truyền thông phương Tây] gồm có hai tàu bay liên hành tinh tự hành đầu tiên của Liên Xô. Những tàu sơ khởi này có thiết kế y hệt với tàu thăm dò sao Kim, Venera 1, với một thân hình trụ cao khoảng 2m, gắn liền hai tấm pin Mặt trời, một ăng ten lưới có độ định hướng tín hiệu cao khoảng 2,33m và một cánh tay ăng ten dài có khối lượng khoảng 650kg. Với mục tiêu ban đầu là để quan trắc những tác động của môi trường liên hành tinh lên các thiết bị trên tàu, từ đó phát sóng vô tuyến về Trái đất. Tàu mang theo trong mình 10kg thiết bị khoa học, gồm một từ kế, máy đếm tia vũ trụ, bẫy ion plasma, một máy đo bức xạ, một máy dò vi thiên thạch và một máy đo phản xạ quang phổ để nghiên cứu dải CH, một chỉ số khả dĩ về sự sống trên sao Hỏa.
Được phóng vào khoảng tháng 10 năm 1960, tuy nhiên tên lửa đẩy Molniya thất bại trong việc tiếp cận quỹ đạo tạm dừng [parking orbit] dùng để làm bàn đạp bay đến sao Hỏa, rơi trở lại Trái đất do trục trặc khó hiểu ở tầng thứ ba của tên lửa, dẫn đến tắc ống dẫn nhiên liệu ở cả hai lần phóng.
Mãi đến đầu tháng 11/1962, Liên Xô mới có một tàu liên hành tinh, đến sao Hỏa đầu tiên mang tên Mars 1, mang theo các thiết bị chuyên dụng để chụp ảnh bề mặt, đo lường từ trường, bức xạ môi trường, cấu tạo khí quyển và cả các thành phần sự sống có thể trên sao Hỏa. Ngoài ra, tàu còn có cảm biến đo bức xạ vũ trụ, và các vi thiên thạch, mở đường cho các sứ mệnh sau này. Ở lần tiếp theo này, các chỉ huy sứ mệnh của Liên Xô sử dụng tên lửa Proton-K nặng hơn để phóng tàu vũ trụ lớn khoảng 5 tấn, bao gồm một tàu quỹ đạo và một tàu đổ bộ lên sao Hỏa. Thiết kế của tàu quỹ đạo hơi vội vã đưa vào sử dụng và vẫn chưa hoàn thiện.
Một nghệ sĩ vẽ Mariner 9 bay trong quỹ đạo sao Hỏa vào năm 1977. Ảnh AP.
Sự thiếu tin cậy của các thiết bị phần cứng không gian của Liên Xô từ cuối những năm 1960 và đầu những năm 1970 là một vấn đề phổ biến bởi đa số chúng là đồ được tái sử dụng, các nhà lãnh đạo của Liên Xô dường như muốn tiết kiệm tối đa chi phí, thường kết hợp các sứ mệnh lại với nhau hoặc sửa lỗi các thiết kế hiện tại hơn là tạo ra những phần cứng mới.
Những Thủy thủ tiên phong
Mỹ cũng từ sớm tham gia vào cuộc đua đến hành tinh Đỏ, dù là biển cả hay không gian, con người luôn ấp ủ những tham vọng lớn lao, chinh phục những miền đất mới, mà sứ mệnh Mariner - Thủy thủ đại diện cho ý chí đó. Mở đầu kỷ nguyên khám phá sao Hỏa bằng tàu các tàu Mariner 3 và 4. Năm 1964, Phòng thí nghiệm Phản lực đẩy [JPL] của NASA thực hiện hai nỗ lực tiếp cận sao Hỏa đầu tiên. Cặp đôi Mariner 3 và Mariner 4 là những tàu vũ trụ giống hệt nhau được thiết kế để thực hiện chuyến bay đầu tiên đến sao Hỏa. Mariner 3 được phóng vào ngày 5/11/1964, nhưng tấm phủ quanh tàu vũ trụ trên đỉnh tên lửa không thể mở ra, khiến cho nhiệm vụ sớm kết thúc trong thất bại.
Ba tuần sau, vào ngày 28/11/1964, Mariner 4 được phóng thành công trong chuyến hành trình hơn bảy tháng tới sao Hỏa. Mariner 4 bay ngang sao Hỏa vào ngày 14/7/1965, cung cấp 21 bức ảnh về hành tinh Đỏ cận cảnh đầu tiên. Các hình ảnh sau đó dần được phát về Trái đất bằng một máy ghi hình nhỏ trên tàu thăm dò, cho thấy các hố va chạm. Dữ liệu được cung cấp chính xác ước tính áp suất khí quyển bề mặt bằng khoảng 1% của Trái đất và nhiệt độ ban ngày là âm 100°C. Không có từ trường nào hoặc vành đai bức xạ của sao Hỏa được phát hiện. Dữ liệu mới cho thấy sự sống khó có thể tồn tại như nhiều đồn đoán trước đây, và họ cần phải thiết kế lại các tàu đổ bộ sao Hỏa sao cho phù hợp với điều kiện mới.
