Hành trình phát triển công nghệ vệ tinh (Phần 2: Giấc mơ bay lượn)
Phát triển công nghệ vệ tinh là một quá trình dài hơi, tốn kém và đòi hỏi vô vàn những lần thử và thất bại để đạt được. Từ những vệ tinh đầu tiên do công cuộc chạy đua quân sự và chính trị giữa các cường quốc hàng đầu thế giới, cho tới những thành quả mà chúng ta đang hằng ngày sử dụng trong vô thức như truyền hình vệ tinh (K+) hay định vị vệ tinh (GPS, GLONASS…) đều do rất nhiều bộ óc thiên tài cống hiến và hàng sa số giờ nghiên cứu để tạo nên. Ở phần 2 này, chúng ta sẽ cùng vén màn bức tranh bí ẩn của Sputnik 1, quay trở lại thời điểm trước khi sự kiện phóng vệ tinh vang dội diễn ra, để rồi hiểu thêm về quá trình nghiên cứu và chế tạo cỗ máy không gian độc đáo này, tại thời điểm phát triển đỉnh cao của khoa học công nghệ ở Liên Xô.
Sergei Korolev, cha đẻ của nền hàng không vũ trụ Liên Xô. Ảnh: European Space Agency
Trường đua đặc biệt
Vào ngày 4/10/1957, Sputnik – vệ tinh nhân tạo đầu tiên của nhân loại do Liên Xô chế tạo chính thức tiến vào quỹ đạo quanh Trái Đất. Trong toàn cục căng thẳng của chiến tranh lạnh, tốc độ phát triển công nghệ thần tốc của Liên Xô như một cơn chấn động cho cả thế giới, phương Tây, và đặc biệt Mỹ thời bấy giờ. Nó như phát súng rền vang, vừa báo hiệu mà cũng vừa thúc giục cho một cuộc chạy đua công nghệ – quân sự chưa từng có trên toàn cầu – cuộc đua đặt nền móng cho hàng loạt bứt phá khoa học.
Tuy nhiên, với những người trong cuộc, Sputnik không phải là sản phẩm của phép màu hay may mắn nhất thời, mà đằng sau nó còn có nhiều câu chuyện ly kỳ về hành trình chế tạo đầy gian nan. Ở kỳ trước chúng ta đã biết, vào những năm 1930, Thiết kế Trưởng (biệt danh của Korolev) trở thành lãnh đạo của Nhóm Nghiên cứu Tương tác Chuyển động. Trong thời gian này, ông kết thân với Mikhail Klavdiyevich Tikhonravov – một nhà khoa học tiên phong khác trong lĩnh vực thiết kế thiết bị không gian và tên lửa học, và sau này cũng là người đồng hành cùng Korolev xuyên suốt quá trình phát triển Sputnik.
Sputnik có thể đã mãi nằm trên giấy nếu không có sự đóng góp của hai người đàn ông vĩ đại này, luôn hết mình kiên trì cho chương trình không gian, dưới một Chính phủ Liên Xô không mấy mặn mà và thời cuộc đầy khắc nghiệt. Thế chiến thứ hai nổ ra khiến họ phải tạm thời chia tay, chuyển đến hai đơn vị khác nhau: Korolev chỉ đạo Bộ thứ ba của Viện Nghiên cứu Khoa học số 88 để phát triển tên lửa đạn đạo cho Nga. Trong khi đó, Tikihonravov làm việc trong viện NII-4 nhằm tìm ra ứng dụng khác của công nghệ tên lửa đạn đạo.
