Hồi sinh dự án máy bay không gian – giải pháp tiết kiệm thay thế tên lửa

Vào những năm 1990, Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) đã thiết kế một máy bay không gian thử nghiệm được cho sẽ là một phương án thay tiết kiệm thay thế cho những chiếc tên lửa tốn kém.

Dự án với tên gọi X-33, mẫu máy bay không gian mới được thiết kế dựa trên mô hình SSTO - "một tầng lên quỹ đạo". SSTO không có các tầng tên lửa của một phương tiện lên không gian thông thường, bao gồm bộ phận chứa động cơ và nhiên liệu, mà thay vào đó là một tàu vũ trụ đơn có thể tái sử dụng hoàn toàn.

X-33 được thiết kế để phóng thẳng đứng như tên lửa, nhưng hạ cánh trên đường băng như máy bay, với mục tiêu giảm chi phí đưa nửa kilogram tải trọng vào quỹ đạo từ 10.000 USD xuống chỉ còn 1.000 USD.

Tuy nhiên, chương trình đã bị hủy bỏ vào năm 2001 do khó khăn về kỹ thuật.

“Tôi là người chỉ đạo chương trình X-33 nhưng chúng tôi không muốn tiếp tục vì chi phí đội lên quá cao hơn mức dự tính ban đầu”, Livingston Holder, một kỹ sư hàng không vũ trụ, cựu phi hành gia Không quân Mỹ và là giám đốc chương trình X-33, hiện là giám đốc công nghệ của công ty Radian Aerospace – nói về dự định hồi sinh giấc mơ SSTO.

“Tuy nhiên, mọi thứ đã thay đổi đáng kể kể từ đó. Chúng tôi có vật liệu composite nhẹ hơn, bền hơn và có thể chịu được phạm vi nhiệt lớn hơn so với trước đây. Hệ thống đẩy cũng tốt hơn bất kỳ lúc nào, xét về hiệu quả đốt nhiên liệu và trọng lượng của hệ thống”, ông Holder nói.

Dự án mới có tên gọi Radian One, một máy bay vũ trụ mới sẽ thay thế hệ thống phóng thẳng đứng bằng một hệ thống khác thường — một hệ thống trượt bằng tên lửa.

Theo Jeffrey Hoffman, giáo sư hàng không và du hành vũ trụ tại Viện Công nghệ Massachusetts và là cựu phi hành gia của NASA, để có thể “bứt khỏi”lực hấp dẫn của Trái Đất và đạt đến quỹ đạo, một tên lửa cần đạt tốc độ khoảng 28.100 km/h.

Ông Hoffman cho biết một tên lửa có khả năng đạt được vận tốc đó sẽ cần dành 95% khối lượng của nó cho nhiên liệu, để lại rất ít không gian cho cácbộ phận khác. Hay nói cách khác, trong cấu trúc của tên lửa, động cơ và tải trọng không thể lớn hơn khoảng 5% tổng khối lượng của toàn bộ hệ thống.

Đó là lý do tại sao tất cả các tên lửa từng được sử dụng để lên quỹ đạo đều là tên lửa nhiều tầng, mặc dù các tên lửa hiện tại như Falcon 9 của SpaceX có ít tầng hơn so với các tên lửa cũ hơn như Saturn V thực hiện sứ mệnh Apollo.

Theo quy trình thông thường, các tầng đã sử dụng của tên lửa sẽ rơi trở lại Trái đất, cháy trong khí quyển hoặc lơ lửng trong quỹ đạo như rác vũ trụ. SpaceX đã thay đổi mô hình đó bằng cách thiết kế các tên lửa đẩy có thể tái sử dụng có thể tự động hạ cánh trở lại Trái đất.

Tiền thân của một phương tiện vũ trụ một tầng là loại bỏ hoàn toàn các tầng tên lửa, với mục đích cắt giảm chi phí hơn nữa.

Giải pháp của Radian One là một xe trượt chạy dọc theo đường ray dài 3,2 km và tăng tốc lên tới Mach 0,7 trước khi phóng máy bay vũ trụ, để máy bay tự di chuyển bằng một động cơ riêng.

“Đã có nhiều nỗ lực khác nhau để phát triển các phương tiện một tầng để đưa lên quỹ đạo. NASA và Không quân Mỹ đã thử nghiệm vào cuối những năm 1980 và 1990. Họ đã cố gắng giải quyết vấn đề bằng cách sử dụng động cơ scramjet, động cơ này sẽ đưa máy bay lên qua bầu khí quyển và đốt oxy từ đó thay vì phải mang theo bên mình. Đó là một ý tưởng tuyệt vời nhưng về mặt kỹ thuật, rất khó để chế tạo loại động cơ đó. Những gì Radian đang làm với xe trượt tương tự như scramjet. Nói cách khác, họ cố gắng đạt được gia tốc ban đầu mà không đốt cháy nhiên liệu tên lửa”, ông Hoffman lý giải.

Theo Radian Aerospace, hiện nhờ có 3 cải tiến công nghệ mà giấc mơ SSTO có thể thành hiện thực. Đầu tiên là hệ thống phóng trượt. Tiếp đến là bánh đáp, được thiết kế để hạ cánh, giúp máy bay nhẹ hơn đáng kể. Thứ ba là phần cánh. Bộ phận này vốn dĩ không có trong tên lửa thẳng đứng nhưng nósẽ giúp giảm lực đẩy cần thiết cho hệ thống bằng cách cung cấp lực nâng khi bay về phía quỹ đạo.

Ông Holder cho biết: "Khi lên quỹ đạo, phương tiện của chúng tôi có lẽ phần nhiều giống tàu vũ trụ Con thoi (The Shuttle). Chỉ là chúng tôi có khoang nhỏ hơn, và chúng tôi có thể thực hiện nhiều loại nhiệm vụ tương tự. Khi trở về Trái Đất, vật liệu composite chắc chắn cho phép chúng tôi tái sử dụng hệ thống nhiều lần".

Theo Radian, máy bay vũ trụ của họ có thể tái sử dụng tới 100 lần, chở theo phi hành đoàn gồm 2-5 người, rút ngắn thời gian sử dụng luân phiên giữa các lần bay là 48 giờ. Dự kiến máy bay không gian sẽ được thử nghiệm trong năm nay, với phiên bản thu nhỏ đầy đủ sẽ bắt đầu các cuộc thử nghiệm bay vào năm 2028.

Radian One có thể triển khai đưa vệ tinh vào quỹ đạo hoặc thực hiện các nhiệm vụ bằng thiết bị đặt trong khoang, chẳng hạn như quan sát Trái đất hoặc giám sát và tình báo cho các thực thể quốc phòng hoặc quân sự. Bên cạnh đó, chiếc máy bay cũng có thể hỗ trợ viện trợ nhân đạo ở các khu vực thảm họa khi đường băng không thể sử dụng được bằng cách thả hàng hoá ra khỏi khoang trong quá trình trở lại bầu khí quyển.