Hai ngày sau khi Mariner 4 được phóng đi, Liên Xô đã thử lại với Zond 2. Tàu vũ trụ đi ngang qua sao Hỏa nhưng thiết bị truyền radio bị lỗi và nó không trả về bất kỳ dữ liệu nào.
NASA tiếp tục chương trình Mariner với một cặp tàu thăm dò sao Hỏa khác, Mariner 6 và 7. Thông thường, các tàu thăm dò sẽ được phóng theo cặp nhằm để dự phòng sự cố của những tàu còn lại giữa bối cảnh cuộc đua không gian sát sao. Mariner 6 và 7 cũng không ngoại lệ, chúng được lên kế hoạch phóng vào không gian và đến hành tinh trong năm 1969. Nhưng rất tiếc, sứ mệnh đến sao Hỏa gian nan này lại một lần nữa thất bại. Tiếp theo đó, vào 1971 Mariner 8 mang theo nhiều hy vọng của NASA về tàu vũ trụ đơn thành công đầu tiên, tuy nhiên lại gặp sự cố về thời gian phóng.
Không thể để cho thất bại làm chùn bước, bỏ lỡ cơ hội hai năm một lần, chỉ khoảng nửa tháng sau đó, tàu song sinh Mariner 9 được phóng nối đuôi với Mariner 8. Tàu được thiết kế để tiếp nối tham vọng nghiên cứu khí quyển từ thất bại của Mariner 6 và 7, và lập bản đồ trên 70% bề mặt sao Hỏa từ độ cao khoảng 1.500km và ở độ phân giải ảnh từ khoảng 1km đến 100m mỗi pixel, cao nhất so với bất kỳ sứ mệnh nào từng đến sao Hỏa cho đến thời điểm đó. Một máy đo bức xạ hồng ngoại được mang theo trên tàu để phát hiện các nguồn nhiệt nhằm tìm kiếm bằng chứng về hoạt động của núi lửa, nghiên cứu những thay đổi theo thời gian trong bầu khí quyển và bề mặt sao Hỏa. Hai mặt trăng nhỏ của sao Hỏa cũng được phân tích.
Cùng với hai tàu quỹ đạo của Liên Xô [Mars 2 và Mars 3], Mariner 9 đã bắt được hình ảnh một cơn bão bụi có quy mô lớn chưa từng thấy, bao phủ gần như toàn bộ hành tinh, khiến cho các nỗ lực chụp ảnh bề mặt hành tinh phải hoãn lại. Các nhà khoa học điều khiển sứ mệnh tận dụng khoảng thời gian chờ bão cát trên sao Hỏa tan để thăm dò và chụp ảnh Phobos, một trong hai vệ tinh tự nhiên của Hỏa Tinh.
Sau khi cơn bão tan dần đủ để bề mặt sao Hỏa có thể cho Mariner 9 chụp ảnh, những bức ảnh ghi lại thể hiện một bước tiến đáng kể so với các nhiệm vụ trước đó. Đây là những bằng chứng sống đầu tiên cung cấp chi tiết hơn các dấu vết giữa các rặng núi và thung lũng rằng nước lỏng có thể đã từng chảy trên bề mặt hành tinh này. Nix Olympica là một trong số ít đặc điểm có thể được nhìn thấy trong cơn bão bụi hành tinh, đây chính là ngọn núi cao nhất [chính xác là núi lửa] trên bất kỳ hành tinh nào trong toàn bộ Hệ Mặt trời, và dẫn đến việc phân loại lại nó giống như Olympus Mons - ngọn núi lửa cao nhất Hệ Mặt trời.
Về phần Liên Xô, sau nhiều lần thất bại, mãi đến 1971, nước này cho ra thế hệ vệ tinh nhân tạo tiếp theo đến sao Hỏa nhằm cạnh tranh với các tàu quỹ đạo sao Hỏa Mariner 8 và Mariner 9 theo kế hoạch phóng của Mỹ công bố. Vào tháng 5/1971, một ngày sau khi Mariner 8 gặp trục trặc khi phóng và không lên được quỹ đạo, tàu mang mã Cosmos 419 [Mars 1971C], một tàu thăm dò hạng nặng thuộc chương trình M-71 sao Hỏa của Liên Xô, cũng không phóng thành công. Tàu vũ trụ này chỉ được thiết kế như một tàu quỹ đạo, trong khi hai tàu thăm dò tiếp theo của dự án M-71, Mars 2 và Mars 3, là sự kết hợp đa năng của một tàu quỹ đạo và một tàu đổ bộ với bánh lăn nhỏ, dự kiến sẽ là robot đầu tiên di chuyển bộ trên một hành tinh, sau thành công trên Mặt trăng. Chúng được phóng thành công vào giữa tháng 5/1971 và đến sao Hỏa khoảng bảy tháng sau đó. Vào ngày 27/11/1971, tàu đổ bộ Mars 2 đã hạ cánh do trục trặc máy tính trên tàu và trở thành vật thể nhân tạo đầu tiên đến được bề mặt sao Hỏa. Vào ngày 2/12/1971, tàu đổ bộ Mars 3 trở thành tàu vũ trụ đầu tiên hạ cánh nhẹ nhàng, nhưng quá trình truyền dẫn của nó bị gián đoạn sau 14,5 giây.