Những năm cuối thập niên 40, Thiết kế Trưởng đã vài lần đề xuất ý tưởng chế tạo vệ tinh nhân tạo đầu tiên của nhân loại dành cho mục đích khoa học thuần túy, nhưng nỗ lực của ông bất thành. Chỉ tới khi cùng hợp tác với người bạn cũ Tikhonravov thì Korolev mới đạt được kết quả khả quan. Vào ngày 20/5/1954, Korolev nhân lúc chính quyền Xô viết giao trọng trách thực hiện một dự án vũ khí cho Cục Thiết kế tại nơi ông đang công tác, ông đã gửi một bức thư đề nghị kèm theo “Báo cáo về Vệ tinh Nhân tạo quanh Trái Đất” của Tikhonravov cho chính phủ:
“Xin quý vị xem qua bản ghi của đồng chí M. K. Tikhonravov, “Báo cáo về Vệ tinh Nhân tạo của Trái Đất”, cũng như những tài liệu nghiên cứu trong lĩnh vực này từ Hoa Kỳ. Sản phẩm chúng ta đang chế tạo [tên lửa R-7 ICBM] sẽ tạo cơ hội cho vệ tinh nhân tạo ra đời… Tôi nhận thấy rằng giờ đây, chúng ta có thể nắm lấy cơ hội để thực hiện những thí nghiệm đầu tiên về chế tạo vệ tinh và giải quyết những vấn đề phức tạp để chinh phục mục tiêu này. Chúng tôi đợi hồi âm từ các anh.”1
Bức thư của Korolev đã lan đến tai nhiều nhân vật chủ chốt trong nhà nước, trong đó có lãnh đạo Xô viết thời bấy giờ là Georgiy M. Malenkov. Malenkov vì quan tâm đến ứng dụng quân sự của dự án nên đã cho phép Korolev thực hiện nghiên cứu. Đây là lần đầu tiên mà chính quyền Xô viết can thiệp vào vấn đề khám phá không gian. Tuy nhiên, nhóm thực hiện nghiên cứu lúc này vẫn còn ít nhân lực, và Korolev thì không thể hoàn toàn tập trung bởi dự án vũ khí R-7 ICBM.
Tuy nhiên, vào mùa xuân năm 1950, một nhóm nhà khoa học Hoa Kỳ dẫn đầu bởi James van Allen đã bắt đầu có dự án khoa học quốc tế để nghiên cứu tầng khí quyển và không gian bằng khinh khí cầu hoặc tên lửa nghiên cứu. Ý tưởng nhanh chóng lan ra toàn cầu với sự hưởng ứng nồng nhiệt từ các nước châu Âu. Không chỉ thế, họ còn phát triển chương trình để bắt kịp khoảng thời gian 1957-1958, những năm Mặt Trời hoạt động mạnh mẽ nhất trong chu trình. Bây giờ ta biết đến cột mốc này với cái tên “năm Vật lý Địa cầu Quốc tế” (IGY).
Vệ tinh Sputnik 1 vào năm 1957. Ảnh: NASA/Asif A. Siddiqi
Liên Xô không có đóng góp nổi bật nào, thậm chí cũng không quá mặn mà với việc gia nhập IGY. Thật ra trong năm 1954, Ủy ban Điều phối và Kiểm soát Công việc trong Lĩnh vực Tổ chức và Hoàn thiện Thông tin Liên hành tinh – một tổ chức với cái tên dài ngoằng nhằm che giấu mục đích thảo luận về khám phá không gian đã âm thầm ra đời. Tuy nhiên, Korolev lại không được biết về ủy ban này, và ủy ban cũng không có liên kết với công trình của Korolev.
Một chuỗi sự kiện bắt đầu diễn ra sau đó, mở đầu vào ngày 29/7/1955 khi Hoa Kỳ tuyên bố sẽ phóng một vệ tinh nhỏ bay quanh Trái Đất với tư cách một thành viên trong IGY. Không để bị vượt mặt, USSR cũng trả lời với thế giới rằng “Chúng tôi tin rằng việc phóng vệ tinh nhân tạo sẽ trở nên khả thi trong vòng 2 năm nữa.”. Và “Dự án của Liên Xô sẽ thành hiện thực trong tương lai gần”.1
Lúc này, tận dụng thời cơ Liên Xô ráo riết chạy đua với Hoa Kỳ, vào ngày 30/8/1955, Korolev tham dự hai cuộc họp quan trọng với cộng đồng quốc phòng và khoa học. Ông báo cáo chi tiết về phương pháp thực hiện sứ mạng, đề xuất nhiều phương án cũng như mốc thời gian cụ thể để tận dụng hiệu quả vệ tinh. Kết quả là đề nghị sử dụng tên lửa R-7 ICBM để đưa vệ tinh ra không gian được thông qua. Không chỉ thế, cộng đồng khoa học cũng cho phép thành lập một uỷ ban điều hành một chuỗi các vệ tinh sau Sputnik 1, bao gồm vệ tinh thử nghiệm mang theo động vật.
Miệt mài lao động
Quá trình lên ý tưởng chi tiết cho các bộ phận và chọn lựa vật liệu để phù hợp với môi trường khắc nghiệt ngoài không gian kéo dài đến tháng 3/1966. Lúc này Vật D (vệ tinh nhân tạo, được đặt tên theo thứ tự khối hàng mà tên lửa R-7 chuyên chở) vẫn còn là một “phòng thí nghiệm di động” khi mà trên giấy tờ, nó có khối lượng hơn một tấn. Vì thế mà từng bộ phận trên vệ tinh được chia ra cho các tổ chức khác nhau chế tạo.
