Đêm 4 tháng 10 năm 1957, những người mê vô tuyến nghiệp dư khắp thế giới bỗng bắt được một âm thanh kỳ lạ từ bầu trời: "bíp... bíp... bíp..." đều đặn sau mỗi giây. Đó không phải tín hiệu từ người ngoài hành tinh, mà là tiếng gọi của Sputnik 1 — vệ tinh nhân tạo đầu tiên của nhân loại, một quả cầu kim loại đánh bóng đường kính 58 cm do Liên Xô phóng lên. Chỉ trong một đêm, kỷ nguyên vũ trụ chính thức mở ra — và mọi chuyện bắt đầu từ những trang giấy tính toán của một thầy giáo gần như điếc ở nước Nga nửa thế kỷ trước đó.

Từ phương trình của Tsiolkovsky đến chuyến bay 2,5 giây của Goddard

Năm 1903, Konstantin Tsiolkovsky — một giáo viên toán ở thị trấn Kaluga — công bố công trình "Khám phá không gian vũ trụ bằng thiết bị phản lực". Trong đó có phương trình tên lửa nổi tiếng: tốc độ cuối cùng của tên lửa phụ thuộc vào tốc độ phụt khí và tỷ lệ khối lượng trước — sau khi đốt hết nhiên liệu. Hệ quả tàn nhẫn của phương trình này là để đạt tốc độ cao, phần lớn khối lượng tên lửa phải là nhiên liệu, và cách khả thi nhất là dùng tên lửa nhiều tầng, bỏ lại các tầng rỗng trên đường bay. Tsiolkovsky cũng đề xuất dùng nhiên liệu lỏng — tất cả chỉ trên lý thuyết, khi ông chưa từng chế tạo một quả tên lửa thật nào.

Người biến lý thuyết thành hiện thực là Robert Goddard, giáo sư vật lý người Mỹ. Ngày 16 tháng 3 năm 1926, tại trang trại của cô ông ở Auburn, Massachusetts, Goddard phóng quả tên lửa nhiên liệu lỏng đầu tiên trong lịch sử, đốt bằng xăng và oxy lỏng. Chuyến bay chỉ kéo dài 2,5 giây, đạt độ cao khoảng 12,5 mét và rơi xuống cách bệ phóng chừng 56 mét. Nhỏ bé là vậy, nhưng nó chứng minh nguyên lý cốt lõi mà mọi tên lửa ngày nay vẫn dùng.

Bước nhảy tiếp theo đến từ chiến tranh: tại Đức, đội ngũ của Wernher von Braun phát triển V-2 — tên lửa đạn đạo tầm xa đầu tiên, dùng cồn và oxy lỏng. Năm 1944, một chuyến bay thử của V-2 trở thành vật thể nhân tạo đầu tiên chạm tới rìa vũ trụ. Sau chiến tranh, Mỹ và Liên Xô tranh nhau công nghệ cùng các kỹ sư Đức; von Braun sau này là kiến trúc sư trưởng của Saturn V đưa con người lên Mặt Trăng.

Sputnik, Gagarin và cuộc đua lên quỹ đạo

Sputnik 1 nặng khoảng 83,6 kg, được phóng bằng tên lửa R-7 do Sergei Korolev chỉ đạo thiết kế. Quả cầu chỉ phát tín hiệu vô tuyến trong khoảng ba tuần cho đến khi pin cạn, rồi cháy rụi khi quay lại khí quyển ngày 4 tháng 1 năm 1958. Nhưng tiếng "bíp bíp" ấy đủ gây ra "khủng hoảng Sputnik" ở Mỹ, dẫn tới việc thành lập NASA năm 1958 và mở màn Cuộc đua vũ trụ.

Chỉ một tháng sau Sputnik 1, Liên Xô phóng Sputnik 2 mang theo chó Laika — sinh vật đầu tiên bay vào quỹ đạo. Rồi ngày 12 tháng 4 năm 1961, tàu Vostok 1 đưa Yuri Gagarin trở thành người đầu tiên bay quanh Trái Đất trong chuyến bay kéo dài 108 phút. Từ đó, vệ tinh viễn thông, thời tiết, do thám và định vị lần lượt xuất hiện, biến quỹ đạo thành một tầng hạ tầng mới của nền văn minh.

