Hành trình phát triển công nghệ vệ tinh (Phần 1: Từ những mộng tưởng và những thất bại)

2021 sẽ là năm diễn ra nhiều sự kiện có ý nghĩa to lớn, là năm đánh dấu nhiều cột mốc cho quá trình chinh phục không gian của nhân loại: Các nhiệm vụ bay có người lái, kính thiên văn không gian James Webb đưa vào hoạt động, dự án Artemis-1 đưa con người trở lại Mặt Trăng, tàu vũ trụ liên hành tinh Starship, hay 13,000 vệ tinh thuộc mạng lưới vệ tinh Quốc Võng của Trung Quốc được phóng...  Trong thế kỷ 20, chúng ta kế thừa và tiêu thụ những sản phẩm của công nghệ vệ tinh hằng ngày, hằng giờ một cách hiển nhiên: cập nhật thông báo thời tiết, gọi video, tìm đường đến một địa chỉ không quen thuộc, hay chỉ đơn giản là theo dõi cuộc sống của người thân qua mạng xã hội. Không phải ai cũng thấy được trọn vẹn quá trình ra đời, phát triển, và hoàn thiện của công nghệ này trong hơn nửa thế kỷ vừa qua. Đặt nền móng cho những bước chân đầu tiên của nhân loại trong hành trình phát triển công nghệ vệ tinh là những phương trình cơ bản, những thiết bị phản lực đời đầu, những lần thử nghiệm và thất bại,...Trên hết, đó là tinh thần, cảm hứng, đam mê, và tình yêu bất tận với khoa học. Chúng tôi xin được khắc họa lại cuộc chạy tiếp sức của con người trong chặng đường chinh phục không gian bằng những câu chuyện có thật của những cái tên tiêu biểu nhất.

Một cảnh trong phim “Người phụ nữ trên Mặt Trăng” của Fritz Lang.

Trí tưởng tượng chắp cánh cho hành động thực tế

Hãy bắt đầu cuộc hành trình ngoạn mục của chúng ta từ đất nước Pháp, theo chân “cánh buồm tiên phong” trong văn học Khoa học viễn tưởng – nhà văn Jules Verne.  

Jules Gabriel Verne sinh ngày 8/2/1828 ở Nantes – một thành phố cảng nhộn nhịp ở Pháp. Nhìn những chiếc tàu ra vào cảng, mang theo những cơn gió từ biển khơi đã giúp Jules chắp bút nên những chuyến phiêu lưu thám hiểm bất tận. Sau khi nhận văn bằng luật năm 1849, ông quay về quê nhà để tìm lại niềm đam mê nghệ thuật và văn học của mình với ước mơ là tạo ra được những tác phẩm kết hợp khoa học công nghệ và viễn tưởng. Tham vọng khám phá thế giới của con người có lẽ được thể hiện mạnh mẽ nhất trong tác phẩm “De la Terre à la Lune” (Từ Trái Đất đến Mặt Trăng) của ông, ra đời năm 1865. Cuốn sách theo chân ba thành viên của hiệp hội giả tưởng Baltimore Gun Club – một nhóm cựu chiến binh yêu thích vũ khí được thành lập sau Nội Chiến Mỹ. Họ có một kế hoạch vô cùng táo bạo: Chế tạo một khẩu súng thần công có khả năng phóng ba người lên không gian từ Florida. Trong cuốn sách, kế hoạch này đã thành công, dù số phận các “phi hành gia” trên quãng đường đến Mặt Trăng chưa được tiết lộ cho đến cuốn sách tiếp theo “Autour de la Lune” (Vòng quanh Mặt Trăng). Bằng lối dẫn chuyện lôi cuốn, Jules Verne miêu tả được sự gian nan, tốn kém nhưng không kém phần vinh quang của những chuyến thám hiểm không gian. Đặt biệt, chỉ với những số liệu thực tế hiếm hoi, nhà văn có thể tính toán tương đối chính xác những điều kiện cần thiết của đại bác để biến sứ mệnh trở thành hiện thực. 

