Một tên lửa vũ trụ lao về phía Trái Đất, các cánh lái bị giật mạnh và khí phản lực phụt ra để giúp tên lửa tự ổn định. Trông như thể ta sắp phải chứng kiến hồi kết của thiết bị này.

Thế nhưng khi đến gần bề mặt Trái Đất, các động cơ phụt khí mạnh hơn, tên lửa bay chậm hẳn lại rồi bung càng, nhẹ nhàng tiếp đất.

Khi đám khói cuồn cuộn tan đi, người ta thấy tên lửa đã đáp xuống thẳng đứng, vẫn nguyên vẹn dáng hình.

Chỉ mới một thập niên trước thôi, đó vẫn được coi là điều không tưởng.

Thế nhưng sau rất nhiều nỗ lực không thành, hãng sản xuất tên lửa ở California là SpaceX trong bốn tháng qua đã bốn lần cho đáp xuống một tên lửa quỹ đạo - là loại tên lửa trước đó từng một lần được cho đáp xuống Mũi Canaveral, bang Florida hồi tháng Mười Hai 2015.

Trong tháng Tư 2016, lần đầu tiên tên lửa này được cho đáp xuống một chiếc phà điều khiển từ xa nằm giữa Đại Tây Dương.

Và đó không phải là các mô hình tên lửa. Cả hai đều là phần tầng một, cao 40m, của loại tên lửa đa tầng Falcon 9, vừa phóng tàu vũ trụ thương mại vào quỹ đạo.

Tham vọng thiết bị không gian sử dụng được nhiều lần

Bằng cách đưa các tầng tên lửa quay trở lại Trái Đất để sửa chữa và tái sử dụng, nhà sáng lập tập đoàn SpaceX, tỷ phú Elon Musk, hi vọng cuối cùng sẽ có cách khiến các chuyến bay vào không gian có chi phí tiết kiệm như hàng không dân dụng.

Quan điểm của ông là các hãng hàng không đâu có vứt bỏ phi cơ Boeing 747 sau mỗi chuyến bay, tại sao tàu vũ trụ không làm như vậy?

Khoa học viễn tưởng đã dự đoán về các tàu vũ trụ bay được nhiều lần từ hơn một thế kỷ nay, và các kỹ sư hàng không vũ trụ đã thử nghiệm ý tưởng này từ giữa thế kỷ 20.

Tàu con thoi có thể tái sử dụng một phần được cho là thứ gần nhất với ý tưởng đó mà con người nghĩ ra.

Nhưng vì sao mãi về sau này người ta mới quan tâm nghiêm túc đến khả năng tái sử dụng như thế?

Đầu tiên, cần chú ý là SpaceX không phải công ty duy nhất muốn đạt được điều này.

Công ty Blue Origin, được hỗ trợ bởi chủ tịch tập đoàn Amazon Jeff Bezos, đã phóng và đáp tên lửa du lịch tầm dưới quỹ đạo New Shepard ba lần; mỗi lần đều bay tới sát rìa không gian, ở độ cao khoảng 100km.

Công ty SpaceShipTwo của hãng Virgin Galactic cũng đã cho bay rất nhiều chuyến dưới tầm quỹ đạo.

"Các tàu nhỏ sử dụng công nghệ mới có thể tái sử dụng được nhiều hơn so với tàu con thoi, và các tàu bay dưới quỹ đạo còn có thể tái sử dụng được nhiều hơn nữa," George Whitesides, CEO của tập đoàn Virgin nói.

Nhưng cú đáp tên lửa của công ty SpaceX là một thành tích công nghệ ngoạn mục.

Hãng SpaceX đã thành công trong việc tái sử dụng một tên lửa trên một bè nổi

Thách thức về mặt kỹ thuật

Để đưa một vệ tinh lên tới tầm dưới quỹ đạo Trái Đất, tên lửa phải bay với vận tốc khoảng 6.000km/h, và để đến được quỹ đạo địa tĩnh thì tốc độ phải là 9.000km/h, trước khi tầng đầu tiên của tên lửa được bật ra và rơi trở lại Trái Đất.

