Hướng dẫn chi tiết Cách để Du hành lên mặt trăng

Mặt trăng là thiên thể gần với trái đất nhất trong vũ trụ, cách trái đất khoảng 384.403 km. Tàu thăm dò không gian đầu tiên lên mặt trăng là tàu Luna 1 của Nga, được phóng đi vào ngày 2 tháng 1 năm 1959. Mười năm rưỡi sau đó, ngày 20 tháng 7 năm 1969, tàu vũ trụ Apollo 11 đã đưa Neil Armstrong và Edwin “Buzz” Aldrin đáp xuống một địa điểm trên mặt trăng được đặt tên là Sea of Tranquility (Biển Yên Bình). Du hành lên mặt trăng là một nhiệm vụ mà, theo lời của tổng thống John F. Kennedy, đòi hỏi năng lượng và kỹ năng của con người ở mức cao nhất.

Phần 1 của 3:

Chuẩn bị cho chuyến du hành

Lên kế hoạch cho từng giai đoạn. Không như những con tàu vũ trụ “phóng một mạch” thường được mô tả trong các truyện khoa học giả tưởng, chuyến bay lên mặt trăng là một sứ mệnh được chia thành nhiều phần: tiến vào quỹ đạo tầm thấp của trái đất, chuyển sang quỹ đạo của mặt trăng, đáp xuống mặt trăng, và đảo ngược lại các bước trên để trở về trái đất.

Một số truyện khoa học giả tưởng mô tả một cách thực tế hơn về cách thức du hành lên mặt trăng với các phi hành gia bay lên một trạm không gian trong quỹ đạo trái đất, nơi mà các tên lửa nhỏ hơn sẽ đưa họ lên mặt trăng và quay trở lại trạm. Bởi Hoa Kỳ và Liên Xô cạnh tranh với nhau, cách tiếp cận này là không khả thi; các trạm không gian Skylab, Salyut, và trạm không gian quốc tế đều đã ngừng hoạt động sau khi chương trình Apollo kết thúc.

Chương trình Apollo sử dụng tên lửa Saturn V ba tầng. Tầng dưới cùng có nhiệm vụ nâng tổ hợp rời khỏi bệ phóng lên độ cao 68 km; tầng thứ hai đưa tên lửa tiến sát vào quỹ đạo của trái đất; tầng thứ ba đẩy nó vào quỹ đạo và tiến về phía mặt trăng.

Chương trình Constellation được NASA thông qua nhằm quay trở lại mặt trăng vào năm 2018 bao gồm hai tên lửa ba tầng. Có hai thiết kế khác nhau cho tầng thứ nhất của tên lửa: thiết kế thứ nhất có tên là Ares I, với tầng phóng chỉ dành cho phi hành đoàn gồm một tên lửa đẩy 5 phần; thiết kế kia có tên gọi Ares V với tầng phóng chở phi hành đoàn và hàng hoá thiết bị, với 5 động cơ tên lửa đặt dưới một bình nhiên liệu ngoài cộng thêm hai tên lửa đẩy nhiên liệu rắn 5 phần. Tầng thứ hai của cả hai phiên bản này sử dụng một động cơ nhiên liệu lỏng duy nhất. Tổ hợp phóng này sẽ mang khoang quỹ đạo mặt trăng và tàu đổ bộ mà các phi hành gia sẽ di chuyển sang đó khi hai hệ thống tên lửa ráp vào nhau.

Trang bị cho chuyến đi. Bởi mặt trăng không có bầu khí quyển, bạn sẽ phải đem theo bình oxy để thở; và khi đi dạo trên mặt trăng, bạn sẽ cần mặc bộ đồ du hành vũ trụ để bảo vệ cơ thể khỏi cái nóng thiêu đốt của một ngày trên mặt trăng kéo dài đến 2 tuần – đó là chưa kể đến hiện tượng bức xạ và các thiên thạch nhỏ rơi xuống mặt trăng do thiếu sự bảo vệ của khí quyển.