Và không chỉ Verne thể hiện khao khát của con người vươn đến khám phá không gian ngoài Trái Đất vào thời điểm đó. Một “cha đẻ” khác của thể loại khoa học viễn tưởng, người Anh, sinh ra ở Kent vào năm 1866, Herbert Geogrge Wells đã vẽ ra cuộc xâm lăng của người ngoài hành tinh đến từ Sao Hỏa tới Trái Đất khiến người đọc sửng sốt trong “The War of the Worlds” (Chiến tranh giữa các thế giới). Trong tiểu thuyết này, những vệt sáng kì lạ ở Sao Hỏa được mô tả trên tạp chí Nature, thực ra chỉ là hiệu ứng sinh ra từ cú nổ của khẩu đại bác phóng con tàu của người Hỏa tinh tới Trái Đất. H.G.Wells được đào tạo để trở thành một giáo viên dạy khoa học. Ông từng là một trong những người bình duyệt cho tạp chí Nature vào năm 1894. Tác phẩm của ông, dù xuất phát từ một trí tưởng tượng kì diệu và khác thường, vẫn gắn liền với những ý tưởng và nghiên cứu khoa học công nghệ thực tế nổi bật của thời đại bấy giờ.    

Nhiều người cho rằng Jules Verne hay H.G Wells là những người đi trước thời đại. Nhưng thực ra, hai nhà tiểu thuyết đại tài này không phải là những nhà dự báo mà họ là những người truyền cảm hứng bất tận cho những nhà khoa học nhiều thế hệ sau biến những tưởng tượng trong các tác phẩm của họ thành hiện thực. 
Quả thực là như vậy, ngay sau khi những tác phẩm của Jules Verne ra đời đã cuốn hút Konstantin Tsiolkovsky. Ông sinh năm 1857, đến chín tuổi thì bị bệnh ban đỏ và bị điếc và sau đó đến năm 12 tuổi thì mồ côi mẹ. Những chuyến du hành không gian viễn tưởng của Jules Verne đã khiến cậu bé Konstantin tìm được hướng đi cho cuộc đời mình. 

Hermann Julius Oberth (giữa) và đội ngũ của ông, trong đó có Wernher von Braun (hàng thứ hai bên phải).

Mặc dù tên lửa đã được người Trung Hoa cải tiến thành vũ khí từ pháo hoa từ thế kỷ XII, động lực học tên lửa – nguyên lý hoạt động của chúng trên cơ sở Toán học và Vật lý – vẫn chưa được tìm ra cho đến thời Tsiolkovsky. Ông nhanh chóng nhận ra cách phóng lên Mặt Trăng của Jules Verne là không khả thi: phi thuyền sẽ bị vỡ thành trăm mảnh ngay sau khi ra khỏi khẩu súng thần công. Ông suy luận rằng, cần phải phải có tên lửa đẩy đa tầng (multistage), được tiếp nhiên liệu hóa học để tăng tốc liên tục mới duy trì được “sức sống” của chuyến đi. Ông đã thiết lập nên phương trình Tsiolkovsky, liên hệ ngắn gọn tốc độ của tên lửa, tốc độ nhiên liệu khí tại thời điểm bắn với khối lượng tên lửa và khối lượng nhiên liệu trong một biểu thức. 

Phương trình tên lửa lý tưởng, trong đó v(t): vận tốc tên lửa tại thời gian t, v0: vận tốc ban đầu của tên lửa, ve: vận tốc nhiên liệu hiệu quả, M0: tổng khối lượng ban đầu (bao gồm nhiên liệu), và M(t): tổng khối lượng lúc t.
Trong những người đầu tiên đặt nền móng cho ngành hàng không vũ trụ, ngoài Konstantin còn có Robert Hutchings Goddard. Ông sinh ra ở Worcester, Massachusetts, Mỹ vào năm 1882. Giống, Konstantine, Robert cũng là cậu bé phải nghỉ học dài ngày ở nhà vì đau ốm triền miên và cũng tìm được cảm hứng của đời mình nhờ tiểu thuyết viễn tưởng, nhưng không phải là của Jules Verne mà là quyển “Chiến tranh giữa các thế giới” của H.G.Wells. Ông đã tuyên bố khát vọng vươn đến mặt trăng của mình trong chuyên luận “A Method of Reaching Extreme Altitudes” (Một phương pháp đạt tới cao độ vô cùng)/

Nếu như Konstatine chỉ dừng lại ở các đóng góp về mặt lý thuyết, thì Robert Goddard là người thực sự bắt tay vào chế tạo. Ngày nay, chúng ta khó có thể hình dung một người lỗi lạc trong lĩnh vực khoa học không gian như Goddard lại bị chế nhạo bởi các tòa soạn báo lớn khi ông trình bày mơ ước của mình. Thật trớ trêu, vì là người có tư tưởng đi trước thời đại nên ông không được đồng nghiệp ủng hộ và gặp khó khăn khi tìm nguồn tài chính cho các nghiên cứu. Mãi cho đến khi 34 tuổi khi ông liên hệ Viện Smithsonian và được Thư ký Charles Greeley Abbot hậu thuẫn thì ông mới tìm được nguồn tài trợ cho nghiên cứu về nhiên liệu lỏng cho tên lửa của mình. Ngày 16/3/1926, ông đã phóng thành công một tên lửa nhiên liệu lỏng (ôxy lỏng và xăng) đầu tiên trên thế giới. Ông để lại 214 bằng sáng chế cho thế giới trước khi qua đời vì ung thư cổ họng ngày 10/8/1945. Trong những sáng chế này có lẽ phải kể đến tên lửa đẩy đa tầng mà chúng ta vẫn thấy ngày nay.

