Những kinh nghệm và thử nghiệm ban đầu

Các tên lửa ngày nay thuộc về những bộ sưu tập tài trí của con người có gốc rễ của chúng trong nền khoa học và công nghệ của quá khứ. Chúng là những sản phẩm phát sinh tự nhiên qua hàng nghìn năm thí nghiệm và nghiên cứu về tên lửa và sức đẩy tên lửa.

 Một trong những dụng cụ đầu tiên sử dụng thành công các nguyên lí cơ bản cho chuyển động bay của tên lửa là con chim gỗ. Các tác phẩm của Aulus Gellius, một người La Mã, có kể lại câu chuyện một người Hi Lạp tên là Archytas sinh sống ở thành phố Tarentum, nay là một phần miền nam Italy. Khoảng chừng năm 400 trước Công nguyên, Archytas đã khiến các công dân thành Tarentum hoang mang và thích thú bởi việc cho bay một con bồ câu gỗ. Hơi nước thoát ra đẩy con chim lơ lửng trên những sợi dây. Con bồ câu ấy sử dụng nguyên lí tác dụng-phản tác dụng, cái không được phát biểu thành một định luật khoa học mãi cho đến thế kỉ 17.

 Khoảng 300 năm sau sự kiện con bồ câu gỗ, một người Hi Lạp khác, Hero xứ Alexandria, đã phát minh ra một dụng cụ kiểu tên lửa tương tự gọi là aeolipile. Nó cũng sử dụng hơi nước làm chất khí đẩy. Hero gắn một quả cầu trên một ấm đun nước. Lửa bên dưới ấm biến nước thành hơi nước, và hơi truyền qua các ống sang quả cầu. Hai ống hình chữ L ở hai phía đối diện nhau của quả cầu cho phép hơi thoát ra ngoài, và khi làm như vậy, sức đẩy tác dụng lên quả cầu làm cho nó quay tròn.
Động cơ Hero
Chính xác khi nào tên lửa thật sự đầu tiên xuất hiện thì không rõ. Câu chuyện các dụng cụ kiểu tên lửa sơ khai lác đác xuất hiện trong sử liệu của nhiều nền văn hóa khác nhau. Có lẽ những tên lửa đích thực đầu tiên là bất ngờ. Vào thế kỉ thứ nhất sau Công nguyên, người Trung Hoa tường trình họ đã có một dạng đơn giản của thuốc súng chế tạo từ muối nitrat, sunfua và bụi than. Họ sử dụng thuốc súng chủ yếu để bắn pháo hoa trong những dịp lễ tết và tín ngưỡng. Để tạo ra những tiếng nổ trong các kì lễ hội, họ chứa đầy hợp chất trên vào trong các ống tre và quăng chúng vào lửa. Có lẽ một số ống trong những ống đó đã không nổ và thay vào đó đã bay ra khỏi lửa, được đẩy tới bởi chất khí và tia lửa tạo ra từ thuốc súng đang cháy.

 Người Trung Hoa bắt đầu làm thí nghiệm với các ống chứa thuốc súng. Một lúc nào đó, họ đã gắn ống tre ấy vào các mũi tên và dùng cung tên phóng chúng đi. Không lâu sau, họ phát hiện thấy các ống thuốc súng này có thể tự phóng chúng đi bởi sức mạnh tạo ra từ chất khí đang cháy. Tên lửa thật sự đã ra đời.

 Ngày tháng được tường thuật việc sử dụng lần đầu tiên những tên lửa thật sự là vào năm 1232. Vào năm này, Trung Quốc và Mông Cổ đang chiến tranh với nhau. Trong trận chiến Kai-Keng, người Trung Quốc đã đánh lùi quân xâm lược Mông Cổ bằng hàng rào phòng ngự “mũi tên lửa”. Những mũi tên này là một dạng đơn giản của một tên lửa chất đẩy rắn. Một cái ống, bịt nắp ở một đầu, chứa thuốc súng. Đầu kia để hở và ống được gắn vào một cái que dài. Khi thuốc súng được châm ngòi, thì sự cháy nhanh của thuốc súng tạo ra lửa, khói, và khí thoát ra ở đầu hở và tạo ra sức đẩy. Cái que đóng vai trò một hệ thống dẫn đường đơn giản giữ cho tên lửa nhắm theo một hướng chung khi nó bay trong không khí. Những tên lửa bay này hiệu quả như thế nào với vai trò là thứ vũ khí phá hủy thì không rõ, nhưng tác dụng tâm lí của chúng đối với quân Mông Cổ là ghê gớm.
Mũi tên lửa của người Trung Hoa