Bạn cũng sẽ cần có thức ăn. Hầu hết thực phẩm dành cho phi hành gia thực hiện sứ mệnh trong không gian phải được sấy lạnh và cô đặc để giảm trọng lượng, và khi ăn sẽ được cho thêm nước. Các thực phẩm này cũng phải có hàm lượng protein cao để giảm thiểu chất thải của cơ thể sau khi tiêu hoá.

Bất cứ thứ gì bạn đem vào vũ trụ cũng đều làm tăng trọng lượng, dẫn đến lượng nhiên liệu cũng phải tăng theo để nâng tên lửa mang theo nó vào không gian, do đó bạn sẽ không thể đem quá nhiều đồ cá nhân vào không gian – và hãy nhớ là những hòn đá ở mặt trăng khi xuống trái đất sẽ nặng gấp 6 lần so với trọng lượng của chúng trên mặt trăng.

Xác định thời gian phóng của tàu vũ trụ. Đây là khoảng thời gian bắt đầu phóng tên lửa từ trái đất đến khi đáp xuống khu vực mong muốn trên mặt trăng vào khoảng thời gian có đủ ánh sáng để khám phá khu vực đáp xuống. Thời gian phóng tàu vũ trụ được quyết định theo hai cách, gọi là thời gian tính theo tháng và thời gian tính theo ngày.

Thời gian tính theo tháng sẽ tính toán vị trí đáp xuống trên mặt trăng đối với trái đất và mặt trời. Do lực hút của trái đất buộc mặt trăng luôn xoay một mặt về phía trái đất, các chuyến thám hiểm mặt trăng sẽ đáp xuống các khu vực nằm ở mặt hướng về trái đất để có thể sử dụng liên lạc vô tuyến giữa trái đất và mặt trăng. Thời gian phóng cũng được chọn vào thời điểm khi mặt trời chiếu sáng khu vực mà tàu vũ trụ sẽ đáp xuống.

Thời gian phóng tàu vũ trụ tính theo ngày sẽ được tính toán để lợi dụng các điều kiện phóng, chẳng hạn như góc độ của tàu vũ trụ khi phóng, hiệu suất của các tên lửa đẩy và sự hiện diện của tàu theo dõi quá trình phóng tên lửa tại điểm xuất phát. Trước đây, điều kiện ánh sáng để phóng tàu vũ trụ là rất quan trọng, vì ánh sáng ban ngày sẽ giúp ích trong việc theo dõi các trục trặc khi tên lửa rời bệ phóng hoặc trước khi vào quỹ đạo, đồng thời ghi lại bằng các ảnh chụp. Ngày nay, khi NASA đã thu thập nhiều kinh nghiệm hơn trong việc theo dõi quá trình phóng tàu vũ trụ, việc phóng tên lửa vào ban ngày đã không còn mấy quan trọng; tàu Apollo 17 được phóng đi vào ban đêm.

Phần 2 của 3:

Bay lên mặt trăng bằng mọi giá

Xuất phát. Lý tưởng nhất, một con tàu thám hiểm mặt trăng sẽ được phóng theo phương thẳng đứng để lợi dụng vòng quay của trái đất nhằm đạt đến vận tốc quỹ đạo. Tuy nhiên, trong chương trình Apollo, NASA đã cho phép sai lệnh trong tầm 18 độ so với phương thắng đứng mà vẫn không ảnh hưởng nhiều đến quá trình phóng.

