Sự khéo léo của máy bay trực thăng của NASA sẽ thực hiện chuyến bay đầu tiên trên sao Hỏa

Đã gần 120 năm kể từ khi anh em nhà Wright chứng minh rằng chuyến bay được điều khiển bằng động cơ có thể thực hiện được trên Trái đất. Giờ đây, NASA chuẩn bị chứng minh rằng điều đó có thể xảy ra trên một hành tinh khác.

Ingenuity, một chiếc trực thăng nặng 4 pound, sẽ thực hiện chuyến bay đầu tiên trong bầu khí quyển của hành tinh khác khi nó tới Sao Hỏa. Chiếc trực thăng cỡ pint hiện đang được gắn ở mặt dưới của tàu thám hiểm Perseverance của NASA, đang lao vút về phía Hành tinh Đỏ với ngày đến dự kiến ​​là ngày 18 tháng 2.

Máy bay trực thăng được coi là một cuộc trình diễn công nghệ, có nghĩa là việc thể hiện thành công khả năng của nó trong một loạt chuyến bay thử nghiệm là nhiệm vụ duy nhất của nó. Nếu mọi việc suôn sẻ, Ingenuity sẽ mở ra một kỷ nguyên mới cho việc khám phá địa hình gồ ghề của Sao Hỏa—đi đến những nơi mà máy thám hiểm không thể làm được và đưa ra một số đặc điểm nguy hiểm của hành tinh, chẳng hạn như các ống dung nham khổng lồ, để kiểm tra kỹ hơn.

Nếu sự so sánh của anh em nhà Wright có vẻ quá cường điệu, hãy xem xét điều sau: chưa từng có chiếc trực thăng nào bay cao hơn khoảng 40.000 feet trên hành tinh của chúng ta. Nhưng trên sao Hỏa, mật độ không khí chỉ bằng 1% mật độ của Trái đất – mỏng đến mức bay ở đó tương đương với việc cố gắng cất cánh ở độ cao 100.000 feet.

MiMi Aung, giám đốc dự án tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA (JPL), cho biết: “Bạn không thể chỉ mở rộng quy mô một chiếc trực thăng được thiết kế để bay trên Trái đất và mong đợi nó hoạt động trên Sao Hỏa”.

Để tạo ra đủ lực nâng, Aung và một nhóm kỹ sư do Bob Balaram của JPL dẫn đầu đã phải thiết kế lại máy bay cánh quạt truyền thống cho phù hợp với hình dạng và vật liệu của các cánh quạt, đồng thời tăng tốc đáng kể tốc độ quay của các cánh quạt đó. Sản phẩm cuối cùng có hai cánh quạt xếp chồng lên nhau có các cánh có đường kính khoảng 4 feet quay ngược chiều nhau với tốc độ 2.400 vòng/phút.

Nhưng việc tạo ra đủ lực nâng không phải là mối quan tâm duy nhất của nhóm. Để tạo ra một chiếc trực thăng có thể bay trên sao Hỏa, nhóm nghiên cứu đã phải đối mặt với nhiều thách thức khác nhau, từ việc chế tạo chiếc máy bay gần như hoàn toàn tự động cho đến việc cắt giảm trọng lượng của chiếc máy bay xuống một trọng lượng siêu nhẹ.

Aung cho biết, mặc dù lực hấp dẫn của sao Hỏa chỉ bằng khoảng 1/3 so với những gì chúng ta trải nghiệm trên Trái đất, nhưng việc giảm trọng lượng của Ingenuity là nỗi ám ảnh thường trực đối với những người tham gia dự án. Dù thế nào đi nữa, chiếc trực thăng phải nặng từ 4 pound trở xuống. Điều trở thành luật điều chỉnh của dự án xuất phát từ nhu cầu đặt Ingenuity bên dưới tàu thăm dò Perseverance, giới hạn chiều rộng của các cánh quạt của Ingenuity là 4 feet và do đó lực nâng bị hạn chế.

Balaram cho biết: “Mọi thứ chúng tôi làm để làm cho nó cực kỳ nhẹ đều bị cản trở bởi nhu cầu làm cho nó đủ mạnh để chịu được sự phóng và chuyến đi tới sao Hỏa”. “ Đó là một chiếc máy bay cũng cần phải trở thành một tàu vũ trụ thực sự.”

Aung nhớ lại một cuộc tranh cãi gay gắt nổ ra giữa Balaram vốn có thái độ ôn hòa bình thường và các thành viên của nhóm viễn thông, những người đã mắc sai lầm khi yêu cầu thêm ba gam (khoảng 0,1 ounce) cho thiết bị của họ. Aung nhớ lại: “Anh ấy nói rõ rằng họ cần phải tìm ra cách mà không cần thêm ba gam nữa”.

Một thách thức lớn khác mà nhóm JPL phải đối mặt là làm cho Ingenuity gần như tự động hoàn toàn, vì phải mất tối thiểu 5 phút để tín hiệu đến được Sao Hỏa. Các nhà thiết kế cũng cần phải làm sao để chiếc trực thăng không gây nguy hiểm cho sứ mệnh trị giá 2,5 tỷ USD của Perseverance. Điều đó đòi hỏi những cải tiến về an toàn như chỉ sạc pin hết công suất ngay trước chuyến bay để đảm bảo pin lithium ion của Ingenuity không có cơ hội sạc quá mức và phát nổ như điện thoại thông minh ngày xưa.