Sau trận đánh Kai-Keng, người Mông Cổ đã sản xuất các tên lửa của riêng họ và có lẽ chính họ đã truyền bá tên lửa sang châu Âu cùng với bước chân xâm lược của mình. Nhiều sử sách mô tả các thí nghiệm tên lửa trong suốt thế kỉ 13 đến thế kỉ 15. Ở Anh, một tăng lữ tên là Roger Bacon đã nghiên cứu những dạng cải tiến của thuốc súng, làm tăng đáng kể tầm xa của tên lửa. Ở Pháp, Jean Froissart thu được những phi vụ bay chính xác hơn bằng cách phóng tên lửa qua các ống trụ. Ý tưởng của Froissart là tổ tiên là khẩu bazooka hiện đại. Joanes de Fontana người Italy thì thiết kế một ngư lôi kiểu tên lửa chạy trên mặt nước dùng để đốt cháy tàu thuyền của kẻ thù.
Người lính Trung Hoa phóng mũi tên lửa

Vào thế kỉ 16, các tên lửa bước vào giai đoạn được xem là vũ khí chiến tranh, mặc dù chúng vẫn được dùng trong trình diễn pháo hoa, và một nhà sản xuất pháo hoa người Đức, Johan Schmidlap, đã phát minh ra “tên lửa tầng”, một phương tiện nhiều tầng nâng pháo hoa lên những độ cao lớn hơn. Một tên lửa trời lớn (tầng thứ nhất) mang một tên lửa trời nhỏ hơn (tầng thứ hai). Khi tên lửa lớn cháy hết, tên lửa nhỏ tiếp tục bay lên cao hơn trước khi rải tro rực rỡ khắp bầu trời. Ý tưởng của Schmidlap là cơ sở cho mọi tên lửa ngày nay bay ra vũ trụ bên ngoài.

 Gần như mọi công dụng của tên lửa cho đến lúc này là vũ khí chiến tranh hoặc pháo hoa, nhưng một truyền thuyết xưa của người Trung Quốc có kể việc sử dụng tên lửa làm phương tiện vận tải. Với sự hỗ trợ của người nhiều trợ giúp, một vị tướng Trung Hoa ít người biết tới tên là Wan-Hu đã lắp ráp một cái ghế bay kiểu tên lửa. Ông có hai con diều lớn gắn với cái ghế, và bố trí trên hai con diều 47 mũi tên lửa.
Ngư lôi chạy trên mặt nước

Vào hôm cho bay thử, bản thân Wan-Hu ngồi vào cái ghế và ra lệnh cho thắp sáng các tên lửa. 47 người hỗ trợ tên lửa, mỗi người tay cầm đuốc, lao vào châm lửa các ngòi nổ. Một tiếng nổ ầm khủng khiếp vang dội bầu không khí, đi cùng là những đám khói bụi mù mịt. Khi khói bụi tan đi, Wan-Hu và cái ghế bay của ông đã di chuyển. Không ai biết chắc chuyện gì đã xảy ra với Wan-Hu, nhưng nếu một sự kiện như thế thật sự từng xảy ra, thì Wan-Hu và cái ghế của ông có khả năng không còn tồn tại sau vụ nổ. Các mũi tên lửa dễ nổ khi chúng bay trong không khí.
Tên lửa học trở thành một khoa học

 Trong nửa sau thế kỉ 17, nhà khoa học vĩ đại người Anh, Isaac Newton (1642 – 1727) đã thiết lập những nền tảng khoa học cho ngành tên lửa học hiện đại. Newton đã tổ chức kiến thức của ông về chuyển động vật lí thành ba định luật khoa học. Các định luật ấy giải thích tên lửa hoạt động như thế nào và tại sao chúng có thể hoạt động trong chân không của vũ trụ bên ngoài.



Huyền thoại Trung Hoa, viên tướng Wan Hu dũng cảm dùng bản thân mình thử nghiệm “phóng tên lửa”.
Các định luật Newton sớm có sự tác động thực tiễn lên thiết kế tên lửa. Khoảng năm 1720, một giáo sư người Hà Lan, Willem Gravesande, đã chế tạo một mẫu xe hơi đẩy bằng luồng hơi nước. Các nhà thực nghiệm tên lửa ở Đức và Nga bắt đầu làm việc với các tên lửa có khối lượng hơn 45 kilogram. Một số trong những tên lửa này mạnh đến mức ngọn lửa thải thoát ra của chúng khoan thành những cái hố sâu trên mặt đất ngay trước khi chúng phóng lên.