"Các hệ thống bay ở tầm dưới quỹ đạo thì bay lên theo chiều thẳng đứng và rơi thẳng xuống," Laetitia Garrriott de Cayeux, một doanh nhân hàng không vũ trụ Hoa Kỳ giải thích.

"Khi tên lửa bay lên tới độ cao cao nhất thì tốc lực sẽ là zero, khiến lực hấp dẫn kéo chúng rơi lại Trái Đất, cho nên tuy khó nhưng khả năng tái sử dụng tên lửa phóng lên tầm dưới quỹ đạo vẫn dễ hơn so với việc tái sử dụng tên lửa bay lên tới tầm quỹ đạo," bà nói.

Vì thế, câu giải thích ngắn gọn cho việc vì sao tên lửa sử dụng nhiều lần chưa từng có trước đây chỉ đơn giản là bởi khó khăn về công nghệ.

Tuy nhiên, ý tưởng về các máy bay vũ trụ có khả năng bay nhiều lần đã được đưa ra từ trước Thế Chiến thứ Hai.

Trước khi có chương trình Apollo, các máy bay không gian đã được cho là tương lai của tàu vũ trụ có thể tái sử dụng nhiều lần, Roger Launius từ Bảo tàng Hàng không và Không gian Quốc gia thuộc Học viện Smithsonian ở Washington DC nói.

"Ý tưởng đã có từ thời các mẩu truyện tranh ngắn về Buck Rogers và Flash Gordon vào thập niên 1920 và 1930."

“Mỗi tàu vũ trụ trong các mẩu truyện đó đều là máy bay vũ trụ có thể bay lại nhiều lần. Tức là từ hồi Thế Chiến thứ Hai chúng ta luôn nghĩ tàu vũ trụ sẽ vận hành hệt như máy bay."

Sau năm 1945, các khoa học gia chuyên nghiên cứu tên lửa của Đức bị bắt đã tiết lộ rằng họ từng lên kế hoạch chế tạo máy bay vũ trụ bay dưới tầm quỹ đạo, đặt tên là Silverbird (Chim bạc).

Nước Đức Phát xít hy vọng là họ sẽ dùng loại máy bay này để đánh bom Hoa Kỳ. Tuy nhiên, Silverbird chưa bao giờ được hiện thực hóa.

Với kiểu dáng thiết kế sáng tạo, Silverbird có hình dạng như cái cánh, giúp tăng thêm độ nâng động lực học.

Ý tưởng "thiết kế nâng" này được Không lực Hoa Kỳ khai thác lại vào năm 1958 khi họ bắt đầu dự án nghiên cứu máy bay vũ trụ có cánh có thể sử dụng lại được, chiếc X-20 Dyna-Soar. Tuy nhiên, chương trình Mặt Trăng đã khiến dự án này bị bỏ ngang vào năm 1963.

Nếu máy bay công nghệ cao có thể sử dụng lại nhiều lần, tại sao tàu vũ trụ không thể?

"Ý tưởng máy bay vũ trụ bay nhiều lần đã bị vứt bỏ do cuộc chạy đua của Mỹ trong lĩnh vực khoa học vũ trụ, nhằm đánh bại người Nga. Thời đó, máy bay vũ trụ không phải là công nghệ vượt trội phù hợp để đến Mặt Trăng - nhưng các nghiên cứu và thử nghiệm với các khoang đạn đạo đã được tiến hành ở ICBMs," Launius nói.

"Các khoang trở lại Trái Đất mà họ sử dụng cho đầu đạn hạt nhân về cơ bản là giống với các khoang dành cho phi hành gia. Người ta chỉ thay đổi tải trọng."