Đạt đến quỹ đạo tầm thấp của trái đất. Để thoát khỏi lực hấp dẫn của trái đất, có 2 loại vận tốc cần được cân nhắc: vận tốc thoát ly và vận tốc quỹ đạo. Vận tốc thoát ly là vận tốc cần để hoàn toàn thoát khỏi lực hấp dẫn của trái đất, còn vận tốc quỹ đạo là vận tốc cần để tiến vào quỹ đạo của một hành tinh. Vận tốc thoát ly bề mặt trải đất sẽ là 40.248 km/giờ hoặc 11,2 km/giây. Vận tốc quỹ đạo từ mặt đất chỉ vào khoảng 7,9 km/giây; con tàu sẽ tốn nhiều năng lượng hơn để đạt đến vận tốc thoát ly so với mức năng lượng cần có để đạt vận tốc quỹ đạo.

Ngoài ra, càng đi xa khỏi bề mặt trái đất thì các giá trị vận tốc quỹ đạo và vận tốc thoát ly sẽ càng giảm, trong đó vận tốc thoát ly luôn luôn lớn gấp 1,414 (căn bậc 2 của 2) lần vận tốc quỹ đạo.

Di chuyển đến đến quỹ đạo mặt trăng. Sau khi đã tiến vào quỹ đạo tầng thấp của trái đất và bạn đã chắc chắn là mọi hệ thống của tàu vũ trụ đều hoạt động tốt, giờ đã đến lúc khai hoả các tên lửa đẩy và lên mặt trăng.

Với chương trình Apollo, quá trình này được thực hiện bằng cách phóng các tên lửa đẩy 3 tầng một lần cuối để đẩy phi thuyền về phía mặt trăng. Trên đường đi, các mô đun lệnh/dịch vụ sẽ được tách ra từ tầng thứ ba, quay đầu và gắn với mô đun thám hiểm mặt trăng được mang ở phần trên của tầng thứ ba.

Với chương trình Constellation, kế hoạch là đưa tên lửa mang phi hành đoàn và khoang điều khiển của nó tiến vào quỹ đạo trái đất với tầng phóng và tàu đổ bộ mặt trăng được đưa lên bằng tên lửa chở hàng. Tầng phóng sẽ khai hoả các tên lửa đẩy và đưa phi thuyền lên mặt trăng.

Tiến vào quỹ đạo mặt trăng. Khi phi thuyền đã tiến vào lực hút của mặt trăng, các tên lửa đẩy sẽ được đốt lên để giảm tốc phi thuyền và đưa nó vào quỹ đạo quanh mặt trăng.

Chuyển sang tàu đổ bộ mặt trăng. Cả chương trình Apollo và chương trình Constellation đều có các mô đun quỹ đạo và mô đun đổ bộ riêng biệt. Mô đun lệnh của Apollo đòi hỏi một trong ba phi hành gia phải ở lại để điều khiển nó trong khi hai người kia lên mô đun mặt trăng. Khoang quỹ đạo của chương trình Constellation được thiết kế chạy tự động, do đó tất cả bốn phi hành gia đều có thể lên tàu đổ bộ nếu muốn.

Đáp xuống mặt trăng. Mặt trăng không có khí quyển, do đó người ta phải dùng các tên lửa để giảm tốc tàu đổ bộ mặt trăng xuống còn 160 km/giờ để đảm bảo tàu đáp xuống an toàn và hành khách cũng có một chuyến hạ cánh nhẹ nhàng. Lý tưởng nhất, bề mặt đáp xuống trong kế hoạch phải quang đãng và không có các tảng đá lớn; đó là lý do vì sao Sea of Tranquility đã được chọn là điểm đáp xuống cho tàu Apollo 11.

Khám phá. Khi đã đáp xuống mặt trăng, giờ là lúc bạn khám phá mặt trăng. Bạn có thể thu thập các hòn đá và bụi trên mặt trăng để đem về trái đất phân tích. Nếu đem theo tàu thám hiểm mặt trăng có thể thu gọn như sứ mệnh Apollo 15, 16, 17 đã thực hiện trước đây, bạn còn có thể lái đi trên bề mặt mặt trăng với vận tốc đến 18 km/giờ. (Tuy nhiên, bạn cũng không cần phải tăng tốc động cơ; thiết bị này chạy bằng pin, và dù sao thì trên mặt trăng không có không khí để bạn có thể nghe được âm thanh của động cơ).