 Vào cuối thế kỉ 18 và bước sang đầu thế kỉ 19, các tên lửa trải qua một giai đoạn phục hồi ngắn là vũ khí chiến tranh. Thành công của các tên lửa bắn chặn Ấn Độ chống lại quân Anh vào năm 1792 và một lần nữa vào năm 1799 đã thu hút sự chú ý của một vị chuyên gia pháo binh, Colonel William Congreve. Congreve bắt đầu thiết kế các tên lửa dùng cho quân đội Anh.

 Tên lửa Congreve thành công vang dội trên chiến trường. Được các con tàu Anh sử dụng nện vào bến cảng McHenry trong cuộc chiến năm 1812, chúng đã truyền cảm hứng cho Francis Scott Key viết nên câu “ánh đỏ của tên lửa” trong bài thơ của ông sau này trở thành bài Cờ nước Mĩ.

 Ngay cả với nghiên cứu của Congreve, độ chính xác của các tên lửa vẫn không được cải thiện nhiều từ những ngày đầu. Bản chất phá hủy của các tên lửa chiến tranh không nằm ở độ chính xác hay sức mạnh của chúng, mà ở số lượng của chúng. Trong một cuộc vây chiến tiêu biểu, hàng nghìn tên lửa có thể được bắn về phía quân thù. Trên khắp thế giới, các nhà nghiên cứu tên lửa đã thử nghiệm nhiều phương pháp nhằm nâng cao độ chính xác. Một người Anh, William Hale, đã phát triển một kĩ thuật gọi là ổn định hóa chuyển động quay tròn. Trong phương pháp này, khí thải thoát ra đập vào những cái van nhỏ ở đáy tên lửa, làm cho nó quay tròn giống hệt như viên đạn trên hành trình bay. Ngày nay, nhiều tên lửa vẫn còn sử dụng các biến thể của nguyên lí này.

 Tên lửa tiếp tục được sử dụng thành công trong các trận chiến trên lục địa châu Âu. Tuy nhiên, trong một cuộc chiến với nước Phổ, các lữ đoàn tên lửa Áo đã gặp phải đối thủ của mình với các mẩu pháo binh được thiết kế mới. Đại bác nạp ở khóa nòng với nòng rãnh xoắn và đầu nổ là thứ vũ khí chiến tranh hiệu quả hơn nhiều so với những tên lửa tốt nhất. Lại một lần nữa, quân sự đã loại tên lửa học sang cho các công dụng thời bình.

Tên lửa học hiện đại ra đời

 Năm 1898, một giáo viên người Nga, Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935), đề xuất ý tưởng thám hiểm vũ trụ bằng tên lửa. Trong một bài báo cáo ông công bố vào năm 1903, Tsiolkovsky đề xuất sử dụng các chất đẩy lỏng cho tên lửa để thu được tầm hoạt động lớn hơn. Tsiolkovsky phát biểu rằng duy chỉ có vận tốc của khí thải thoát ra là hạn chế tốc độ và tầm bay của một tên lửa. Với những ý tưởng của ông, với sự nghiên cứu thận trọng và tầ nhìn rộng, Tsiolkovsky được gọi là cha để của ngành du hành vũ trụ hiện đại.

 Ngay đầu thế kỉ 20, một người Mĩ, Robert H. Goddard (1882-1945), đã tiến hành các thí nghiệm thực tiễn về tên lửa học. Ông trở nên bị cuốn hút vào cách thức đạt tới những cao độ lớn hơn so với những cao độ mà các khí cầu nhẹ hơn không khí có thể đạt tới. Ông cho xuất bản một cuốn sách mỏng vào năm 1919 mang tựa đề Một phương pháp đạt tới những cao độ cực lớn. Ngày nay, chúng ta gọi phép phân tích toán học này là tên lửa thăm dò khí tượng.

 Trong tập sách của ông, Goddard đã đi tới một vài kết luận quan trọng về tên lửa học. Từ những thử nghiệm của mình, ông phát biểu rằng một tên lửa hoạt động trong chân không có hiệu suất lớn hơn trong không khí. Lúc bấy giờ, đa số mọi người tin tưởng một cách sai lầm rằng sự có mặt của không khí là cần thiết cho tên lửa đẩy ra phía sau. Biên tập viên tạp chí New York Times khi đó đã chế giễu Goddard là “thiếu kiến thức đã học ở trường phổ thông”. Goddard cũng phát biểu rằng các tên lửa nhiều tầng là câu trả lời để đạt tới những cao độ lớn và vận tốc cần thiết để thoát ra khỏi sức hút hấp dẫn của Trái đất có thể thu được theo phương pháp này.