Thành công của tàu con thoi

Tuy nhiên, sau thành công rực rỡ của Apollo, Nasa lập tức quay trở lại với việc nghiên cứu thiết bị bay có thể tái sử dụng nhiều lần: máy bay vũ trụ có cánh, bay được nhiều lần, có tên là Tàu Con Thoi.

Năm tàu con thoi bay đi bay lại trung bình 27 chuyến mỗi chiếc, oanh liệt nhất trong đội là Discovery, đã bay 39 chuyến.

"Mỗi tàu vũ trụ đều có bề dày lịch sử về việc tái sử dụng," Mark Sirangelo, giám đốc Hệ thống Không gian SNC của công ty Sierra Nevada ở Sparks, bang Nevada nói.

Nhược điểm là các tàu này phải được tân trang lại giữa mỗi lần được phóng đi, điều mà các tên lửa của SpaceX cũng gặp phải.

Tuy đã thử nghiệm xem các tên lửa của mình có quay lại Trái Đất hay không, nhưng SpaceX vẫn chưa cho chiếc nào bay thử lại.

Và đó mới thực sự là một thử nghiệm, Launius nói. "Nếu bạn có thể tái sử dụng bất kỳ phần nào của tàu vũ trụ, bạn sẽ tiết kiệm được tiền cho lần phóng tới. Nhưng nếu phải gỡ hết ra và tân trang lại toàn bộ sau mỗi chuyến bay, thì thà làm một cái mới còn hơn."

Tàu con thoi đã được sử dụng cho nhiều nhiệm vụ

Các mẫu thiết kế cho tương lai

Nasa cũng kiên trì nghiên cứu một thiết kế dành cho các tàu vũ trụ có kích cỡ nhỏ.

Tàu X37 của Nasa giờ đang được Không lực Hoa Kỳ sử dụng dưới thiết kế phi cơ X37B, một máy bay vũ trụ không người lái do tên lửa phóng đi, nhằm thực hiện các nhiệm vụ quân sự tuyệt mật trong thời gian dài ở tầm dưới quỹ đạo của Trái Đất và sau đó tự động bay về.

Máy bay vũ trụ HL-20 của Nasa, được phát triển trong thời gian từ cuối thập niên 1980 tới thập niên 1990 nhằm đảm nhiệm vai trò tàu cứu sinh cho trạm không gian, là loại đã được công ty Sierra Nevada Corp (SNC) của Sirangelo mua lại và đổi tên thành tàu Dream Chaser.

SNC đang chuyển đổi thiết kế của Nasa thành thứ mà Sirangelo gọi là "tàu tái sử dụng chắc chắn, khỏe nhất" mà họ có thể làm ra. Việc này đòi hỏi gỡ bỏ phần vỏ hợp kim trên thân tàu và thay thế bằng nhựa composite cao cấp siêu nhẹ."

"Tàu sẽ chắc chắn, vững vàng hơn nhiều và có thể chịu được những lực nén, áp lực và nhiệt độ cao từ các chuyến bay không gian," Sirangelo nói.

Ngoài các chuyến bay vận tải của Nasa, Dream Chaser, vốn có thể được phóng đi từ bất kỳ tên lửa hiện đại nào và có khả năng đáp xuống bất cứ sân bay nào thích hợp cho các phi cơ Airbus A320, đang được Cơ quan Hàng không Châu Âu (Esa) và Phòng thí nghiệm DLR của Đức nghiên cứu để đưa vào sử dụng trong nhiều nhiệm vụ khác nhau.

Việc này có thể giúp ngăn chặn và giảm rác thải không gian.

Khi máy bay vũ trụ có vẻ như là giải pháp hợp lý nhất để tạo ra các tàu vũ trụ sử dụng được nhiều lần, một thiết kế kỳ quặc khác cũng đang được chú ý tới.

Hãy xem xét tàu Roton của hãng Rotary Rocket.