Phần 3 của 3:

Trở về trái đất

Gói ghém và trở về nhà. Sau kkhi đã hoàn thành nhiệm vụ trên mặt trăng, bạn sẽ đóng gói các mẫu vật và dụng cụ, lên tàu đổ bộ mặt trăng để quay về trái đất.

Mô đun mặt trăng của Apollo được thiết kế hai tầng: tầng hạ xuống để đáp xuống mặt trăng và tầng phóng lên để đưa các phi hành gia trở lại quỹ đạo của mặt trăng. Tầng hạ xuống sẽ được để lại trên mặt trăng (cùng với tàu thám hiểm mặt trăng).

Ráp với tàu quỹ đạo. Mô đun lệnh của Apollo và khoang quỹ đạo của Constellation đều được thiết kế để đưa phi hành đoàn từ mặt trăng trở về trái đất. Những thứ bên trong tàu đổ bộ mặt trăng được chuyển sang tàu quỹ đạo, và tàu đổ bộ mặt trăng sau đó được tách ra cho rơi xuống mặt trăng.

Quay về trái đất. Tên lửa đẩy chính trên các mô đun dịch vụ Apollo và Constellation được đốt lên để thoát khỏi lực hút của mặt trăng, và phi thuyền sẽ hướng về trái đất. Khi tiến vào lực hút của trái đất, mô đun phục vụ sẽ được đốt cháy lại để giảm tốc khoang lệnh trước khi bị huỷ bỏ.

Đáp xuống. Tấm chắn nhiệt của mô đun/khoang lệnh sẽ được đưa ra để bảo vệ các phi hành gia khỏi nhiệt khi quay trở về. Khi con tàu tiến vào phần dày đặc hơn trong khí quyển của trái đất, những chiếc dù sẽ được bung ra để tiếp tục giảm tốc.

Trong chương trình Apollo, mô đun lệnh sẽ rơi xuống biển như các sứ mệnh có người lái trước đây của NASA và sẽ được thu hồi bởi tàu Navy. Các mô đun lệnh không được tái sử dụng.

Trong chương trình Constellation, kế hoạch là đáp xuống mặt đất như các sứ mệnh không gian có người lái của Liên Xô đã từng thực hiện, với phương án dự phòng là rơi xuống biển nếu không thể đáp xuống mặt đất. Khoang lệnh được thiết kế để tân trang lại, theo đó tấm chắn nhiệt sẽ được thay mới và tái sử dụng.

Các công ty tư nhân đang dần dần tiến vào ngành du lịch mặt trăng. Bên cạnh hãng Virgin Galactic của tỷ phú Richard Branson đang có kế hoạch phục vụ các chuyến bay vào không gian dưới một vòng quỹ đạo, một công ty tên là Space Adventures dự đinh ký hợp đồng với Nga để đưa hai du khách bay vòng quanh mặt trăng bằng phi thuyền Soyuz do một phi hành gia điều khiển với giá 100 triệu UDS mỗi vé.

Lưu ý rằng hầu hết các sứ mệnh lên mặt trăng đều đòi hỏi phải được thử nghiệm kỹ càng với thiết bị trước khi phóng. Trước khi tiến hành sứ mệnh Apollo 11 đưa Armstrong và Aldrin lên mặt trăng, đã có 4 sứ mệnh có người lái để thử nghiệm mô đun lệnh (Apollo 7) và tàu đổ bộ mặt trăng (Apollo 9 và 10), cũng như khả năng chuyển từ trái đất vào quỹ đạo mặt trăng và quay trở lại (Apollo 8 và 10). Các phi hành gia cũng phải trải qua các bài kiểm tra thể lực thường xuyên và được huấn luyện cách sử dụng trang thiết bị. Ngoài ra, có 3 phi hành gia đã thiệt mạng trong vụ cháy tàu Apollo 1.