Mẫu tên lửa Tsiolkovsky
Tên lửa học hiện đại ra đời

Những thí nghiệm sớm nhất của Goddard là bắt đầu với các tên lửa chất đẩy rắn. Năm 1915, ông bắt đầu thử những loại nhiên liệu rắn khác nhau và đo vận tốc thải ra của các chất khí cháy.
Trong khi nghiên cứu về các tên lửa chất đẩy rắn, Goddard trở nên bị thuyết phục là một tên lửa có thể được đẩy tốt hơn bằng nhiên liệu lỏng. Trước đó, chưa ai từng chế tạo thành công một tên lửa chất đẩy lỏng. Các bể chứa nhiên liệu và oxygen, tuabin và buồng đốt sẽ là cần thiết. Bất chấp những khó khăn ấy, Goddard đã thu được chuyến bay thành công đầu tiên với một tên lửa chất đẩy lỏng vào hôm 16 tháng 3 năm 1926. Được cấp nhiêu liệu bằng oxygen lỏng và xăng, chiếc tên lửa chỉ bay trong 2 phút rưỡi, lên cao 12,5 mét, và tiếp đất cách bệ phóng 56 mét. Theo các tiêu chuẩn ngày nay, chuyến bay ấy chẳng có gì ấn tượng, nhưng giống như chuyến bay thử nghiệm máy bay có động cơ đẩy đầu tiên do anh em nhà Wright thực hiện vào năm 1903, tên lửa nhiên liệu xăng của Goddard trở thành vật báo hiệu cho một kỉ nguyên hoàn toàn mới trong công nghệ bay tên lửa.

Tiến sĩ Robert H. Goddard đang điều chỉnh đầu trên của một buồng đốt tên lửa. Ảnh chụp năm 1940, tại Roswell, New Mexico.
Các thí nghiệm của Goddard về tên lửa chất đẩy lỏng tiếp tục diễn ra trong nhiều năm. Các tên lửa của ông ngày một to hơn và bay cao hơn. Ông đã phát triển một hệ thống đông lạnh để điều khiển chuyến bay và một gian tải trọng cho các thiết bị khoa học. Các hệ thống dù hồi phục cho tên lửa và các thiết bị đáp an toàn trở lại mặt đất. Chúng ta gọi Goddard là cha đẻ của tên lửa học hiện đại vì những thành tựu này của ông.


Một nhà tiên phong vũ trụ lớn thứ ba, Hermann Oberth (1894-1989) ở nước Đức, cho xuất bản một quyển sách vào năm 1923 về sự du hành tên lửa vào không gian vũ trụ bên ngoài. Các tác phẩm của ông thật quan trọng. Vì có chúng, nhiều hội tên lửa nhỏ đã xuất hiện trên khắp thế giới. Ở Đức, sự thành lập của một hiệp hội kiểu như thế, Verein fur Raumschiffahrt (Hội Du hành không gian), đã dẫn đến sự phát triển tên lửa V-2, phương tiện người Đức đã sử dụng để chống lại London vào Thế chiến thứ hai. Năm 1937, các kĩ sư và nhà khoa học người Đức, trong đó có Oberth, đã tập trung tại Peenemunde, trên vùng duyên hải biển Baltic. Ở đó, dưới sự chỉ đạo của Wernher von Braun, các kĩ sư và nhà khoa học đã chế tạo và cho bay chiếc tên lửa tiên tiến nhất lúc bấy giờ.


