NASA bắt đầu thử nghiệm robot để đưa mẫu vật sao Hỏa về Trái đất

Việc thử nghiệm đã bắt đầu với sứ mệnh phức tạp nhất từng được thực hiện tại hành tinh đỏ - mang các mẫu đá và trầm tích từ sao Hỏa về Trái đất để nghiên cứu kỹ hơn. Sứ mệnh này được bắt đầu khi robot tự hành Perseverance của NASA hạ cánh xuống sao Hỏa vào tháng 2 để thu thập các mẫu đá nhằm tìm kiếm sự sống vi sinh vật cổ đại trên hành tinh này. Trong số 43 ống mẫu của robot tự hành, 4 ống chứa đầy lõi đá và một ống chứa khí quyển sao Hỏa. Sứ mệnh Mars Sample Return sẽ đưa các ống được chọn trở lại Trái đất. Các thế hệ nhà khoa học sẽ nghiên cứu chúng bằng thiết bị phòng thí nghiệm tốt nhất - vốn quá lớn để gửi đến sao Hỏa.

Quá trình đưa các mẫu này vào các phòng thí nghiệm trên Trái đất sẽ kéo dài một thập kỷ với sự tham gia của các đối tác châu Âu và nhiều trung tâm NASA. Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) đang phát triển một robot định vị cho việc thu gom mẫu vật, trong khi nhóm kỹ sư ở Trung tâm nghiên cứu Glenn của NASA tại Cleveland, Ohio, thiết kế bánh xe của thiết bị.

Robot này sẽ chuyển mẫu vật đến một tàu đổ bộ đang được phát triển tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JBL) của NASA ở Nam California. Tàu đổ bộ sẽ sử dụng một cánh tay robot (do ESA phát triển) để đưa các mẫu vào một tên lửa nhỏ, được gọi là Mars Ascent Vehicle - thiết kế bởi Trung tâm bay vũ trụ Marshall của NASA ở Huntsville, Alabama.

Tên lửa sẽ phóng từ tàu đổ bộ để đưa khoang chứa mẫu vật tới tàu vũ trụ ESA quay quanh sao Hỏa. Bên trong tàu quay quanh quỹ đạo, khoang chứa này sẽ được chuẩn bị để đưa về Trái đất nhờ phần cứng do nhóm chuyên gia của Trung tâm bay vũ trụ Goddard của NASA ở Greenbelt, Maryland, phát triển. Quá trình chuẩn bị sẽ bao gồm niêm phong khoang chứa mẫu trong một hộp vô trùng để bảo vệ vật chất sao Hỏa bên trong, khử trùng khóa, đặt mẫu vật vào hộp hồi quyển trước chuyến bay về Trái đất.

Để phát triển tàu đổ bộ cũng như hệ thống giúp phóng tên lửa chứa mẫu vật, các kỹ sư tại JPL rút kinh nghiệm từ lịch sử khám phá sao Hỏa lâu đời. JPL đã dẫn đầu 9 cuộc đổ bộ thành công trên sao Hỏa, bao gồm robot tự hành và trạm đổ bộ tĩnh. Nhưng tàu đổ bộ lấy mẫu sẽ là tàu vũ trụ cùng loại lớn nhất, nặng nhất từng đi đến sao Hỏa, trong khi Mars Ascent Vehicle là tên lửa đầu tiên cất cánh từ hành tinh khác.

Để mang và phóng tên lửa này đi lên sao Hỏa, tàu đổ bộ cần phải là một bệ phóng chắc chắn, nặng khoảng 2.400 kg - gần gấp đôi so với robot tự hành Perseverance. Tàu đổ bộ sẽ hạ cánh xuống bề mặt sao Hỏa bằng dây cáp từ hệ thống phản lực hoạt động bằng tên lửa. Các chân của tàu đổ bộ sẽ hấp thụ lực tác động khi tiếp đất, dựa vào tên lửa đẩy lùi để giảm tốc độ, tương tự nhiệm vụ sao Hỏa gần đây như InSight và Phoenix.

Đó là lý do tại sao kỹ sư Pavlina Karafillis đã nhiều lần thả một nguyên mẫu tàu đổ bộ trong một không gian giống như nhà kho tại JPL. Là kỹ sư thử nghiệm cho chân của tàu đổ bộ, cô và các đồng nghiệp đã sử dụng máy ảnh tốc độ cao để quan sát chân của nguyên mẫu này đập trên nền đất. Các dấu giống mã QR trên mỗi chân của nguyên mẫu giúp máy ảnh theo dõi chuyển động. Nhóm sử dụng video chuyển động chậm để liên tục cập nhật các mô hình máy tính, giúp họ hiểu rõ năng lượng sẽ được phân tán như thế nào trên tàu đổ bộ.