Giai đoạn giữa 1956 là thời gian khó khăn cho Thiết kế Trưởng khi mà các nhà thầu phụ trì trệ trong công việc, dẫn đến tiến độ chậm trễ, động cơ R-7 thử nghiệm thì lại không đạt tiêu chuẩn. Korolev chịu căng thẳng tột độ khi phải di chuyển liên tục để giám sát các dự án trong khi vệ tinh của Mỹ thì có thể được phóng đi bất kỳ lúc nào. Cuối tháng 11, ông quyết định giảm khối lượng của vệ tinh xuống còn vài chục ki-lô-gram và tự chế tạo nó tại Sở Thiết kế. Trình bày kế hoạch mới lên chính quyền, Korolev bày tỏ nỗi lo lắng của chính mình trước tình hình Nhà Trắng liên tục thử nghiệm những công nghệ tiên tiến khiến tên lửa Mỹ có khả năng bay cao và xa hơn hẳn phần còn lại của thế giới.
Tiến trình nghiên cứu bản thử đầu tiên của vệ tinh vẫn tiếp tục diễn ra dù liên tục bị trì hoãn do vẫn chưa xác định được mục tiêu, mãi cho đến đầu năm 1957. Thiết kế mới được Hội đồng Bộ Trưởng phê duyệt vào cuối tháng 1/1957 với khối lượng gần 100kg, mang tên Vệ tinh Đơn giản Số 1 (PS-1). Ngỡ đâu đây là một khởi đầu mới thuận lợi, nhưng khoảng thời gian này lại là lúc toàn bộ sự nghiệp và danh tiếng của Korolev đứng trước bờ vực thẳm. Từ tháng năm đến tháng bảy, cả ba đợt phóng R-7 ICBM thất bại do nhiều sai sót trong tính toán đã khiến kế hoạch vượt mặt Mỹ đầu giai đoạn IGY của Korolev phá sản hoàn toàn. Nhóm của ông nhận nhiều chỉ trích gay gắt từ phía ban lãnh đạo, thậm chí bị đe dọa cắt giảm ngân sách do dự án.
Từ tháng 3 đến tháng 8/1957, các kỹ sư miệt mài xác định vấn đề và hiệu chỉnh quỹ đạo bay của tên lửa dùng để phóng vệ tinh. Những phép tính phức tạp đã được tính toán hoàn toàn thủ công, bằng phương pháp rất cổ điển – dùng bảng tính. Khi những phép tính bắt đầu đạt đến độ khó điên rồ, đây là lúc các kỹ sư tại OKB-1 cần dùng một máy tính thực thụ để xử lý, hơn nhiều so với những chiếc bàn tính điện tử. Keldysh chuyển cho Viện Khoa học Liên Xô, họ dùng một cỗ máy khổng lồ và cũng là nhanh và hiện đại nhất ở Liên Xô thập niên 50, to bằng cả một căn phòng và có thể thực hiện hàng vạn phép tính trên giây.
Cuối cùng, vào ngày 21/8/1957 tại Tyuratam, đợt phóng R-7 thứ tư cũng thành công. Tên lửa đạn đạo cùng khối hàng bay vượt hơn 6500km. Đầu đạn bay trên bầu khí quyển của bán đảo Kamchatka, phía Đông Siberia, cực Đông của Liên bang Nga (Liên Xô lúc đó), bên bờ Thái Bình Dương. Korolev phấn khích tới mức đã thức đến tận 3 giờ sáng để bàn về những tiềm năng to lớn được khai phá cho tương lai, nhất là cho vệ tinh của ông. Gần một tuần sau, thông tấn xã TASS của Liên Xô cũng phát hành một thông cáo ngắn về thành công của tên lửa đẩy đa tầng xuyên lục địa R-7, cho thấy sự chính xác trong tính toán của các nhà khoa học. Đồng thời cũng nói về viễn cảnh tươi sáng mà cuộc thử nghiệm đã mở ra cho vệ tinh nhân tạo2
Bài thông cáo về R-7 không tạo được tiếng vang ở Hoa Kỳ. Ngược lại, nó còn bị phủ nhận khi một số người hoài nghi dựa trên lượng thông tin ít ỏi mà Liên Xô cung cấp. Nhưng họ không ngờ rằng chỉ 38 ngày sau, tên lửa này đã mở ra một thời kỳ mới cho nhân loại, cũng như chính nó sẽ là phát súng dữ dội báo hiệu cho một cuộc chạy đua công nghệ.