Tên lửa V-2 (ở Đức gọi là A-4) có kích thước nhỏ so với các tên lửa ngày nay. Nó thu được sức đẩy lớn nhờ vào việc đốt cháy oxygen lỏng và cồn ở tốc độ khoảng một tấn mỗi 7 giây. Một khi phóng lên, V-2 là thứ vũ khí kinh khủng, có thể phá hủy toàn bộ nhà cửa trong thành phố.
Thật may cho London và quân Đồng Minh, V-2 xuất hiện quá muộn trong cuộc chiến để làm thay đổi cục diện của nó. Tuy nhiên, vào cuối cuộc chiến, các nhà khoa học và kĩ sư tên lửa người Đức đã có kế hoạch triển khai các tên lửa đạn đạo tiên tiến có khả năng vượt Đại Tây Dương và đáp xuống nước Mĩ. Những tên lửa đạn đạo này có gắn cánh ở những tầng trên, nhưng sức mang tải trọng rất nhỏ.
Với sự đầu hàng của nước Đức, quân Đồng Minh đã thu giữ được nhiều tên lửa và bộ phận tên lửa chưa sử dụng. Nhiều nhà khoa học tên lửa người Đức đã đến Mĩ. Những người khác thì sang Liên Xô. Các nhà khoa học Đức, kể cả Wernher von Braun, đã thật bất ngờ trước tiến bộ mà Goddard đạt được.
Cả Mĩ và Liên Xô đều nhận ra tiềm năng của tên lửa học là một loại vũ khí quân sự và bắt đầu cho triển khai nhiều chương trình thực nghiệm đa dạng. Lúc đầu, nước Mĩ bắt đầu một chương trình với tên lửa âm khí quyển cao độ lớn, một trong những ý tưởng đầu tiên của Goddard. Sau đó, họ phát triển nhiều tên lửa liên lục địa tầm trung và tầm xa. Những tên lửa này trở thành xuất phát điểm cho chương trình vũ trụ của nước Mĩ. Các tên lửa đạn đạo như Redstone, Atlas, và Titan cuối cùng đã phóng đưa các nhà du hành vũ trụ vào không gian.
Ngày 4 tháng 10 năm 1957, Liên Xô đã làm cả thế giới sửng sốt bởi việc phóng một vệ tinh nhân tạo bay vòng quanh Trái đất. Gọi tên là Sputnik 1, vệ tinh ấy là bước đi thành công đầu tiên trong cuộc chạy đua không gian giữa hai siêu cường quốc. Chưa đầy một tháng sau, Liên Xô tiếp tục phóng một vệ tinh mang một con chó tên là Laika lên quỹ đạo. Laika sống sót trong không gian trong bảy ngày trước khi được đưa vào trạng thái ngủ vĩnh viễn trước lúc nguồn cấp oxygen cạn kiệt.
Một vài tháng sau vệ tinh Sputnik đầu tiên, nước Mĩ đã đuổi theo Liên Xô với một vệ tinh của riêng họ. Quân đội Mĩ phóng Explorer-1 vào hôm 31 tháng 1 năm 1958. Tháng 10 năm ấy, Mĩ chính thức tổ chức chương trình không gian của họ bởi việc thành lập Ban quản trị quốc gia về Hàng không học và Vũ trụ (NASA). NASA trở thành một cơ quan dân sự với mục tiêu thám hiểm vũ trụ cho mục đích hòa bình vì lợi ích của toàn nhân loại.
Không lâu sau đó, các tên lửa đã đưa nhiều người và máy móc vào không gian. Các nhà du hành đã bay vòng quanh Trái đất và đặt chân xuống Mặt trăng. Những phi thuyền rô-bôt đã đi đến những hành tinh khác. Không gian bất ngờ mở ra trước sự khảo sát và khai thác thương mại. Vệ tinh cho phép các nhà khoa học nghiên cứu toàn bộ thế giới, dự báo thời tiết và truyền thông tức thời trên khắp địa cầu. Nhu cầu đưa những tải trọng ngày một nhiều hơn và lớn hơn đã tạo ra nhu cầu phát triển nhiều loại tên lửa mới, đa dạng, và linh hoạt.
Chương trình khoa học thám hiểm vũ trụ bằng các phi thuyền rô-bôt đã có bước phát triển vượt bậc. Cả Nga và Mĩ đều bắt đầu các chương trình nghiên cứu Mặt trăng. Việc phát triển kĩ thuật khảo sát mặt trăng trên phương diện vật lí trở thành một thách thức hàng đầu. Chỉ trong 9 tháng sau Explorer 1, nước Mĩ đã phóng phi thuyền mặt trăng đầu tiên có người lái, nhưng động cơ phóng, một tên lửa Atlas gắn với một tầng trên Able, đã hỏng hóc 45 giây sau khi cất lên khi tải trọng đang thoát ra khỏi tên lửa. Người Nga thành công hơn với Luna 1, con tàu bay qua Mặt trăng vào tháng 1 năm 1959. Cuối năm đó, chương trình Luna đã thực hiện một chuyến khảo sát toàn Mặt trăng, chụp những bức ảnh đầu tiên của mặt tối bên kia của nó. Từ 1958 đến 1960, nước Mĩ gửi lên một loạt sứ mệnh, các tàu thám hiểm Mặt trăng Pioneer, để chụp ảnh và thu thập dữ liệu khoa học về Mặt trăng. Những con tàu thám hiểm này nói chung không thành công, chủ yếu do các động cơ phóng gặp thất bại. Chỉ một trong tám phi thuyền này hoàn thành sứ mệnh dự tính của nó đi lên Mặt trăng, mặc dù một số phi thuyền, bị mắc cạn trên quỹ đạo giữa Trái đất và Mặt trăng, thật sự mang lại những thông tin quan trọng về số lượng và tầm rộng của các vành đai bức xạ xung quanh Trái đất. Nước Mĩ dường như bị Liên Xô bỏ xa lại phía sau trong chương trình không gian.
Với mỗi lần phóng, những chuyến bay vũ trụ có người lái ngày một trở nên gần hơn với thực tại. Tháng 4 năm 1961, một người Nga tên là Yuri Gagarin đã trở thành người đầu tiên bay vòng quanh Trái đất. Chưa đầy một tháng sau đó, nước Mĩ đưa người Mĩ đầu tiên, Alan Shepard, vào vũ trụ. Chuyến bay ấy là một chuyến nửa quỹ đạo đánh võng vào vũ trụ, sau đó lập tức quay về Trái đất. Tên lửa Redstone không đủ mạnh để đưa tổ hợp Mercury vào quỹ đạo. Chuyến bay chỉ kéo dài hơn 15 phút một chút và đạt tới độ cao 187 km. Alan Shepard đã trải qua khoảng 5 phút không trọng lượng khi quay về Trái đất, trong đó ông đã gặp các lực lớn hơn lực hấp dẫn đến 12 lần. 20 ngày sau đó, mặc dù vẫn đứng sau Liên Xô về mặt công nghệ, nhưng tổng thống Mĩ John Kennedy đã tuyên bố mục tiêu đưa con người lên Mặt trăng vào cuối thập kỉ ấy.
Tháng 2 năm 1962, John Glen trở thành người Mĩ đầu tiên bay vòng quanh Trái đất trong một tổ hợp nhỏ chứa nhiều thiết bị đến mức ông chỉ đủ chỗ để ngồi. Được phóng lên bởi một tên lửa Atlas mạnh hơn, John Glen ở trên quỹ đạo 4 giờ 55 phút trước khi lao xuống làm bắn tung tóe nước trên Đại Tây Dương. Chương trình Mercury có tổng cộng 6 lần phóng: hai chuyến nửa quỹ đạo và bốn chuyến trọn quỹ đạo. Những lần phóng phi thuyền này đã chứng minh cho khả năng của nước Mĩ đưa con người lên quỹ đạo, cho phép phi hành đoàn làm việc trong vũ trụ, điều khiển phi thuyền, và thực hiện các quan sát khoa học.