Balaram lần đầu tiên có ý tưởng trở thành xương sống trong thiết kế của Ingenuity vào những năm 1990. Ông và một số đồng nghiệp đã đề xuất ý tưởng về máy bay trực thăng sao Hỏa cho NASA vào đầu những năm 2000 và nhận được tài trợ trong một năm để thực hiện nó, nhưng cuối cùng thì tiền cạn kiệt và ý tưởng này bị gác lại.

Hơn một thập kỷ sau, Aung cho biết giám đốc JPL lúc bấy giờ là Charles Elachi đã thấy một bài nói chuyện đã truyền cảm hứng cho ông trả lại JPL bằng một câu hỏi thẳng thừng dành cho nhóm của mình: Tại sao chúng ta không bay trên sao Hỏa? Ai đó trong phòng nhớ lại công việc của Balaram và quả bóng lại bắt đầu lăn. Sau một vòng thử nghiệm đầy hứa hẹn, JPL đã bổ sung Aung làm giám đốc dự án vào năm 2014.

Khi dự án tiến xa hơn, một thách thức mới buộc nhóm phải đổi mới ở một khía cạnh khác: thử nghiệm. Trước đây chưa có ai từng thử bay trên sao Hỏa và vì vậy nhóm nghiên cứu phải tìm ra cách để tái tạo không khí loãng, trọng lực thấp hơn và thậm chí một chút thời tiết trên sao Hỏa.

Vào tháng 12 năm 2014, nhóm nghiên cứu đã hút gần như toàn bộ không khí ra khỏi buồng chân không tại JPL cho đến khi nó có mật độ phù hợp với bầu khí quyển của Sao Hỏa. Sau đó, họ quay các lưỡi dao của nguyên mẫu. Chiếc máy bay cất cánh khỏi mặt đất, lần đầu tiên chứng tỏ rằng có thể bay trong không khí loãng như vậy. Nhưng chiếc trực thăng được điều khiển bằng cần điều khiển lắc lư và nảy lên khỏi mặt đất giống như một chú chim con rời tổ lần đầu tiên trước khi lao xuống sườn, khiến các mảnh cánh của nó bay tứ tung. Thang máy đã có nhưng bộ điều khiển thì không.

Trong quá trình phân tích thử nghiệm đó, Balaram và nhóm nghiên cứu nhận ra rằng họ cần phải thay đổi lưỡi dao của nguyên mẫu. Trên Trái đất, các cánh quạt máy bay trực thăng quay tròn bắt đầu đập lên xuống với tốc độ cao, nhưng không khí đủ dày để làm giảm tốc độ đập trước khi nó vượt khỏi tầm kiểm soát. Tuy nhiên, trong không khí mô phỏng của sao Hỏa, cú vỗ đó đã khiến chiếc trực thăng trẻ mất ổn định. Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu đã chế tạo các lưỡi dao bằng sợi carbon siêu cứng, điều quan trọng là sợi carbon này cũng rất nhẹ.

Sau khi giải quyết vấn đề kiểm soát chuyến bay, nhóm cần giải quyết vấn đề gần như tự chủ hoàn toàn. Havard Grip, một kỹ sư đứng đầu nhóm hướng dẫn, điều hướng và điều khiển của dự án, cần phát triển sự kết hợp phù hợp giữa cảm biến và thuật toán để cho phép máy bay trực thăng giữ ổn định và đi đúng mục tiêu. Vào tháng 5 năm 2016, cuộc thử nghiệm lớn tiếp theo chứng kiến ​​chiếc Ingenuity non trẻ cất cánh khỏi mặt đất và bay lơ lửng đều đặn, nhưng chiếc trực thăng vẫn được buộc vào nguồn điện và một máy tính ở hậu trường bằng một đoạn dây treo lủng lẳng. Trong hai năm tiếp theo, nhóm nghiên cứu đã đóng gói tất cả các bộ phận cần thiết để bay trên Sao Hỏa—tấm pin mặt trời, pin, thông tin liên lạc và bộ xử lý—vào một gói chỉ nặng dưới 4 pound và về cơ bản có thể tự bay.

Cuộc thử nghiệm cuối cùng đối với nguyên mẫu được nạp đầy đủ diễn ra vào tháng 1 năm 2018. Các kỹ sư đã tạo ra một môi trường bay thậm chí còn giống với sao Hỏa hơn. Họ treo một dây câu kéo nhẹ nguyên mẫu lên trên để mô phỏng lực hấp dẫn giảm của Hành tinh Đỏ và làm tràn carbon dioxide vào buồng bay để mô phỏng gần hơn thành phần của không khí sao Hỏa. Chiếc trực thăng cất cánh, bay lượn và thực hiện một động tác đo lường từ bên này sang bên kia, trông giống như một ý tưởng đã trưởng thành thành một thứ gì đó có thật.

