NASA chuẩn bị phóng CAPSTONE 02: Sứ mệnh mở đường xây dựng hạ tầng quanh Mặt Trăng cho kỷ nguyên Artemis

NASA đang tiến thêm một bước quan trọng trong tham vọng đưa con người trở lại Mặt Trăng và xây dựng sự hiện diện lâu dài ngoài không gian. Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ vừa công bố kế hoạch triển khai CAPSTONE 02, một sứ mệnh công nghệ dự kiến phóng vào năm 2027 nhằm thử nghiệm các hệ thống điều hướng tự động, khả năng kết nối liên lạc và kỹ thuật gặp gỡ – ghép nối tàu vũ trụ trong không gian quanh Mặt Trăng. Đây được xem là một trong những viên gạch nền tảng cho chương trình Artemis và kế hoạch xây dựng Moon Base (Căn cứ Mặt Trăng), giúp NASA cùng các đối tác thương mại chuẩn bị cho các chuyến bay có người lái kéo dài và những sứ mệnh thám hiểm không gian sâu trong tương lai. Tiếp nối thành công của CAPSTONE đầu tiên. CAPSTONE là viết tắt của Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment – chương trình thử nghiệm hệ thống định vị và điều hướng tự động trong không gian giữa Trái Đất và Mặt Trăng. Sứ mệnh CAPSTONE đầu tiên đã đi vào lịch sử khi trở thành chuyến bay thương mại đầu tiên của Mỹ tới Mặt Trăng, đồng thời là tàu vũ trụ đầu tiên hoạt động thành công trên quỹ đạo Near Rectilinear Halo Orbit (NRHO) – một quỹ đạo đặc biệt quanh Mặt Trăng. Khác với các quỹ đạo truyền thống, NRHO tận dụng đồng thời lực hấp dẫn của Trái Đất và Mặt Trăng để tạo nên một quỹ đạo gần như ổn định, giúp tàu tiêu thụ ít nhiên liệu hơn nhưng vẫn duy trì được khả năng tiếp cận bề mặt Mặt Trăng. Đây cũng chính là quỹ đạo mà NASA dự định sử dụng cho Gateway – trạm vũ trụ sẽ quay quanh Mặt Trăng và đóng vai trò như "cảng trung chuyển" cho các phi hành gia trong chương trình Artemis. Trong sứ mệnh đầu tiên, CAPSTONE đã chứng minh thành công khả năng: Điều hướng tự động trong không gian cận Mặt Trăng. Liên lạc giữa các tàu vũ trụ. Truyền dữ liệu mà không phụ thuộc hoàn toàn vào các trạm điều khiển trên Trái Đất. Thu thập kinh nghiệm vận hành trong môi trường không gian sâu. CAPSTONE 02 sẽ tiếp tục phát huy những thành quả này nhưng với mục tiêu tham vọng hơn: thử nghiệm các công nghệ phục vụ trực tiếp cho các chuyến bay có người lái.

Hai tàu vũ trụ cùng hoạt động quanh Mặt Trăng. Khác với phiên bản đầu tiên chỉ sử dụng một tàu, CAPSTONE 02 sẽ đưa hai tàu vũ trụ giống hệt nhau lên quỹ đạo Mặt Trăng. Hai tàu, mỗi chiếc có khối lượng khoảng 400 kg, do Terran Orbital Systems chế tạo theo hợp đồng với NASA và đối tác Advanced Space. Trong quá trình hoạt động, hai tàu sẽ liên tục thay đổi vai trò giữa: Tàu đuổi (Chaser) – chủ động tiếp cận. Tàu mục tiêu (Target) – đóng vai trò điểm hẹn. Điều này cho phép NASA mô phỏng nhiều tình huống khác nhau mà các phi hành gia và tàu đổ bộ sẽ phải thực hiện trong các sứ mệnh tương lai. Thử nghiệm kỹ thuật ghép nối trong môi trường phức tạp. Một trong những mục tiêu quan trọng nhất của CAPSTONE 02 là kiểm chứng công nghệ Rendezvous and Proximity Operations (RPO) – tập hợp các kỹ thuật giúp hai tàu vũ trụ có thể: Xác định vị trí của nhau. Tiếp cận an toàn. Bay song song theo đội hình. Chuẩn bị cho quá trình ghép nối. Những thao tác này đã được thực hiện nhiều lần ở quỹ đạo thấp quanh Trái Đất, chẳng hạn khi các tàu tiếp tế ghép nối với Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS). Tuy nhiên, môi trường quanh Mặt Trăng phức tạp hơn rất nhiều. Thay vì chỉ chịu tác động của lực hấp dẫn Trái Đất, các tàu phải đồng thời chịu ảnh hưởng từ lực hút của cả Trái Đất và Mặt Trăng, tạo nên cái gọi là quỹ đạo ba vật thể (Three-body Orbit). Điều này khiến việc dự đoán quỹ đạo trở nên khó khăn hơn và đòi hỏi các hệ thống điều hướng chính xác hơn rất nhiều.

Chuẩn bị cho các phi hành gia Artemis. NASA cho biết các công nghệ được thử nghiệm trên CAPSTONE 02 sẽ đóng vai trò trực tiếp trong các chuyến bay Artemis. Trong tương lai, tàu Orion sẽ đưa các phi hành gia đến quỹ đạo quanh Mặt Trăng. Từ đây, họ sẽ phải chuyển sang tàu đổ bộ để hạ cánh xuống bề mặt. Sau khi hoàn thành nhiệm vụ, tàu đổ bộ sẽ quay trở lại quỹ đạo và ghép nối với Orion để đưa phi hành đoàn trở về Trái Đất. Toàn bộ quá trình này đòi hỏi độ chính xác cực cao. Chỉ một sai số nhỏ trong điều hướng cũng có thể khiến hai tàu không thể gặp nhau hoặc tiêu tốn lượng nhiên liệu lớn để điều chỉnh quỹ đạo. Do điều kiện này không thể mô phỏng hoàn toàn trên Trái Đất, NASA buộc phải thử nghiệm trực tiếp trong không gian.