Những tên lửa thất bại   

Sau đó khoảng nửa thế kỉ, các sáng chế của Robert Goddard đã thu hút sự chú ý của một nhà khoa học khác là Hermann Julius Oberth. Nếu không có Tsiolkovsky, Goddard và giờ là Oberth thì chúng ta có thể đã không có tàu vũ trụ ngày nay. Oberth sinh ra ở Transylvania, Romania (Áo-Hung) và thuở nhỏ bị ban đỏ, phải chuyển đến Ý để chữa bệnh. Chính tại đây mà ông lần đầu đọc cuốn “De la Terre à la Lune” (Từ Trái Đất đến Mặt Trăng) của Jules Verne. Từ tuổi 14, ông đã thí nghiệm với tên lửa nhiên liệu lỏng. 

Khi Oberth được mời làm cố vấn cho một bộ phim du hành vũ trụ có kinh phí khủng tên là “Metropolis” dựa trên tiểu thuyết “Người phụ nữ trên Mặt Trăng”, ông đã đề xuất với đạo diễn phim, Fritz Lang dành một phần kinh phí sản xuất phim để thử nghiệm một tên lửa dùng nhiên liệu lỏng. Tên lửa này sẽ dùng để làm công chúng kinh ngạc trong ngày công chiếu phim. Những sáng chế của Goddard khi đó đã giúp ích rất nhiều cho Oberth. Tuy nhiên, rất tiếc là trong buổi phóng thử, tên lửa này đã nổ tung, làm thủng màng nhĩ và làm yếu mắt trái của Oberth. Oberth đau khổ trước thất bại của mình và từ bỏ dự án. Nhưng ông không biết rằng ông đã gần đến đích. Các cộng sự khác của ông trong dự án đã tiếp tục từ những gì Oberth bỏ lại và thành công với tên lửa Mirak. Mirak về sau thậm chí còn phóng thử được hơn 100 lần từ 1931-1932, thuyết phục quân đội Đức rằng đây là vũ khí quân sự khả thi trước khi bị bỏ mặc sau sự trỗi dậy của chủ nghĩa phát xít ở Đức.

Thất bại của Oberth cho thấy ông không phải là một kĩ sư tài năng. Tuy nhiên ông vẫn là một nhà lý thuyết xuất sắc. Một trong những thành tựu lớn nhất của của Hermann là quyển sách “Die Rakete zu den Planetenräumen” (Tên lửa vào Không gian Hành tinh) xuất bản tháng 5/1923 – tác phẩm đã đưa tên tuổi của Orberth đến rộng rãi công chúng. Quyển sách miêu tả cách tên lửa có thể chiến thắng lực kéo của Trái Đất để bay ra hỏi không gian bằng phương pháp toán học. Tuy nhiên công trình của ông không được cộng đồng khoa học Đức lúc bấy giờ đón nhận, thậm chí còn gây ra tranh cãi, nhưng lại chắp cánh cho những nhà khoa học hàng không vũ trụ tương lai. Sáu năm sau, ông viết bổ sung cho “Die Rakete zu den Planetenräumen” hơn 300 trang nữa và tác phẩm hoàn thiện mang tên Wege zur Raumschiffahrt “Cách du hành không gian”.

Tên lửa tầm xa đầu tiên

Hai trong số các “độc giả đặc biệt” được truyền cảm hứng bởi cuốn sách của Orberth, về sau trở thành những người quan trọng đã góp phần tạo ra tên lửa đầu tiên trên thế giới là: Eugen Sänger, nhà vật lý người Đức gốc Áo và Wernher von Braun, kĩ sư người Đức. 

Eugen Sänger (bìa trái) và vợ (giữa), nhà toán học, vật lý, kĩ sư Irene Bredt (bà là phó giám đốc khoa học tại Viện nghiên cứu Vật lý về sức đẩy phản lực, do Sänger thành lập và bà là một trong những nhà sáng lập của Viện Hàng không Vũ trụ Quốc tế năm 1960).