Vệ tinh thành hình
Nhiều cuộc tranh luận diễn ra trước khi đưa đến quyết định về hình dáng của vệ tinh. Một trong số đó phải kể đến dạng hình cô-níc (hình nón) bởi vì tính khả dụng khi đưa vào trong không gian chật chội của tên lửa. Cuối cùng, Korolev theo “tiếng gọi của con tim” và chọn hình cầu, với vỏ bọc bằng kim loại với đường kính khoảng 1 mét.
Ông cũng đề ra một số nguyên tắc khi thiết kế vệ tinh như: Vệ tinh phải tối giản và đáng tin cậy, đáp ứng được nhu cầu cho những dự án tương lai; có hình cầu nhằm giảm thiểu sức cản của không khí; thiết bị thu phát sóng phải có 2 băng tần khác nhau để truyền tải dữ liệu và để định vị; ăng-ten phải được thiết kế sao cho không bị nhiễu khi tự xoay; và nguồn cấp điện cho vệ tinh phải là pin gắn liền, hoạt động được từ 2-3 tuần. Đồng thời vệ tinh cũng phải đáp ứng được các mục tiêu khoa học như: thử nghiệm phương pháp đưa vệ tinh lên quỹ đạo; cung cấp thông tin về mật độ không khí thông qua các tính toán về thời gian hoạt động trên quỹ đạo; thử nghiệm sóng radio và phương pháp định vị quỹ đạo bằng quang học; tìm hiểu ảnh hưởng của sóng radio qua khí quyển và kiểm nghiệm nguyên lý áp suất trên vệ tinh.
Minh họa trên tạp chí khoa học phổ thông Popular Mechanics về cuộc đua giữa Mỹ và Liên Xô lên vũ trụ. Ảnh: popularmechanics.com
Vỏ vệ tinh cuối cùng được thiết kế bằng hợp kim nhôm có đường kính 58cm gồm có 2 nửa bán cầu ghép lại với nhau và kín áp suất với bên ngoài. Bên trong được lấp đầy bằng khí ni-tơ dưới áp suất 1,3 áp suất của khí quyển nhằm đảm bảo các thiết bị máy móc tinh vi bên trong hoạt động trơn tru. Hai thiết bị thu phát sóng được phát ở 2 tầng số 20,005 và 40,002 mega-chu kỳ (đơn vị tần số cũ thương tự như Hertz) hay bước sóng 1,5 và 7,5 mét, phát ra âm thanh quen thuộc “bíp bíp”. Phần ăng-ten dài nổi bật, làm nên “thương hiệu” của Sputnik gồm có 2 thanh 2,4 mét và 2 thanh 2,9 mét. Toàn bộ khối lượng vệ tinh khoảng 83,6 kg trong đó tới 51kg là dành cho pin và bộ cấp năng lượng. Để thử nghiệm hệ thống truyền phát radio, vào ngày 5/5/1957, nhóm đã dùng trực thăng mang thiết bị thu phát sóng lên cao để kiểm tra khả năng nhận tín hiệu ở trạm mặt đất.
Korolev nắm giữ vai trò chủ chốt trong việc phát triển PS-1, và vẫn không ngừng dõi mắt theo từng giai đoạn. Ông thốt lên không chỉ trước vẻ đẹp sáng bóng của khối cầu kim loại vừa hoàn thiện này, mà còn bởi nó chứa đầy niềm khát vọng chinh phục không gian, “Quả cầu này [một ngày nào đó] sẽ được triển lãm [như một tác phẩm nghệ thuật] trong bảo tàng”.
Tên lửa phóng vệ tinh cũng được điều chỉnh và nâng cấp, phải kể đến như: bỏ bớt bộ phát vô tuyến nặng gần 300kg ở trên đầu động cơ đẩy, thay đổi thời gian đốt cháy của động cơ chính, bỏ bớt thiết bị đo độ rung; và quan trọng là thêm một hệ thống đẩy đặc biệt, giúp tách rời vệ tinh khỏi phần tên lửa đẩy khi đạt đến độ cao nhất định. Nhóm của Korolev còn lắp đặt thay thế phần đầu đạn thành một buồng chứa có thể mang trọng tải, làm tăng chiều cao của phần tên lửa đẩy thêm 4 mét, đạt mức 29.167 mét.