AI và điều hướng tự động sẽ đóng vai trò ngày càng lớn. CAPSTONE 02 cũng sẽ là phòng thí nghiệm bay để kiểm nghiệm ba bộ phần mềm điều hướng do NASA phát triển. Các phần mềm này được thiết kế nhằm: Tự động hóa các thao tác điều hướng thông thường. Giảm phụ thuộc vào việc điều khiển từ Trái Đất. Cho phép các tàu tự phối hợp với nhau. Hỗ trợ những nhiệm vụ có nhiều tàu hoạt động đồng thời. Một điểm nổi bật là việc tiếp tục phát triển hệ thống Cislunar Autonomous Positioning System (CAPS). Thay vì liên tục nhận tín hiệu từ các trạm mặt đất, CAPS cho phép tàu vũ trụ tự xác định vị trí của mình bằng cách trao đổi dữ liệu với các tàu khác trong cùng khu vực. Mô hình này được ví như một "hệ thống GPS ngoài không gian", nhưng hoạt động độc lập mà không cần mạng lưới vệ tinh như trên Trái Đất. Nếu thành công, đây sẽ là bước tiến lớn giúp các sứ mệnh tương lai vận hành linh hoạt hơn và giảm tải cho mạng lưới điều khiển dưới mặt đất. Sử dụng nhiều nguồn dữ liệu để xác định vị trí. Trong quá trình thử nghiệm, CAPSTONE 02 sẽ kết hợp nhiều phương pháp điều hướng khác nhau. Các tàu sẽ sử dụng: Dữ liệu theo dõi từ các trạm mặt đất. Cảm biến quang học. Hình ảnh các thiên thể. Hệ thống định vị tự động giữa các tàu. Ngoài ra, sứ mệnh còn mang theo một thiết bị chụp ảnh quang học do Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore phát triển. Thiết bị này vừa hỗ trợ việc định vị, vừa ghi lại hình ảnh chi tiết của Mặt Trăng phục vụ nghiên cứu khoa học. Xây dựng hạ tầng cho nền kinh tế không gian quanh Mặt Trăng. Theo NASA, CAPSTONE 02 không chỉ phục vụ riêng chương trình Artemis. Những công nghệ được kiểm chứng trong sứ mệnh này sẽ góp phần hình thành hạ tầng cận Mặt Trăng (cislunar infrastructure) – mạng lưới bao gồm các tàu vận tải, vệ tinh liên lạc, hệ thống định vị và các dịch vụ thương mại hoạt động giữa Trái Đất và Mặt Trăng. Trong tương lai, khu vực này được kỳ vọng sẽ trở thành một "xa lộ không gian", nơi các tàu vũ trụ từ nhiều quốc gia và doanh nghiệp tư nhân có thể hoạt động thường xuyên. Việc xây dựng hạ tầng này được xem là điều kiện tiên quyết trước khi con người có thể thiết lập các căn cứ nghiên cứu lâu dài trên Mặt Trăng và tiến xa hơn tới Sao Hỏa. Thiết kế hướng tới chi phí thấp và khả năng mở rộng. Một điểm đáng chú ý khác của CAPSTONE 02 là triết lý thiết kế. Thay vì phát triển những tàu vũ trụ khổng lồ với chi phí hàng tỷ USD, NASA đang hướng tới các tàu nhỏ gọn, có giá thành thấp hơn, dễ sản xuất và có thể triển khai nhanh. Nếu mô hình này chứng minh được hiệu quả, nhiều sứ mệnh tương tự có thể được lặp lại với chi phí thấp hơn, tạo điều kiện để khu vực tư nhân tham gia mạnh mẽ hơn vào hoạt động thám hiểm không gian. Đặt nền móng cho kỷ nguyên khám phá Mặt Trăng. Ông Sean Fuller, Giám đốc chương trình CAPSTONE thuộc dự án Moon Base của NASA, cho biết CAPSTONE 02 là một cột mốc quan trọng trong việc hoàn thiện các công nghệ cần thiết cho hoạt động quanh Mặt Trăng. Theo ông, sứ mệnh không chỉ kế thừa những kinh nghiệm từ CAPSTONE đầu tiên mà còn mở rộng sang các thử nghiệm phức tạp hơn, tạo nền tảng cho hạ tầng không gian, các dịch vụ thương mại và các chuyến thám hiểm có người lái trong nhiều thập kỷ tới. Được tài trợ bởi Ban Sứ mệnh Không gian Có người lái (Human Spaceflight Mission Directorate) với sự hỗ trợ của Ban Sứ mệnh Nghiên cứu và Công nghệ (Research and Technology Mission Directorate), CAPSTONE 02 sẽ do bộ phận Small Spacecraft & Distributed Systems tại Trung tâm Nghiên cứu Ames của NASA ở Thung lũng Silicon quản lý. Nếu thành công, CAPSTONE 02 sẽ không chỉ giúp NASA tự tin hơn trong các sứ mệnh Artemis mà còn đặt nền móng cho một hệ sinh thái giao thông và hạ tầng quanh Mặt Trăng, mở đường cho mục tiêu dài hạn là xây dựng căn cứ thường trực trên vệ tinh tự nhiên của Trái Đất và tiến xa hơn vào không gian sâu.