Để ở lại trên quỹ đạo, một vật thể phải đạt tốc độ khoảng 7,8 km mỗi giây theo phương ngang — nhanh đến mức khi nó "rơi" về Trái Đất, bề mặt hành tinh cong đi vừa đúng độ rơi đó. Vệ tinh, nói cách khác, là vật thể rơi tự do liên tục quanh hành tinh mà không bao giờ chạm đất.

Kỷ nguyên tái sử dụng và những chòm sao vệ tinh

Suốt nửa thế kỷ trước đó, tên lửa là thứ dùng một lần, đắt đỏ: phóng xong là cháy rụi hoặc chìm xuống đại dương. Bước ngoặt đến vào ngày 21 tháng 12 năm 2015, khi SpaceX cho tầng một của tên lửa Falcon 9 quay đầu, hạ cánh thẳng đứng an toàn tại Cape Canaveral sau khi đã đưa 11 vệ tinh Orbcomm lên quỹ đạo — lần đầu tiên một tầng đẩy cấp quỹ đạo được thu hồi nguyên vẹn. Từ đó, tái sử dụng thành chuẩn mới: có tầng đẩy Falcon 9 đã bay hơn 30 lần, và chi phí phóng giảm mạnh.

Tên lửa rẻ hơn mở đường cho tham vọng mới: các chòm sao gồm hàng nghìn vệ tinh nhỏ ở quỹ đạo thấp, phủ sóng internet xuống mọi ngóc ngách hành tinh. Starlink của SpaceX là ví dụ lớn nhất, với hàng nghìn vệ tinh đang hoạt động và kế hoạch mở rộng lên hàng chục nghìn chiếc. Theo cơ sở dữ liệu của Liên đoàn các nhà khoa học quan tâm (UCS), hiện có hơn 8.000 vệ tinh đang hoạt động trên quỹ đạo — con số mà thế hệ của Korolev khó lòng tưởng tượng nổi vào năm 1957.

Sự thật thú vị ít người biết

  • Sputnik 1 được làm đơn giản một cách cố ý: Korolev gạt bỏ thiết kế vệ tinh khoa học phức tạp để kịp phóng trước người Mỹ.
  • Quả cầu được đánh bóng không phải để làm đẹp: bề mặt sáng giúp phản xạ ánh nắng, kiểm soát nhiệt và khiến vệ tinh dễ được quan sát từ mặt đất.
  • Chuyến bay năm 1926 của Goddard từng bị báo chí thời đó chế giễu; tờ New York Times một thời viết rằng tên lửa không thể hoạt động trong chân không vì "không có gì để đẩy vào" — và phải đăng bài đính chính vào năm 1969, đúng dịp Apollo 11 lên đường.
  • Tín hiệu của Sputnik 1 phát trên tần số mà bất kỳ đài vô tuyến nghiệp dư nào cũng bắt được — lựa chọn có chủ đích để cả thế giới tự kiểm chứng sự kiện.

Hiểu lầm thường gặp

Hiểu lầm: "Wernher von Braun là người phát minh ra tên lửa." Tên lửa thuốc súng đã tồn tại từ nhiều thế kỷ trước ở Trung Quốc, còn nền tảng lý thuyết và thực nghiệm của tên lửa hiện đại thuộc về Tsiolkovsky và Goddard. Von Braun là kỹ sư trưởng đã đưa tên lửa lên quy mô lớn với V-2 và Saturn V, nhưng ông đứng trên vai những người đi trước.

Hiểu lầm: "Vệ tinh lơ lửng trên trời vì ngoài vũ trụ không có trọng lực." Ở độ cao của Trạm vũ trụ quốc tế, trọng lực vẫn còn khoảng 90% so với mặt đất. Vệ tinh không rơi xuống vì chúng chuyển động ngang đủ nhanh để liên tục "rơi vòng quanh" Trái Đất — trạng thái rơi tự do liên tục, chứ không phải vắng mặt trọng lực.

Nguồn tham khảo

  • NASA — 65 Years Ago: Sputnik Ushers in the Space Age: https://www.nasa.gov/history/65-years-ago-sputnik-ushers-in-the-space-age/
  • Wikipedia — Sputnik 1: https://en.wikipedia.org/wiki/Sputnik
  • Space.com — SpaceX Lands Orbital Rocket Successfully in Historic First: https://www.space.com/31420-spacex-rocket-landing-success.html