 Tiếp sau đó, nước Mĩ bắt đầu mở rộng chương trình không người lái nhắm tới việc củng cố chương trình có người lái hạ cánh xuống mặt trăng. Ba dự án độc lập đã thu thập thông tin về những địa điểm hạ cánh và những số liệu khác về bề mặt mặt trăng và môi trường xung quanh. Trước tiên là chuỗi chương trình Ranger, là nỗ lực đầu tiên của nước Mĩ nhắm tới chụp ảnh cận cảnh Mặt trăng. Phi thuyền đã chụp hàng nghìn bức ảnh đen trắng của Mặt trăng khi nó hạ độ cao và rồi lao vào bề mặt mặt trăng. Mặc dù loạt chương trình Ranger mang lại những số liệu rất cụ thể, nhưng những người lập kế hoạch cho sứ mệnh Apollo sắp tới vẫn muốn có thêm nhiều dữ liệu nữa.

Ảnh cận cảnh Mặt trăng do phi thuyền Ranger 9 chụp ngay trước khi va chạm. Vòng tròn nhỏ ở bên trái là địa điểm va chạm.
Hai chương trình mặt trăng sau kia được thiết kế để làm việc chung với nhau. Lunar Obiter cung cấp một bản đồ phạm vi rộng của bề mặt mặt trăng. Surveyor cung cấp những bức ảnh chụp màu chi tiết của bề mặt mặt trăng cũng như số liệu về các nguyên tố của lớp trầm tích mặt trăng và một bản đánh giá khả năng của lớp trầm tích chịu đỡ sức nặng của phi thuyền hạ cánh có người lái. Khi khảo sát cả hai bộ dữ liệu, các nhà lập kế hoạch có thể nhận ra những địa điểm thích hợp cho việc hạ cánh có người lái. Tuy nhiên, có một vướng mắc đáng kể, đó là phi thuyền Surveyor quá lớn để phóng lên bằng những tên lửa Atlas/Agena hiện có, cho nên người ta đã phát triển thêm một tầng năng lượng cao nữa gọi là Centaur để thay thế Agena đặc biệt trong sứ mệnh này. Tầng trên Centaur sử dụng hiệu quả các chất đẩy hydrogen và oxygen, làm thay đổi ngoạn mục hiệu suất của nó, nhưng nhiệt độ siêu lạnh và bản chất dễ nổ mang lại những thách thức kĩ thuật đáng kể. Ngoài ra, người ta đã chế tạo các bình Centaur bằng thép không gỉ mỏng để tiết kiệm trọng lượng vốn quý báu. Phải duy trì áp suất vừa phải trong bình để ngăn không cho nó tự co lại. Viêc chế tạo tên lửa đang định hình lại khả năng thám hiểm Mặt trăng của nước Mĩ.