Giai đoạn cuối cùng
Giai đoạn chuẩn bị phóng có lẽ là một trong những huyền thoại đáng được để lại với “màn cứu nguy”, phải kể đến như phát hiện và kịp thời thay viên pin gặp trục trặc trong những giây phút cuối. Ban đầu, kế hoạch được thống nhất phóng vào ngày 6, tuy nhiên vì quá lo lắng trước thông tin Washington lên kế hoạch tổ chức hội nghị IGY vào trong khoảng thời gian đầu tháng 10 này, Korolev quyết định đẩy nhanh tiến độ phóng, sớm hơn hai ngày so với dự định.
Tên lửa R-7 được vận chuyển để bệ phóng bằng đường bộ vào buổi sáng sớm ngày 3/10/1957, dẫn dầu là Korolev, theo sau là Ryabikov, và các thành viên của Ủy ban Nhà nước. Nhiên liệu đốt được tiếp vào buồng chứa lúc 05:45 sáng (giờ địa phương) dưới sự hồi hộp tột độ của Korolev, tuy vậy ông vẫn luôn giữ được tỉnh táo theo dõi sát sao quá trình. Ông trấn an đội ngũ kỹ sư: “Sẽ không có ai hối thúc cả. Nếu các anh có dù là một chút hoài nghi nào, chúng ta sẽ dừng phóng thử và điều chỉnh lại vệ tinh. Vẫn còn thời gian…”. Phó bộ phận thiết kế PS-1 Ivanovskiy nhớ lại: “Không có ai nghĩ về tầm quan trọng của những gì đang diễn ra, mọi người đều làm tốt công việc của mình, tận hưởng phút giây dù là thất vọng hay hào hứng”.
Vào đêm ngay trước ngày phóng lịch sử, ánh sáng chiếu tràn ngập quanh bệ phóng, đó là vì các kỹ sư ráo riết kiểm tra toàn bộ hệ thống để đảm bảo không có bất kỳ sai sót lớn nào. Quá trình vận hành phóng đều do chính tay hai người đàn ông trạc tuổi 44 đảm nhận, đó là Korolev và đội phó Leonid A. Voskresenskiy. Không phải là sĩ quan quân sự như Korolev, Voskresenskiy chỉ là một “thường dân” nhưng ông có lẽ là một trong những nhân vật thú vị bậc nhất trong chương trình không gian của Liên Xô, một kĩ sư tên lửa hoàn toàn tự học và tay chơi mô-tô huyền thoại không ngại thử thách và nguy hiểm. Ông tham gia chương trình không gian từ những ngày đầu, khi Liên Xô kế thừa thành quả tên lửa đạn đạo A-4 của Đức Quốc xã.
Khi chỉ còn vài phút trước khi phóng, Korolev gật đầu như một tín hiệu cho phó thân cận của ông là Voskresenskiy, tất cả mọi người nhận thấy tầm lịch sử của sự kiện đều đứng dậy khi còn một phút. Đồng hồ chạm mốc 0 cũng là lúc chỉ huy hét to “Phóng!”. Sự kiện đó diễn ra vào 22 giờ, 28 phút, 34 giây (theo giờ Moscow). Động cơ đốt cháy và nâng hơn 272 ngàn kg khỏi bệ phóng tạo ra một tia lửa lớn và mây khói khổng lồ. 5 động cơ tạo ra 398 tấn lực đẩy. Tuy vậy, trong giây hồi hộp, một trong số các động cơ kích nổ chậm hơn thường lệ khiến cho nhóm gần như quyết định hủy bỏ vụ phóng. Tại thời điểm T+324.5 giây (sau khi phóng được 324.5 giây), tiến trình tách tầng tên lửa đẩy diễn ra, PS-1 thành công thoát ra và bay theo đường định trước. Vậy là vật thể đầu tiên do con người chế tạo đã thành công tiến vào quỹ đạo quanh Trái Đất, mở ra một kỷ nguyên mới cho loài người trong khám phá và chinh phục không gian.□
—–
1 Robert W. Buchheim and the Staff of the Rand Corporation, Space Handbook: Astronautics and its Applications (New York: Random House, 1959), 277; “We’ll Launch 1st Moon, and Bigger, Says Russ,” Los Angeles Examiner (August 3, 1955); John Hillary, “Soviets Planning Early Satellite,” The New York Times (August 3, 1955).
2“Report on Intercontinental Ballistic Missile” (in Russian), Pravda (August 27, 1957). A complete English translation of the press release is included in Krieger, 1958, 233-234.
