Cú bẻ hướng 20 độ: Tàu Juice của ESA mượn trọng lực Trái Đất để tới sao Mộc như thế nào?

Để thực hiện chuyến du hành tới hệ thống sao Mộc ở cự ly hàng trăm triệu kilômét, các tàu vũ trụ hiện đại không thể mang đủ lượng nhiên liệu cần thiết nếu chỉ dựa vào lực đẩy của động cơ trong suốt lộ trình. Thay vào đó, giải pháp tối ưu là tận dụng lực hấp dẫn của các hành tinh trên đường đi để thay đổi quỹ đạo và gia tốc—kỹ thuật kinh điển được gọi là "mượn trọng lực" (gravity assist). Vào ngày 28 tháng 9, tàu vũ trụ Juice (Jupiter Icy Moons Explorer) của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) đã thực hiện thành công một thao tác điều hướng quan trọng khi lướt qua tầng ngoài cùng của bầu khí quyển Trái Đất ở khoảng cách 8.640 km. Sự kiện này giúp tàu bẻ hướng hành trình tới 20 độ và tăng thêm 3,5 km/s tốc độ mà không cần tiêu tốn nhiều nguồn nhiên liệu dự trữ quý giá. [1]

Mục tiêu cốt lõi của chuyến bay không chỉ đơn thuần là đẩy nhanh tốc độ, mà là đưa tàu Juice vào một quỹ đạo hình học chuẩn xác cho chuỗi nhiệm vụ tương lai tại hệ thống sao Mộc. Lực hấp dẫn của Trái Đất đóng vai trò như một bàn đạp năng lượng tự nhiên, giúp tiết kiệm tối đa lượng nhiên liệu cần thiết để phục vụ cho hàng loạt phép đo đạc phức tạp khi tàu tiếp cận các mặt trăng băng giá Ganymede, Callisto và Europa. [1]

Độ chính xác tuyệt đối trong điều khiển quỹ đạo

Cú lướt qua Trái Đất ở cự ly sát sao đòi hỏi quy trình giám sát cực kỳ khắt khe từ đội ngũ vận hành. Để chuẩn bị cho thời điểm tiếp cận gần nhất lúc 13:45 CEST (11:45 UTC) trên khu vực Ấn Độ Dương, các kỹ sư đã theo dõi sát sao quỹ đạo của tàu Juice từ ngày 17 tháng 8 và kéo dài quá trình này đến đầu tháng 10. Trong khoảng thời gian bốn tuần trước sự kiện, mặc dù hệ thống đã lên kế hoạch sẵn 6 cơ hội điều chỉnh nhỏ, đội ngũ điều hành chỉ cần kích hoạt động cơ đúng một lần duy nhất để đưa tàu vào góc tiếp cận hoàn hảo. [1]

Theo bà Angela Dietz, Trưởng bộ phận Vận hành Tàu vũ trụ Juice, thao tác này đòi hỏi năng lực dẫn đường chính xác theo thời gian thực. Việc tiết kiệm tối đa nhiên liệu nhờ tính toán chuẩn xác đường bay qua Trái Đất sẽ mang lại lợi thế lớn khi tàu tới sao Mộc, nơi hành trình đòi hỏi nhiều lần thay đổi quỹ đạo phức tạp để tiếp cận từng mặt trăng băng giá. [1]

Phòng thí nghiệm thực địa trong bóng tối Trái Đất

Bên cạnh mục tiêu điều hướng, chuyến bay lướt qua Trái Đất còn cung cấp một cơ hội hiếm hoi để thử nghiệm và hiệu chỉnh 10 thiết bị khoa học mang theo trên Juice ngay trong điều kiện môi trường ngoài không gian. Đây là lượt thử nghiệm thực tế thứ ba của tàu, sau đợt mượn trọng lực Mặt Trăng - Trái Đất năm 2024 và đợt quan sát sao chổi 3I/ATLAS vào năm 2025. Việc hiệu chỉnh thiết bị trực tiếp trên vũ trụ rất quan trọng vì các cảm biến và camera thường hoạt động với những sai biệt nhất định so với mô hình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. [1]