 Gemini là tổ hợp thứ hai có người lái do nước Mĩ phát triển. Nó được thiết kế để mang theo hai phi hành gia và được phóng lên trên những phương tiện phóng lớn nhất khi ấy – Titan II. Sự ủy thác của tổng thống Kennedy đã làm thay đổi đáng kể sứ mệnh Gemini từ mục tiêu chung là mở rộng sự trải nghiệm trong không gian sang chuẩn bị cho một chuyến hạ cánh có người lái xuống Mặt trăng. Nó đã lát đường cho chương trình Apollo bởi việc chứng minh sự gặp gỡ và ghép nối cần thiết cho tàu hạ cánh mặt trăng quay trở lại phi thuyền đang quay xung quanh mặt trăng, thao tác ngoài tàu vũ trụ đang bay (EVA) cần thiết cho sự thám hiểm bề mặt mặt trăng và bất kì sự sửa chữa khẩn cấp nào, và cuối cùng là khả năng của con người đảm đương vai trò trong tám ngày hành trình của sứ mệnh mặt trăng có người lái. Chương trình Gemini đã phóng lên 10 sứ mệnh có người lái vào năm 1965 và 1966, tám chuyến bay gặp gỡ và ghép nối với các tầng không người lái trong quỹ đạo quanh Trái đất và bảy chuyến thực hiện EVA.

 Việc đưa con người lên mặt trăng đòi hỏi những tên lửa phóng lớn hơn những tên lửa sẵn có. Để đạt được mục tiêu này, nước Mĩ đã phát triển tên lửa phóng Saturn. Capsule Apollo, hay mô-đun điều khiển, chứa phi hành đoàn ba người. Capsule ấy đưa các nhà du hành vào quỹ đạo xung quanh Mặt trăng, tại đó hai nhà du hành chuyển sang một mô-đun mặt trăng và hạ cánh xuống bề mặt mặt trăng. Sau khi hoàn thành sứ mệnh mặt trăng, phần trên của mô-đun mặt trăng trở lại quỹ đạo ghép nối với capsule Apollo. Các nhà du hành đã di chuyển ngược về mô-đun điều khiển và một mô-đun phục vụ, với một động cơ, đẩy họ về phía Trái đất. Sau bốn chuyến bay kiểm tra có người lái, nhà du hành Apollo 11 Neil Armstrong đã trở thành đã trở thành người đầu tiên đặt chân lên mặt trăng. Nước Mĩ trở lại với bề mặt mặt trăng hơn năm lần trước khi chương trình mặt trăng có người lái kết thúc. Sau chương trình mặt trăng, chương trình Apollo và tên lửa đẩy Saturn đã phóng Skylab, trạm không gian đầu tiên của nước Mĩ. Một phiên bản nhỏ hơn của tên lửa Saturn đã đưa phi hành đoàn người Mĩ lên gặp gỡ trong không gian lần đầu tiên giữa Mĩ và Nga trong sứ mệnh Apollo-Soyuz.

Ảnh quay bằng camera mắt cá của tên lửa Saturn 5 khi sau khi châm ngòi động cơ.
Trong chương trình mặt trăng có người lái này, các tên lửa phóng không người lái đã đưa nhiều vệ tinh lên nghiên cứu hành tinh của chúng ta, dự báo thời tiết, và truyền thông tức thời trên khắp thế giới. Ngoài ra, các nhà khoa học đã bắt đầu khảo sát những hành tinh khác. Mariner 2 đã bay thành công xung quanh Kim tinh vào năm 1962, trở thành tàu thăm dò đầu tiên bay qua một hành tinh khác. Chương trình vũ trụ liên hành tinh của Mĩ đã mang lại một loạt đợt phóng thành công đến bất ngờ. Chương trình ấy đã đến thăm từng hành tinh một, trừ Diêm Vương tinh.