Cuối cùng cũng đến lúc cả nhóm tập hợp được Ingenuity thực sự. Quá trình xây dựng căng thẳng cuối cùng đó diễn ra bên trong một căn phòng sạch sẽ với các thiết bị và bộ phận được khử trùng tỉ mỉ để đảm bảo rằng chiếc trực thăng đang theo đuổi sứ mệnh tìm kiếm các dấu hiệu cổ xưa của sự sống trên Sao Hỏa sẽ không mang theo bất kỳ chất gây ô nhiễm sinh học nào. Giờ đây, Ingenuity bị buộc vào gầm của Perseverance khi toàn bộ sứ mệnh lao xuyên không gian tới Sao Hỏa.

Vào ngày 18 tháng 2, khi trực thăng đến Hành tinh Đỏ, nó sẽ phải đối mặt với môi trường khô và lạnh, nơi nhiệt độ ban đêm có thể giảm mạnh xuống -130 độ F. Sau một vài tuần đảm bảo mọi thứ hoạt động như mong đợi, Perseverance sẽ di chuyển đến một khu đất bằng phẳng thích hợp để thả Ingenuity. Sau khi đặt chiếc trực thăng xuống nền đất màu rỉ sét, Kiên trì sẽ lái xe đi vòng quanh một sân bóng.

Trong vòng 30 ngày tiếp theo, Ingenuity có kế hoạch thực hiện tối đa 5 chuyến bay ngày càng đầy tham vọng. Chuyến bay lịch sử đầu tiên tới một thế giới khác sẽ chỉ là một chuyến bay lượn đơn giản.

Nick Roy, nhà nghiên cứu chuyên về robot tự động tại Viện Công nghệ Massachusetts, cho biết: “Ý tưởng về chuyến bay đầu tiên phải hoạt động trong những điều kiện mà bạn chưa từng trải qua thật là tuyệt vời. “Bạn có thể thực hiện tất cả các thử nghiệm và phân tích mà bạn muốn nhưng cuối cùng, bạn sẽ cất cánh và bay trong điều kiện mà chúng tôi chưa bao giờ bay đến trên Trái đất.”

Nếu mọi việc suôn sẻ, các chuyến bay thử nghiệm sẽ đạt đến đỉnh cao với chuyến đi ngang qua địa hình sao Hỏa dài 500 feet. Mặc dù Ingenuity không có mục tiêu khoa học nhưng nó có một cặp máy ảnh có khả năng cung cấp hình ảnh về Hành tinh Đỏ từ một góc nhìn hoàn toàn mới.

Những hình ảnh đó có thể cung cấp cái nhìn thoáng qua về cách các máy bay trực thăng trong tương lai có thể biến đổi khả năng của NASA trên Sao Hỏa và thậm chí cả các hành tinh khác. Dave Lavery, giám đốc chương trình Ingenuity tại trụ sở NASA, cho biết: “Nếu nỗ lực này thành công, nó sẽ mở ra một phương pháp hoàn toàn mới để chúng ta có thể khảo sát bề mặt sao Hỏa”. “Bạn muốn biết có gì ở ngọn đồi tiếp theo.”

Erik Conway, một nhà sử học tại JPL có nhiệm vụ lập danh mục những thành công và khó khăn của nó, nói rằng chỉ cần bao phủ nhiều mặt đất nhanh hơn trên Sao Hỏa sẽ làm nên điều kỳ diệu cho việc khám phá bề mặt của chúng ta. Ông nói: “Chúng tôi đã hạ cánh chưa đến mười thứ trên toàn bộ sao Hỏa. “Nếu bạn cố thuyết phục tôi rằng bạn biết mọi thứ cần biết về Trái đất bằng cách hạ cánh ở mười điểm, tôi sẽ cười nhạo bạn.”

Balaram cho biết các phiên bản trực thăng trên sao Hỏa trong tương lai có thể nặng tới 50 pound, bao gồm khoảng 8 pound dụng cụ khoa học và có thể chuyển sang trở thành máy bay trực thăng sáu cánh giống như một số thiết kế máy bay không người lái đã bay ở đây trên Trái đất.

Nếu Ingenuity thành công và đạt được chuyến bay có kiểm soát trên sao Hỏa, Lavery nói rằng nó sẽ “phá vỡ con đập. Nếu chúng ta có thể làm được điều đó trên sao Hỏa… thì chúng ta cũng có thể làm được điều đó ở những nơi khác.” NASA đã có một sứ mệnh tương tự mang tên Dragonfly trong kế hoạch bay một tàu cánh quạt chạy bằng năng lượng hạt nhân trên mặt trăng Titan của Sao Thổ, nơi không khí dày hơn.

Tuy nhiên, tất cả những khả năng này đều xoay quanh từ “nếu”.

Aung nói: “Chuyến bay đầu tiên trên sao Hỏa sẽ là cuộc thử nghiệm cuối cùng, cuối cùng. “Không ai biết liệu điều này có khả thi hay không và bây giờ chúng tôi cần thêm một chuyến bay nữa để chứng minh điều đó”.