Nhà khoa học dự án Claire Vallat cho biết công tác vận hành thiết bị phải đối mặt với giới hạn khắt khe về năng lượng và thời gian. Khi Juice đi vào vùng bóng tối của Trái Đất, các tấm pin mặt trời ngừng hoạt động và tàu phải tiêu thụ nguồn điện duy nhất từ pin dự trữ. Ban quản lý nhiệm vụ đã phải xây dựng danh sách ưu tiên, tập trung nguồn điện cho các phép đo đạc trực tiếp hỗ trợ cho chiến dịch khoa học tại sao Mộc và những phép thử nghiệm không thể thực hiện lại ở các giai đoạn sau. Ví dụ, camera khoa học JANUS đã tranh thủ ghi lại các hình ảnh độ phân giải cao của Mặt Trăng và Trái Đất để đánh giá hiệu năng thu nhận dữ liệu. [1]

Đo đạc đồng thời từ đuôi từ trường Trái Đất

Trong nhiều ngày tiếp cận và rời đi, tàu Juice đã di chuyển xuyên qua khu vực đuôi từ trường (magnetotail)—phần từ trường Trái Đất bị dòng gió Mặt Trời kéo dài ra phía sau. Đây là bối cảnh lý tưởng để các cảm biến trên tàu ghi nhận thông số về từ trường và các hạt mang điện ở khoảng cách rất xa hành tinh của chúng ta. [1]

Cùng thời điểm đó, nhiệm vụ hợp tác Smile giữa Châu Âu và Trung Quốc đang theo dõi hiện tượng cực quang cũng như đo đạc từ trường ở khu vực gần Trái Đất hơn. Việc kết hợp dữ liệu thu thập đồng thời từ tàu Juice ở xa và tàu Smile ở gần tạo nên một bộ thông tin tổng hợp quý giá, giúp các nhà nghiên cứu liên kết trực tiếp các biến động ở đuôi từ trường xa xôi với các hiện tượng vật lý xảy ra tại hai cực Trái Đất. Ví dụ, dữ liệu này giúp làm rõ cách năng lượng từ gió Mặt Trời truyền qua từ quyển và tác động đến bầu khí quyển tầm thấp. [1]

Khởi đầu cho chuỗi 35 lần lướt qua các mặt trăng băng giá

Mặc dù cuộc chạm trán Trái Đất đòi hỏi sự chuẩn bị kỹ lưỡng trong nhiều tháng, các nhà khoa học khẳng định thao tác này vẫn tương đối đơn giản khi so sánh với thử thách cốt lõi tại hệ thống sao Mộc: thực hiện 35 lượt bay lướt qua các mặt trăng Ganymede, Callisto và Europa. Kế hoạch vận hành thiết bị cho các đợt tiếp cận mặt trăng Europa đã được khởi động từ một thập kỷ trước và sẽ tiếp tục điều chỉnh cho đến khi tàu tiếp cận mục tiêu vào đầu những năm 2030. [1]

Được phóng vào tháng 4 năm 2023 bằng tên lửa Ariane 5 từ cảng vũ trụ Kourou, Juice đang trải qua hành trình du hành kéo dài 8 năm. Tàu sẽ tiếp tục mượn lực hấp dẫn của Trái Đất và sao Kim, bao gồm một lượt mượn trọng lực Trái Đất lần cuối vào tháng 1 năm 2029 để tích lũy đủ vận tốc tiến vào quỹ đạo sao Mộc vào năm 2031. Sau khi nghiên cứu môi trường bức xạ và từ trường phức tạp của sao Mộc cùng các mặt trăng, Juice sẽ đi vào quỹ đạo cố định quanh Ganymede—mặt trăng lớn nhất hệ Mặt Trời. [1]