Một thiết kế khoang tàu có hình dáng lọ tiêu được thử nghiệm năm 1999 để tránh vấn đề dai dẳng của hàng trăm tàu từng đưa các phi hành đoàn trở lại Trái Đất kể từ khi cuộc chạy đua vào không gian bắt đầu cho tới nay. Đó là các khoang trở về không thể đáp ở nơi nào chúng muốn mà lệ thuộc vào việc các dù lượn sẽ đưa nó tới đâu thì tới.

Rotary Rocket muốn rằng phi hành đoàn có thể chọn được nơi tàu hạ cánh, và nhờ đó thiết bị của họ sẽ có cơ hội sử dụng lại cao hơn.

Theo thiết kế của Rotary Rocket, trong quá trình quay trở lại bầu khí quyển, ngay khi khoang tàu xuống đến độ cao thích hợp, không khí đặc đủ mức, cánh trực thăng sẽ bật ra và được điều khiển nhờ vào động cơ tên lửa đặt phía trên, qua đó phi hành đoàn có thể điều chỉnh hướng cho đáp xuống tương tự như cách đỗ của trực thăng.

Tuy nhiên, thật không may, công ty Rotary Rocket cạn tiền trước khi tàu vũ trụ của họ được phát triển xa hơn.

Nasa cũng từng xem xét đến giải pháp cánh quạt, tuy không phải là loại dùng tên lửa vận hành mà là loại kiểu quay tự động luân phiên, áp dụng cho tàu Orion.

Thiết kế độc đáo của tàu Roton vẫn tồn tại nhờ công ty SpaceX.

Tàu Dragon V2 bảy chỗ ngồi mà công ty này chế tạo cho các chuyến bay của Nasa đến trạm không gian ISS nhằm hướng đến khả năng tái sử dụng, nhờ vào động cơ tám tên lửa lắp đặt ở vỏ ngoài.

Tàu Dream Chaser được công ty Sierra Nevada Corp mua lại và chuyển đổi thiết kế

Các tên lửa này có hai nhiệm vụ: tiếp tục phóng khoang chở phi hành đoàn đi nếu tên lửa mang theo khoang tàu bị nổ tung trong quá trình rời bệ phóng, và đốt nhiên liệu để khoang tàu hạ cánh nhẹ nhàng.

Công ty tên lửa Hoa Kỳ United Launch Alliance (ULA), một liên doanh giữa Boeing và Lockheed-Martin, đang nghiên cứu cách thả bộ phận động cơ đắt tiền cỡ lớn khỏi phần đế của tên lửa Vulcan của hãng, để bộ phận này sau đó bay lơ lửng bằng dù, và một chiếc phi cơ sẽ thu hồi nó lại trên không.

Cách làm này giống với cách những hộp đựng phim dành cho camera được sử dụng lại sau khi được thả từ các vệ tinh do thám xuống.

ULA cũng đang tìm hiểu tầng thứ hai của tên lửa, là phần ở trong quỹ đạo, chờ được tái nạp nhiên liệu để có thể đảm nhận các nhiệm vụ khác, ví dụ như dịch vụ bảo trì vệ tinh.

Ở Pháp, hãng Airbus đang nghiên cứu cách để động cơ tên lửa ở tầng đáy của tên lửa Ariane 6 trong tương lai có thể sử dụng cánh và các động cơ phản lực cỡ nhỏ để tự động quay về sân bay an toàn.

Cơ quan Vũ trụ Trung Quốc cũng cho biết họ đang lên kế hoạch sử dụng lại các tầng tên lửa Trường Chinh bằng cách sử dụng nhiều dù.

Tất cả đều có lý, Whitesides nói.

"Có rất nhiều thế hệ tàu vũ trụ bay được nhiều lần sắp xuất hiện. Các tàu vũ trụ tiên phong như SpaceshipOne, Falcon9, New Shepard và X-37B của Không lực Hoa Kỳ sẽ có các thế hệ đàn em trong rất nhiều hình thức khác nhau, và chúng hứa hẹn sẽ khiến các chuyến bay vào quỹ đạo trong tương lai sẽ trở nên ít tốn kém hơn."