Một chuyến bay đến mặt trăng mất bao lâu? Các yếu tố xác định thời gian chuyến bay đến vệ tinh mặt trăng

Chuyến đi tới mặt trăng không phải là chuyện trong vài giờ. Thời gian mà tàu vũ trụ cần để thực hiện chuyến đi này có thể dao động từ tám giờ đến vài tháng. Sự đa dạng này không phải là ngẫu nhiên – sự khác biệt về thời gian bay phụ thuộc vào nhiều yếu tố kỹ thuật, vật lý và kế hoạch, ảnh hưởng đến từng nhiệm vụ mặt trăng.

Những yếu tố quyết định thời gian chuyến đi tới mặt trăng?

Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến thời gian bay là lượng nhiên liệu quyết định sử dụng cho nhiệm vụ. Các kỹ sư phải giải quyết bài toán nan giải: nhiều nhiên liệu hơn sẽ cho phép chuyến đi nhanh hơn, nhưng tàu sẽ nặng hơn và nhiệm vụ đắt đỏ hơn. Ngược lại, tiêu thụ ít nhiên liệu hơn sẽ kéo dài chuyến đi, nhưng giúp giảm chi phí và trọng lượng phương tiện.

Yếu tố then chốt tiếp theo là lựa chọn quỹ đạo quỹ đạo. Các cơ quan vũ trụ có thể chọn quỹ đạo tiêu thụ năng lượng cao, giúp tàu nhanh chóng đến mặt trăng, hoặc quỹ đạo ít tiêu thụ hơn, sử dụng lực hấp dẫn của Trái Đất và mặt trăng. Trong chuyển tiếp tiết kiệm năng lượng, tàu vũ trụ ban đầu sẽ bay quanh Trái Đất nhiều lần để tích lũy tốc độ cần thiết cho hành trình tới mặt trăng – quá trình này chậm hơn nhưng tiết kiệm.

Thông số kỹ thuật của hệ thống tên lửa cũng đóng vai trò. Loại tên lửa, lực đẩy của nó và khả năng mang tải trọng nhất định vào không gian ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng thiết kế nhiệm vụ. Theo Mark Blanton của NASA, tất cả các yếu tố này liên kết chặt chẽ với nhau: “Kích thước tàu vũ trụ phụ thuộc vào kích thước của tàu và phi hành đoàn. Khi tất cả các tham số đã xác định, các chuyên gia sẽ tính toán tuyến đường tối ưu phù hợp với giới hạn năng lượng, thời gian và tài chính.”

Các ví dụ lịch sử và thời gian bay của chúng

Khi xem xét các nhiệm vụ thực tế, ta thấy rõ sự khác biệt lớn. Vệ tinh không người lái đầu tiên của loài người tới mặt trăng, Luna 1 của Liên Xô năm 1959, đã đến khu vực mục tiêu sau 34 giờ. Dù không hạ cánh mềm (đi qua cách mặt đất 5995 km), nó đã chứng minh rằng chuyến đi tới mặt trăng về mặt kỹ thuật là khả thi.

Vệ tinh nhanh nhất tới mặt trăng là New Horizon, do NASA phóng năm 2006 để nghiên cứu Pluto. Tàu này bay quanh mặt trăng chỉ sau 8 giờ 35 phút sau khi rời khỏi Trái Đất. Tuy nhiên, New Horizon không nhắm tới mặt trăng như mục tiêu chính – nó chỉ đi ngang qua.

Khi các phi hành gia thực sự quyết định hạ cánh xuống mặt trăng, thời gian dài hơn. Phi hành đoàn Apollo 11 năm 1969 mất 109 giờ 42 phút từ lúc rời khỏi Trái Đất đến bước chân đầu tiên của Neil Armstrong trên bề mặt. Thời gian dài hơn này do lựa chọn quỹ đạo an toàn, tối ưu năng lượng và chuẩn bị cho việc hạ cánh.

Các nhiệm vụ hiện đại còn thể hiện phạm vi rộng hơn nữa. Năm 2019, tàu robot Israel Beresheet được phóng, do quỹ đạo năng lượng thấp, đã bay quanh Trái Đất khoảng sáu tuần trước khi đủ tốc độ để tới mặt trăng. Beresheet va chạm vào mặt trăng (không hạ cánh mềm) sau 48 ngày kể từ khi phóng, thể hiện sự khác biệt rõ rệt so với các nhiệm vụ nhanh hơn.

Kỷ lục về thời gian dài nhất là của NASA với tàu CAPSTONE năm 2022. CubeSat nhỏ chỉ nặng 25 kg này mất 4,5 tháng để từ Trái Đất tới quỹ đạo mặt trăng. CAPSTONE được gửi theo quỹ đạo cực kỳ tiết kiệm năng lượng để thử nghiệm cấu hình quỹ đạo mới mà NASA dự định dùng cho trạm Gateway trong tương lai. Dù dài, nó là ví dụ về chiến lược chọn thời gian và hành trình phù hợp với mục đích khoa học cụ thể.

Các khía cạnh kỹ thuật và các thao tác quỹ đạo

Để một tàu vũ trụ từ Trái Đất tới mặt trăng, cần vượt qua nhiều thách thức. Khoảng 60 đến 90 phần trăm trọng lượng khi phóng là nhiên liệu. Nhiên liệu này giúp vượt qua trọng lực Trái Đất và đạt vận tốc quỹ đạo. Khi tàu đã ở quỹ đạo, nó phải thực hiện các thao tác chính xác đốt nhiên liệu để đạt quỹ đạo tối ưu hướng tới mặt trăng. Càng giữ lại nhiều nhiên liệu cho các bước sau, càng tốt – vì vậy các kỹ sư tính toán từng gram.

Lực hấp dẫn của Trái Đất và mặt trăng có thể được tận dụng để hỗ trợ nhiệm vụ. Thông qua các quỹ đạo như Halo hoặc các chuyển tiếp dựa trên lực hấp dẫn, tàu có thể di chuyển gần như không tiêu thụ nhiên liệu. Nhờ đó, các chuyến bay dài như CAPSTONE có thể thực hiện theo quỹ đạo heliocentric với tiêu thụ nhiên liệu tối thiểu.

Khoảng cách từ mặt trăng tới Trái Đất khoảng 384.400 km, khá nhỏ so với quy mô vũ trụ. Tuy nhiên, hành trình không đơn giản vì mặt trăng luôn chuyển động trên quỹ đạo của nó, đòi hỏi các phép tính định hướng cực kỳ chính xác.

Kết luận: Chuyến đi phụ thuộc mục đích nhiệm vụ

Câu trả lời về thời gian đi tới mặt trăng không đơn giản. Trong khi tàu New Horizon đi qua mặt trăng chưa đầy chín giờ và Apollo 11 hạ cánh sau hơn bốn ngày, CAPSTONE mất gần năm tháng. Mỗi lựa chọn đều có lý do riêng.

Thời gian đi tới mặt trăng thực sự phụ thuộc vào sự kết hợp của các yếu tố: mục tiêu nhiệm vụ, công nghệ sẵn có, ngân sách và phương pháp chọn lựa. Các kỹ sư và đội ngũ khoa học của NASA cùng các cơ quan vũ trụ khác phải cân nhắc xem ưu tiên tốc độ hay hiệu quả, an toàn hay tiết kiệm chi phí. Mỗi nhiệm vụ mặt trăng đều là một giải pháp độc đáo cho bài toán phức tạp của việc du hành tới một trong những thiên thể gần nhất.