Từ tàu đổ bộ Mặt trăng Apollo những năm 1960 đến tàu vũ trụ Orion mới trong chương trình Artemis của NASA, thiết kế của Mỹ đều dựa vào 1 động cơ chính duy nhất, có công suất lớn để thực hiện những nhiệm vụ quan trọng nhất.
Ở giai đoạn hạ cánh, 1 động cơ chính kiểm soát toàn bộ quá trình giảm độ cao từ quỹ đạo Mặt trăng xuống bề mặt. Ở giai đoạn cất cánh trở lại, cũng chính động cơ này là “tấm vé duy nhất” đưa phi hành gia trở về.
Nếu động cơ đó gặp trục trặc, sẽ không có hệ thống dự phòng nào thay thế. Theo bài báo trên tạp chí Khoa học và Công nghệ vũ trụ Trung Quốc, thiết kế này rõ ràng có điểm yếu.
Ngược lại, tàu đổ bộ Mặt trăng của Trung Quốc không đặt niềm tin vào 1 động cơ duy nhất mà sử dụng tới 4 động cơ chính.
Theo nhóm nghiên cứu làm việc tại phòng thí nghiệm quốc gia ở Thượng Hải, tàu đổ bộ Trung Quốc sẽ được trang bị 4 động cơ biến thiên lực đẩy. Tổng lực đẩy của chúng đạt hơn 30 kilonewton.
Ngay cả khi 1 động cơ hỏng hoàn toàn, 3 động cơ còn lại vẫn có thể tạo ra lực đẩy tương đương với toàn bộ động cơ chính của tàu Orion.
Lớp bảo vệ an toàn còn có thêm 1 tầng dự phòng khác. Nếu hệ thống động cơ chính bị vô hiệu hóa, tàu vẫn có thể sử dụng 6 động cơ cỡ nhỏ để hỗ trợ quá trình cất cánh khẩn cấp từ bề mặt Mặt trăng.
Tuy nhiên, nếu 4 động cơ an toàn hơn 1 động cơ, tại sao không phải quốc gia nào cũng áp dụng cách này?
Câu trả lời nằm ở trọng lượng.
“Đột phá về cấu trúc”
Nhiều động cơ hơn đồng nghĩa với khối lượng lớn hơn. Nhóm nghiên cứu Trung Quốc cho biết họ đã giải quyết vấn đề này bằng thiết kế được mô tả là “đột phá về cấu trúc”: bồn chứa nhiên liệu dạng vách ngăn chung.
Lần đầu tiên trên phương tiện không gian có người hoạt động ở không gian sâu sử dụng hệ thống cấp nhiên liệu bằng áp suất, Trung Quốc áp dụng thiết kế trong đó bình chứa chất oxy hóa và nhiên liệu dùng chung 1 vách ngăn.
Trong các thiết kế trước đây, tàu đổ bộ phải sử dụng 2 bình chứa riêng biệt, khiến trọng lượng kết cấu tăng gấp đôi và làm giảm không gian sử dụng.
Theo các nhà nghiên cứu, việc cho phép 2 loại nhiên liệu dùng chung vách ngăn giúp loại bỏ phần kết cấu dư thừa, tiết kiệm hàng trăm kilogram trọng lượng.
Phần trọng lượng tiết kiệm được cho phép lắp 4 thay vì 1 động cơ. Nhờ sử dụng vật liệu composite, bồn chứa mới nhẹ hơn 20% so với thiết kế kim loại truyền thống.
Kết cấu này cũng được thiết kế để chịu tải, đóng vai trò như một phần khung của tàu vũ trụ, từ đó tối ưu hóa hơn nữa khối lượng tổng thể.
Bài nghiên cứu cũng công bố dữ liệu từ các cuộc thử nghiệm đốt nóng toàn hệ thống. Kết quả cho thấy nhóm phát triển đã đồng bộ hóa được 4 động cơ biến thiên lực đẩy với sai lệch lực đẩy dưới 100 Newton, bảo đảm tàu đổ bộ không bị mất ổn định hoặc quay lộn nguy hiểm trong quá trình hạ cánh.
Các thử nghiệm chứng minh áp suất trong hệ thống bồn chứa vách ngăn chung – vốn được xem là thách thức kỹ thuật lớn – có thể được kiểm soát hiệu quả.
Theo các tác giả, quốc gia khác nếu muốn sao chép thiết kế 4 động cơ kết hợp bồn chứa vách ngăn chung này, họ sẽ phải làm chủ công nghệ điều khiển áp suất tự động với biên độ an toàn cực nhỏ.
Ngoài ra, họ còn phải đạt được khả năng đồng bộ lực đẩy giữa nhiều động cơ điều chỉnh công suất liên tục – bài toán có độ phức tạp tăng theo cấp số nhân khi số lượng động cơ tăng lên.
Hệ thống đổ bộ có người (Starship Human Landing System) của SpaceX là phương tiện bằng thép không gỉ cao khoảng 50m, được thiết kế để đáp xuống bề mặt Mặt trăng.
Dù tham vọng của dự án rất lớn, nhiều chuyên gia hàng không vũ trụ kỳ cựu lo ngại rằng việc hạ cánh một phương tiện cao như vậy trên Mặt trăng là bài toán vật lý cực kỳ phức tạp, tiềm ẩn rủi ro lớn cho phi hành đoàn.
Chương trình Artemis của NASA đã gặp phải một số vấn đề kỹ thuật, như rò rỉ khí nitơ và hư hỏng lớp phủ bảo vệ của tấm chắn nhiệt trong các chuyến bay thử nghiệm có người. Những sự cố này có thể trở nên nghiêm trọng nếu không được khắc phục triệt để.
Mỹ đang chịu áp lực lớn phải đưa con người trở lại Mặt trăng trước khi Trung Quốc thực hiện thành công sứ mệnh đổ bộ hành tinh này.