Nhờ cuốn sách của Oberth mà Sänger mới quyết định chuyển ngành học đại học từ kĩ thuật xây dựng sang ngành hàng không. Nhờ sớm có định hướng rõ ràng cho bản thân, Sänger tích luỹ kinh nghiệm từ việc tự mình chế tạo động cơ quy mô nhỏ chạy bằng nhiên liệu đốt lò loại nhẹ. Sau này, cậu chọn chủ đề thiết kế máy bay động cơ tên lửa hoạt động ở tầng bình lưu cho luận văn của mình.Tuy nhiên, do đề tài luận văn quá tham vọng, nên công trình của Sänger bị nhà trường bác bỏ, buộc cậu phải viết một luận văn tốt nghiệp “thực tế” hơn. Quyết tâm không từ bỏ giấc mơ, năm 28 tuổi, Sänger xuất bản luận văn cũ của mình dưới tiêu đề “Rocket Flight Engineering” (Kỹ thuật Bay Tên lửa) vào năm 1933. 

Trong vòng ba năm sau đó, Sänger viết bài cho tạp chí Flug của Áo về những chuyến bay động cơ tên lửa. Danh tiếng của Sänger bấy giờ lan đi nhanh chóng đến tai Bộ Hàng không của Đức Quốc Xã. Nhờ đó, Sänger được chiêu mộ để chế tạo máy bay đánh bom tầm xa xuyên lục địa. Năm 1936, anh chỉ đạo một nhóm phát triển trên lửa ở vùng Lüneburger Heide miền Bắc nước Đức. Dự án đầy tham vọng mang tên “Silverbird” (Chim Bạc) của nhóm là một chiếc máy bay động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng du hành không gian tiểu quỹ đạo, tức là không hoàn thành quỹ đạo Trái Đất mà rơi xuống tầng bình lưu. Tầng bình lưu có không khí dày hơn sẽ tạo đà cho động cơ, khiến nó “nảy” lên độ cao cao hơn. Và cứ “tưng tưng” như thế, chiếc Chim Bạc này sẽ bay xuyên qua Thái Bình Dương, nhờ đó có thể ném bom cực xa. Rất tiếc về sau dự án này bị hủy vào năm 1942 vì Bộ muốn tập trung vào những công nghệ đã được chứng minh bằng thực nghiệm. 

Giống như Sänger, cuốn sách của Oberth cũng tạo ra bước ngoặt cuộc đời cho Wernher von Braun. Từ năm 13 tuổi, ông đã bộc lộ tư duy vượt bậc với hàng không vũ trụ vì bực dọc do không hiểu được những công thức toán học của Herman. Thú vị thay, về sau vào năm 1930, khi mới 18 tuổi, Wernher đảm nhận công việc trợ lý cho chính Hermann. Sau khi Adolf Hitler nắm quyền kiểm soát đất nước, Braun lúc này đã trở thành giám đốc kỹ thuật cho bệ phóng ở phía Tây Bắc nước Đức, và tài năng của ông đã biến công nghệ tên lửa đạn đạo của Đức Quốc Xã vượt lên các quốc gia khác trên thế giới. Tiêu biểu nhất là tên lửa đạn đạo A-4 hay tên lửa V-2 (viết tắt cho “Vengeance Weapon 2” –  Vũ khí Báo thù 2). Với ông, tinh thần ái quốc vượt trên những hoài nghi cá nhân về tính nhân đạo của những chính sách do chính quyền Hitler ban hành. 

Sänger và Braun không chỉ “gặp gỡ” nhau ở điểm cùng được truyền cảm hứng bởi Oberth. Cuộc đời họ còn giao nhau một cách không ngờ tới. Khi dự án Chim Bạc của Sänger bị từ chối bởi chính quyền Đức thì ý tưởng này lại đến tay nước Mỹ sau khi kết thúc thế chiến thứ hai khi nước này thu nhận các nhà khoa học Đức ly hương. Và các cơ quan của Mỹ thích ý tưởng của Sänger tới nỗi, nó đã trở thành gốc rễ cho nền hàng không vũ trụ của Mỹ. Đúng, cốt lõi của thành công trong việc khám phá vũ trụ của Mỹ là tạo ra được những chiếc máy bay vũ trụ có thể sử dụng lại như chiếc Chim Bạc. Và đoán xem, ai đã giúp cho Mỹ tiếp tục xây dựng phần cành lá, vẽ ra tầm nhìn cho ngành khám phá vũ trụ của Mỹ? Không ai khác, chính là Braun. Vào năm 1952, ông chuyển đến Alabama để phục vụ cho chương trình vũ khí đạn đạo của quân đội Hoa Kỳ. Nhờ có kinh nghiệm từ 15 năm thử nghiệm ở Đức mà Wernher đã giúp nước Mỹ chế tạo thành công tên lửa Jupiter-C, Redstone, Pershing, Juno, và Saturn sau này là vệ tinh Explorer 1.    

