Tên lửa tái sử dụng thay đổi ngành vũ trụ thế nào: từ con thoi tới Falcon 9

Tên lửa tái sử dụng là tên lửa mà phần đắt nhất, thường là tầng đẩy thứ nhất, bay về hạ cánh để được nạp nhiên liệu và phóng lại, thay vì rơi xuống biển như suốt hơn nửa thế kỷ trước. Từ khi tầng đẩy Falcon 9 lần đầu đáp thẳng đứng xuống đất ngày 21/12/2015, chi phí đưa hàng lên quỹ đạo giảm mạnh và số lần phóng mỗi năm tăng vọt. Bài này giải thích vì sao trước đây tên lửa phải vứt đi, chúng hạ cánh bằng cách nào, và cái giá của cuộc thay đổi.

Vì sao tên lửa từng là đồ dùng một lần

Gốc rễ nằm ở một phương trình do nhà khoa học Nga Konstantin Tsiolkovsky công bố năm 1903. Nói gọn: muốn đạt tốc độ quỹ đạo khoảng 7,8 km/giây, phần lớn khối lượng tên lửa lúc cất cánh phải là nhiên liệu. Với tên lửa hóa học thông thường, nhiên liệu chiếm khoảng 90% khối lượng; vỏ, động cơ và hàng hóa chỉ được chia nhau phần còn lại.

Mỗi kilôgam thêm vào để tên lửa bay về, như chân đáp, cánh lái, nhiên liệu dự trữ, là một kilôgam bớt đi khỏi hàng hóa. Trong nhiều thập kỷ, các kỹ sư cho rằng cái giá ấy không đáng. Tên lửa giống như một chiếc máy bay chở khách bay một chuyến rồi bị vứt đi, và giá vé phải gánh trọn chiếc máy bay.

Bài học từ tàu con thoi

Tàu con thoi của Mỹ (1981–2011) là nỗ lực tái sử dụng lớn đầu tiên. Tàu quỹ đạo có cánh hạ cánh như máy bay, hai tên lửa đẩy nhiên liệu rắn rơi bằng dù xuống biển để vớt lên dùng lại, chỉ bình nhiên liệu lớn màu cam là bỏ đi.

Trên giấy, nó phải rẻ. Thực tế, mỗi lần bay về tàu cần kiểm tra và sửa chữa hàng tháng trời, thay hàng nghìn tấm gạch chịu nhiệt, đại tu động cơ. Tên lửa đẩy ngâm nước biển phải tháo rời làm lại. Tùy cách tính, mỗi chuyến tốn từ vài trăm triệu đến hơn một tỷ USD. Hai tai nạn Challenger (1986) và Columbia (2003) cướp đi 14 sinh mạng. Trong 30 năm, đội tàu chỉ bay tổng cộng 135 chuyến.

Bài học rút ra: tái sử dụng chỉ có lợi khi việc "quay vòng" giữa hai lần bay nhanh và rẻ. Tái sử dụng mà phải làm lại gần hết thì chẳng tiết kiệm gì.

Falcon 9 hạ cánh thế nào

Đầu thập niên 1990, chương trình thử nghiệm DC-X của Mỹ đã cho thấy một tên lửa nhỏ có thể cất cánh và hạ cánh thẳng đứng. Hơn hai mươi năm sau, SpaceX đưa ý tưởng ấy lên quy mô tên lửa quỹ đạo. Một lần hạ cánh của tầng đẩy Falcon 9 diễn ra như sau:

1. Tách tầng: khoảng hai phút rưỡi sau khi phóng, tầng một tắt máy và tách ra ở độ cao hàng chục kilômét, đang bay với tốc độ nhiều lần tốc độ âm thanh.
2. Quay đầu: các động cơ khí nén nhỏ xoay tầng đẩy lại. Nếu hạ cánh trên đất liền gần bãi phóng, nó đốt động cơ để quay ngược về; nếu hạ trên biển, nó bay tiếp theo quỹ đạo rơi tự nhiên.
3. Đốt khi vào lại khí quyển: vài động cơ được bật để giảm tốc, tránh cho tầng đẩy bị nung quá nóng khi xuyên qua lớp khí dày.
4. Lái bằng cánh lưới: bốn tấm cánh hình lưới bung ra ở đầu tầng đẩy, điều chỉnh hướng rơi như cánh lái của mũi tên.
5. Đốt hạ cánh: sát mặt đất, động cơ bật lần cuối. Vì động cơ không thể giảm lực đủ nhỏ để lơ lửng, tầng đẩy phải căn sao cho tốc độ về đúng bằng không đúng lúc chạm đất. Bốn chân đáp bung ra ngay trước đó.