“Bước cuối cùng của cuộc hành trình thực sự quan trọng. Có rất nhiều môi trường hạ cánh mà bạn phải tính đến như đá, cát mềm hoặc tiếp cận ở một góc nghiêng. Đây là lý do tại sao chúng tôi phải thực hiện tất cả các thử nghiệm này”, Karafillis nói.

Karafillis và các đồng nghiệp bắt đầu với một nguyên mẫu kích thước gần bằng 1/3 so với tàu vũ trụ thực tế. Dùng một nguyên mẫu nhẹ hơn là cách để tìm hiểu thiết kế tàu đổ bộ cuối cùng sẽ di chuyển trong môi trường trọng lực thấp của sao Hỏa. Ở phần sau của chương trình, họ cũng sẽ thả rơi tàu đổ bộ kích cỡ thật.

Hạ cánh an toàn là một phần của thử thách. Việc phóng thành công tên lửa hai tầng dài 2,8 mét đặt trên sàn của tàu đổ bộ sẽ làm tăng thêm mức độ khó. Lực hấp dẫn của sao Hỏa chỉ bằng 1/3 Trái đất, do đó trọng lượng của tên lửa kết hợp với khí thải của nó có thể khiến tàu đổ bộ bị nghiêng hoặc đổ.

Vì vậy, các kỹ sư đã phát triển một hệ thống phóng tên lửa lên không trung ngay trước khi khai hỏa. Toàn bộ quá trình diễn ra trong tích tắc với tốc độ ném tên lửa ở mức 5 m/s.

Trong quá trình thử nghiệm, một bộ giàn trang bị van đẩy ném văng tên lửa giả dài 3,3 m lên không trung. Cáp treo từ tháp cao 13 m đỡ hơn 1/2 trọng lượng của nguyên mẫu để mô phỏng lực hấp dẫn của sao Hỏa.

Chris Chatellier, kỹ sư trưởng của hệ thống tại JPL cho biết: “Nó giống như đang ở trên một chiếc tàu lượn siêu tốc khi ai đó chạm vào chỗ nghỉ. Có rất nhiều khía cạnh an toàn cần phải xem xét”.

Hệ thống này được gọi là hệ thống Giải phóng đầu ra có điều khiển theo phương thẳng đứng (VECTOR). Nó cũng đồng thời tạo ra lực xoay nhẹ khi phóng, giúp đưa tên lửa lên và đi khỏi bề mặt sao Hỏa. “Khởi chạy với VECTOR có nghĩa là tàu đổ bộ có thể bị định hướng sai đường trên một con dốc. Tuy nhiên, chúng tôi vẫn có thể giải quyết vấn đề này”, Chatellier nói.

Chatellier và cộng sự đã thực hiện 23 thử nghiệm trong năm nay, thay đổi khối lượng và trọng tâm của tên lửa trong suốt quá trình. Năm sau, họ sẽ thử nghiệm phóng phiên bản tên lửa nặng hơn lên độ cao lớn hơn.

Chatellier và nhóm của ông đã thực hiện 23 cuộc thử nghiệm trong năm nay, làm thay đổi khối lượng và trọng tâm của tên lửa trên đường đi. Họ cũng thêm các lò xo vào phía dưới chân đế của tàu đổ bộ, theo dõi mức độ “nảy” mà hệ thống phóng tạo ra. Năm sau, họ sẽ thử nghiệm phóng phiên bản tên lửa nặng hơn lên độ cao lớn hơn.

“Chúng tôi đang đi đúng hướng. Các mô hình phân tích và dự đoán của chúng tôi rất gần với những gì xảy ra trong các thử nghiệm”, Chatellier cho biết.

Chương trình trả mẫu sao Hỏa (MSR) của NASA sẽ cách mạng hóa sự hiểu biết của con người về sao Hỏa bằng cách trả lại các mẫu đất đá được các nhà khoa học lựa chọn. Các mẫu này sẽ được nghiên cứu bằng các công cụ tiên tiến nhất trên thế giới. Sứ mệnh sẽ hoàn thành mục tiêu thăm dò hệ Mặt trời, một ưu tiên cao kể từ năm 1980.

Sự hợp tác chiến lược này của NASA và ESA sẽ là sứ mệnh đầu tiên trả lại các mẫu vật từ hành tinh khác về Trái đất. Những mẫu vật do robot Perseverance thu thập khi khám phá vùng châu thổ sông cổ đại là cơ hội tốt nhất để tìm hiểu sự tiến hóa của sao Hỏa ở thuở sơ khai, bao gồm khả năng tồn tại sự sống.