 Sau chương trình Apollo, nước Mĩ bắt đầu tập trung vào phát triển một hệ thống phóng có thể sử dụng lại, tàu con thoi vũ trụ. Các tên lửa đẩy rắn chắc và ba động cơ chính trên tàu quỹ đạo phóng tàu con thoi lên. Các tên lửa đẩy có thể sử dụng lại được vứt ra hơn 2 phút bay, khi nhiên liệu của chúng cạn kiệt. Dù được triển khai để làm giảm tốc các bộ đẩy tên lửa rắn cho hạ cánh an toàn trên Đại Tây Dương, ở đó hai con tàu sẽ vớt chúng lên. Tàu quỹ đạo và bể nhiên liệu gắn ngoài tiếp tục đi lên. Khi động cơ chính ngừng hoạt động, thì bể nhiên liệu được vứt ra khỏi tàu quỹ đạo, cuối cùng sẽ phá hủy trong khí quyển. Việc đốt cháy trong thời gian ngắn hai hệ thống đẩy quỹ đạo của phi thuyền làm thay đổi quỹ đạo để đạt được quỹ đạo trong ngưỡng 185 – 402 km bên trên bề mặt Trái đất. Tàu quỹ đạo con thoi có thể mang xấp xỉ 25.000 kg tải trọng vào quỹ đạo nên các thành viên phi hành đoàn có thể tiến hành các thí nghiệm trong môi trường không trọng lượng. Các bộ đẩy quỹ đạo đốt cháy để hạ phi thuyền trở lại bầu khí quyển của Trái đất, làm nóng tấm chắn nhiệt bảo vệ của tàu quỹ đạo lên tới 816o C. Trên hành trình sau cùng của tàu con thoi, nó đáp xuống mặt đất y như một chiếc máy bay.

 Kể từ những ngày đầu tiên khám phá và thử nghiệm, tên lửa đã tiến hóa từ những dụng cụ thuốc súng đơn giản thành những cỗ xe khổng lồ có khả năng đi vào không gian bên ngoài, đưa các nhà du hành vũ trụ lên Mặt trăng, phóng các vệ tinh để khảo sát vũ trụ của chúng ta, và cho phép chúng ta tiến hành các thí nghiệm khoa học trên tàu con thoi vũ trụ. Không nghi ngờ gì nữa, chính tên lửa đã mở cánh cửa vũ trụ cho con người khảo sát thế giới. Các tên lửa sẽ giữ vai trò gì trong tương lai của chúng ta?

 Mục tiêu của chương trình không gian của nước Mĩ là mở rộng chân trời của chúng ta trong không gian, và sau đó là mở ra tiền trạm không gian cho sự bành trướng của nhân loại và phát triển thương mại. Để cho những điều này xảy ra, thì các tên lửa phải hoạt động hiệu quả hơn và đáng tin cậy hơn với vai trò là phương tiện để tiến vào vũ trụ. Phần cứng đắt tiền không thể vứt bỏ hoàn toàn mỗi khi chúng ta đi vào vũ trụ. Cần phải tiếp tục phương án sử dụng lại nhiều hơn đã bắt đầu từ chương trình tàu con thoi. Cuối cùng, NASA có thể chế tạo các máy bay vũ trụ sẽ cất cánh khỏi đường băng, bay vào quỹ đạo, và hạ cánh xuống những đường băng tương tự như thế, với sự hoạt động tương tự như máy bay.

 Để đạt tới mục tiêu này, hai chương trình hiện đang được phát triển. Các chương trình X33 và X34 sẽ phát triển những tên lửa sử dụng lại, làm giảm đáng kể chi phí bay vào quỹ đạo. X33 sẽ là một tên lửa có người lái mang theo tải trọng tương đương như tàu con thoi. X34 sẽ là một tên lửa phóng nhỏ, không người lái, có thể sử dụng lại, có khả năng phóng 905 kg vào không gian và giảm hai phần ba chi phí phóng tương đối so với các tên lửa hiện nay.

 Bước đầu tiên hướng tới việc chế tạo những tên lửa sử dụng lại hoàn toàn đã diễn ra. Một dự án gọi là Delta Clipper hiện đang đươc kiểm tra. Delta Clipper là một tên lửa cất cánh thẳng đứng và hạ cánh êm nhẹ. Nó đã được chứng minh có khả năng bay lượn và đảo hướng trên Trái đất, sử dụng cùng một phần cứng mãi mãi. Chương trình sử dụng nhiều công nghệ hiện có và giảm tối thiểu chi phí hoạt động. Các tên lửa đáng tin cậy, không đắt tiền là chìa khóa cho phép con người thật sự bành trướng vào vũ trụ.

Ba mẫu tàu vũ trụ tương lai có thể sử dụng lại được hiện đang được NASA xem xét.

Theo NASA: Rockets: A Teacher's Guide with Activities in Science, Mathematics, and Technology

Theo Thư Viện Vật Lý
Nguồn: http://diendankienthuc.net.