Trước khi Braun tới Mỹ, nước này đã thành lập phòng thí nghiệm sức đẩy phản lực (JPL), thuộc sở hữu của NASA, chuyên tập trung nghiên cứu các tàu vũ trụ không người lái thám hiểm không gian vào những năm 1930s. Và JPL vẫn duy trì mục tiêu này đến ngày nay. Người đứng đầu phòng thí nghiệm này là kỹ sư Frank Joseph Malina. Sauk hi tốt nghiệp tại Viện công nghệ California (Caltech), ông cùng “biệt đội cảm tử”, gồm năm người bạn khác, bao gồm những nhân vật nổi tiếng trong lịch sử ngành hàng không vũ trụ Mỹ như Hsue-Shen Tsien và Jack Parsons cùng nhau thực hiện những thí nghiệm lớn cho các thiết kế động cơ tên lửa. Vì tính chất nguy hiểm của các thí nghiệm này, nhóm phải rời xa khuôn viên Caltech để chuyển đến vùng hẻo lánh Aroyo Seco, cũng tại California. Và nơi đây về sau trở thành trụ sở của JPL. Người truyền cảm hứng cho Malina, dẫn dắt Malina theo con đường nghiên cứu tàu vũ trụ chính là Sänger, hay nói đúng hơn, là những bài giảng và công trình của ông. 

Chính Malina cũng học hỏi được cả từ Braun, mặc dù hai ông gặp nhau duy nhất một lần tại Hội nghị hàng không vũ trụ quốc tế vào năm 1965 tại Athen và thậm chí Malina còn có ý tránh mặt Braun bởi khó chấp nhận nổi một kĩ sư từng làm dưới trướng Hitler giờ lại trở thành trung tâm của ngành hàng không vũ trụ Hoa Kỳ. Nhưng, một trong những “mẫu vật” quan trọng đã hỗ trợ Malina trong quá trình nghiên cứu chế tạo tên lửa đẩy của ông là những mảnh của tên lửa V-2 do Braun chế tạo, đã rải hàng nghìn quả xuống khắp châu Âu trong Thế chiến thứ hai. 

Đúng, công nghệ đằng sau của tên lửa V-2, là điều mà bất cứ quốc gia nào đang theo đuổi công nghệ hàng không vũ trụ đều khao khát. Một trong số đó là Nga, hay đúng hơn là Sergei Pavlovich, một bộ óc thiên tài đằng sau những chương trình du hành vũ trụ của Liên Xô. Giống Frank Manila, Korolev cũng bắt đầu nghiên cứu về tên lửa và thành lập nhóm Group for the Study of Reactive Motion (Nhóm Nghiên cứu Chuyển động Phản ứng) vào năm 1931. Vào năm 1933, nhóm của Korolev đã phóng thành công tên lửa nhiên liệu lỏng đầu tiên của Liên Xô có tên gọi là GIRD – X. 

Nhưng các công trình của Korolev từ đó cho đến kết thúc Thế chiến thứ hai chưa thể so sánh được với V-2. Vào thời điểm bấy giờ, V-2 là tên lửa đạn đạo tầm xa đầu tiên và duy nhất trên thế giới, bay đến hơn 300 km và cao trung bình gần 90 km. Cho đến khi, Thế chiến thứ hai kết thúc, nếu như một nhóm nhà khoa học Đức ly hương được Mỹ dang tay chào đón thì có một nhóm bị bắt làm tù binh của Xô viết. Và họ đã tiết lộ thiết kế khung tên lửa V-2 cho Nga, hay chính là cho Korolev. Nắm được bí quyết của tên lửa V-2, sự nghiệp của Korolev lên đến đỉnh cao. Và ông không chỉ “tái tạo” lại quả tên lửa này mà còn đi xa hơn nữa, đó là nâng cấp tên lửa V-2, tăng tầm tấn công của nó lên đến gần 700 km. Korolev trở thành “bảo vật quốc gia”, được gọi bằng biệt danh là Chef Designer (Lãnh đạo thiết kế) thay vì tên thật để tránh khỏi bị ám sát bởi điệp vụ Mỹ. Và bắt đầu từ đây, cuộc đua đầy kịch tính vào không gian giữa Mỹ và Liên Xô bắt đầu. □  (còn tiếp)