Tại sao tàu vũ trụ không bay thẳng đến Mặt Trăng như ta tưởng?

[Mr Bens]

Khi chúng ta nói đến việc đưa một con tàu vũ trụ ra khỏi Trái Đất, điều đầu tiên phải vượt qua là lực hút mạnh mẽ của hành tinh này. Để thoát khỏi lực hấp dẫn đó, tên lửa cần mang một lượng nhiên liệu khổng lồ, mà chính nhiên liệu lại góp phần làm tăng trọng lượng. Đây là lý do vì sao tên lửa lại to đến vậy, còn phần tàu vũ trụ thực sự lại rất nhỏ.

Chẳng hạn, tên lửa Saturn V đưa tàu Apollo lên Mặt Trăng có tổng trọng lượng khi phóng là 3.038 tấn, nhưng phần tàu vũ trụ Apollo chỉ nặng 45 tấn. Tương tự, tàu thăm dò Chang'e 5 của Trung Quốc được phóng bằng tên lửa Long March 5 nặng 870 tấn, trong khi chính Chang'e 5 chỉ nặng 8,2 tấn. Đáng chú ý là trong 8,2 tấn của Chang'e 5, có tới 4 tấn là nhiên liệu, được dùng để thay đổi quỹ đạo, tăng tốc và giảm tốc trong hành trình.

Bay thẳng đến Mặt Trăng là điều khả thi về mặt lý thuyết, nhưng điều đó đòi hỏi một lượng nhiên liệu cực lớn và kỹ thuật cực kỳ phức tạp. Đó là lý do vì sao các sứ mệnh không đi theo đường thẳng, mà bay theo một lộ trình vòng vèo với nhiều bước trung gian.

Thay đổi quỹ đạo để tiết kiệm nhiên liệu và an toàn hơn

Cách tiếp cận hiện nay là đưa tàu vũ trụ vào quỹ đạo Trái Đất trước. Khi đạt đến độ cao nhất định, tên lửa tách khỏi tàu và quay về Trái Đất, trong khi tàu vũ trụ tiếp tục bay trong quỹ đạo. Nhưng lúc này, vận tốc của tàu vẫn chưa đủ để đến được Mặt Trăng. Giải pháp là dùng “hiệu ứng súng cao su hấp dẫn”: tàu quay quanh Trái Đất nhiều vòng, mỗi lần đều thay đổi quỹ đạo để tăng vận tốc.

Sau nhiều vòng tăng tốc, quỹ đạo của tàu trở nên ngày càng lớn hơn. Khi cận điểm ở khoảng 200 km và viễn điểm đạt tới 400.000 km, tàu đã có thể rời quỹ đạo Trái Đất và đi vào quỹ đạo chuyển tiếp tới Mặt Trăng. Khoảng cách này gần bằng khoảng cách trung bình giữa Trái Đất và Mặt Trăng, khoảng 380.000 km.

Tại sao không bay thẳng? Vì muốn bay thẳng thì cần vận tốc cao hơn, tức là cần thêm nhiên liệu, bình chứa, tăng trọng lượng và làm phức tạp hóa toàn bộ hệ thống. Việc tăng thêm nhiên liệu giống như hiệu ứng quả cầu tuyết: cứ thêm một ít là lại phải thêm nhiều thứ khác đi kèm, khiến chi phí tăng lên theo cấp số nhân.

Ngay cả khi đến gần Mặt Trăng, tàu cũng không bay thẳng vào bề mặt mà phải tiếp tục bay vòng quanh để giảm tốc dần. Mặt Trăng không có khí quyển, nên không thể dùng dù hoặc lực cản không khí để giảm tốc. Tàu buộc phải dùng động cơ để hãm lại, và điều đó tiêu tốn nhiên liệu. Nếu giảm tốc quá sớm hoặc quá trễ, tàu có thể rơi tự do hoặc đâm vào bề mặt.

Bay theo đường cong, thay đổi quỹ đạo liên tục là chiến lược để tận dụng lực hấp dẫn, tiết kiệm năng lượng và tăng độ an toàn. Giống như việc đạp xe lên dốc: nếu bạn tăng tốc từ trước, bạn sẽ leo dễ hơn. Nếu cố gắng leo dốc ngay từ đầu mà không lấy đà, bạn sẽ phải nỗ lực nhiều hơn.