Muốn hạ cánh trên biển, SpaceX dùng các sà lan tự hành không người lái neo ngoài khơi. Lần hạ trên biển thành công đầu tiên là ngày 8/4/2016. Ngày 30/3/2017, một tầng đẩy đã bay rồi lần đầu được phóng lại thành công. Về sau, công ty còn vớt cả nắp chụp mũi tên lửa (phần vỏ bảo vệ vệ tinh) rơi bằng dù xuống biển để dùng lại.

Thay đổi lớn nhất: không phải giá, mà là nhịp phóng

Nhiên liệu chỉ chiếm một phần nhỏ chi phí của một lần phóng; phần lớn nằm ở phần cứng: động cơ, thân tên lửa, điện tử. Dùng lại tầng đẩy là giữ lại phần đắt nhất. Giá niêm yết một lần phóng thương mại, tính theo mỗi kilôgam đưa lên quỹ đạo thấp, giảm xuống chỉ còn một phần nhỏ so với các tên lửa dùng một lần cùng thời.

Nhưng thay đổi sâu hơn nằm ở nhịp. Khi không phải chế tạo một tầng đẩy mới cho mỗi lần phóng, nhà máy không còn là nút thắt. Có tầng đẩy Falcon 9 đã bay khoảng ba mươi lần. Từ năm 2024, riêng dòng Falcon đã phóng hơn một trăm lần mỗi năm, chiếm khoảng một nửa số lần phóng lên quỹ đạo của cả thế giới.

Rocket Lab ở New Zealand thử vớt tầng đẩy tên lửa nhỏ Electron từ biển, và nhiều công ty Trung Quốc cũng đang thử nghiệm tầng đẩy hạ cánh thẳng đứng. Hướng đi này đã thành xu thế chung của ngành, không còn là thử nghiệm của riêng ai.

Cái giá phải trả

Tái sử dụng không phải phép màu. Một tầng đẩy định bay về phải giữ lại nhiên liệu, nên lượng hàng chở được ít đi đáng kể so với khi vứt bỏ nó. Với những vệ tinh rất nặng hoặc quỹ đạo rất xa, nhà vận hành có khi vẫn chọn hy sinh tầng đẩy. Tầng hai của Falcon 9 vẫn là đồ dùng một lần, và việc thu hồi nó khó hơn nhiều vì nó bay nhanh hơn, nóng hơn khi trở về.

Nhịp phóng dày cũng có mặt trái. Số vệ tinh trên quỹ đạo thấp tăng vọt, đặc biệt là các chòm vệ tinh hàng nghìn chiếc phục vụ internet. Giới thiên văn lo các vệt sáng của vệ tinh làm nhiễu ảnh chụp bầu trời; giới quản lý quỹ đạo lo về rác vũ trụ và va chạm. Tiếng nổ siêu thanh và tác động môi trường quanh bãi phóng, bãi đáp cũng là chuyện các cơ quan quản lý phải cân nhắc.

Góc nhìn hôm nay: điều này nghĩa là gì với người bình thường

Chi phí phóng thấp mở cửa cho những bên trước đây không với tới: trường đại học, công ty khởi nghiệp, các nước nhỏ. Vệ tinh nhỏ của Việt Nam như MicroDragon và NanoDragon đi nhờ tên lửa Nhật, nhưng hiện nay nhiều vệ tinh nhỏ trên thế giới đi theo kiểu "đi chung xe" trên những chuyến phóng gom hàng hàng chục vệ tinh, giá rẻ hơn hẳn trước kia.

Muốn tự xem một lần hạ cánh, các công ty phóng đều phát trực tiếp trên kênh chính thức, có góc máy gắn ngay trên tầng đẩy. Ai thích tìm hiểu kỹ thuật có thể đọc về phương trình Tsiolkovsky trong sách vật lý phổ thông nâng cao, hoặc tài liệu giáo dục của NASA và ESA giải thích bằng ví dụ đơn giản.

Bài học rộng hơn đến từ chính lịch sử ngành: một ý tưởng bị coi là "không đáng" suốt nhiều thập kỷ hóa ra đúng khi điều kiện thay đổi, như máy tính điều khiển nhanh hơn, cảm biến tốt hơn, động cơ khởi động lại được nhiều lần. Đáng xem lại những gì từng bị gạt đi vì "không khả thi".