Các tàu quỹ đạo Mars 2 và 3 đã gửi lại một khối lượng dữ liệu tương đối lớn trong khoảng thời gian từ tháng 12/1971 đến tháng 3/1972, mặc dù việc truyền tải vẫn tiếp tục cho đến tháng tám. Đến ngày 22/8/1972, sau khi gửi lại dữ liệu và tổng cộng 60 bức ảnh, Mars 2 và 3 kết thúc sứ mệnh của mình. Các hình ảnh và dữ liệu cho phép tạo ra bản đồ bề mặt và cung cấp thông tin về lực hấp dẫn và từ trường của sao Hỏa.
Tàu Mars 2 của Liên Xô, sau Mariner 9, cũng bay vào được quỹ đạo sao Hỏa.
Năm 1973, Liên Xô đã gửi thêm bốn tàu thăm dò lên sao Hỏa: tàu quỹ đạo Mars 4 và Mars 5 và các tổ hợp tàu bay/tàu đổ bộ Mars 6 và Mars 7. Tất cả các nhiệm vụ ngoại trừ Mars 7 đều gửi lại dữ liệu, trong đó Mars 5 là thành công nhất. Mars 5 chỉ truyền được 60 hình ảnh trước khi mất điều áp trong vỏ máy phát và phải kết thúc sớm sứ mệnh. Tàu đổ bộ Mars 6 đã truyền dữ liệu trong quá trình hạ cánh, nhưng không thành công khi va chạm. Mars 4 đã bay qua hành tinh này ở phạm vi 2.200 km, trả về một loạt các bức ảnh và dữ liệu bí ẩn vô tuyến, tạo nên sự phát hiện đầu tiên về tầng điện ly ban đêm trên sao Hỏa. Tàu thăm dò Mars 7 tách khỏi tàu mang theo do sự cố trong hoạt động của một trong các hệ thống trên tàu [kiểm soát tư thế hoặc tên lửa phản lực] và trượt khỏi hành tinh khoảng 1.300 km.
Gián tiếp đặt chân lên sao Hỏa
NASA từ sớm đã nghiên cứu và phát triển Viking từ sau những sứ mệnh sao Hỏa đầu tiên, thậm chí còn tham vọng hơn nhiều. Chiếc Viking 1 được phóng vào ngày 20/ 8/1975 và chiếc thứ hai, Viking 2, được phóng vào ngày 9/9/1975, cả hai đều cưỡi trên đỉnh tên lửa Titan IIIE nhiều tầng đẩy, tầng phóng trên mang tên Centaur. Viking 1 đi vào quỹ đạo sao Hỏa vào ngày 19/6/1976, và Viking 2 theo sau vào ngày 7/8.
Toàn bộ dự án Viking tiêu tốn khoảng 1 tỷ USD vào thời điểm khởi động, tương đương với hơn 5 tỷ USD ở thời điểm hiện tại được xếp vào hàng đắt đỏ nhất nhưng đồng thời cũng mang lại thành công tột bậc, giúp cho nhân loại mở rộng tầm hiểu biết về sao Hỏa trong nửa cuối thế XX.
Sau khi quay quanh sao Hỏa hơn một tháng và quay lại các hình ảnh được sử dụng để lựa chọn địa điểm hạ cánh, các tàu quỹ đạo và tàu đổ bộ đã tách ra; các tàu đổ bộ sau đó đi vào bầu khí quyển sao Hỏa và hạ cánh mềm tại các địa điểm đã được chọn. Tàu đổ bộ Viking 1 chạm xuống bề mặt Hỏa Tinh vào ngày 20/7/1976, hơn hai tuần trước khi tàu Viking 2 lên quỹ đạo. Viking 2 sau đó hạ cánh mềm thành công vào ngày 3/9. Các tàu quỹ đạo tiếp tục chụp ảnh và thực hiện các hoạt động khoa học khác từ quỹ đạo trong khi tàu đổ bộ triển khai các thiết bị trên bề mặt.
Toàn bộ dự án Viking tiêu tốn khoảng 1 tỷ USD vào thời điểm khởi động, tương đương với hơn 5 tỷ USD ở thời điểm hiện tại. Nhiệm vụ được xếp vào hàng đắt đỏ nhất nhưng đồng thời cũng mang lại thành công tột bậc, giúp cho nhân loại mở rộng tầm hiểu biết về sao Hỏa trong nửa cuối thế XX.