Hành trình gian nan đến sao Thủy: Vì sao một hành tinh gần Trái Đất lại khó đi vào quỹ đạo nhất?

Xét về khoảng cách trung bình, sao Thủy nằm gần Trái Đất hơn nhiều so với các hành tinh ngoài như sao Mộc hay sao Thổ. Tuy nhiên, việc đưa một con tàu vũ trụ đi vào quỹ đạo quanh hành tinh đá nhỏ bé này lại thuộc hàng những bài toán quỹ đạo phức tạp bậc nhất trong lịch sử khám phá không gian. Để một tàu thám hiểm không bị hút thẳng vào Mặt Trời hoặc lướt qua sao Thủy với tốc độ quá lớn, các nhà khoa học không thể chỉ cậy dựa vào lực đẩy tên lửa thông thường. Sứ mệnh BepiColombo – sự hợp tác giữa Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) và Cơ quan Khám phá Vũ trụ Nhật Bản (JAXA) – là bằng chứng điển hình cho thử thách này, khi con tàu phải mất tới 8 năm hành trình cùng 9 lần thực hiện thao tác bay lướt qua các hành tinh chỉ để chậm lại đúng mức trước khi chính thức đi vào quỹ đạo. [1]

Bẫy trọng lực Mặt Trời và bài toán tiêu giảm tốc độ

Nguyên nhân cốt lõi khiến chuyến đi tới sao Thủy kéo dài và gian nan nằm ở vị trí của hành tinh này trong giếng trọng lực khổng lồ của Mặt Trời. Khi một con tàu rời Trái Đất để đi vào phần bên trong của Hệ Mặt Trời, lực hút mãnh liệt từ Mặt Trời liên tục gia tốc cho con tàu. Có thể hình dung điều này giống như một chiếc xe đạp đang thả dốc xuống một ngọn núi rất dốc: càng tiến gần về phía chân núi, chiếc xe càng lao đi với tốc độ lớn. Tàu vũ trụ hướng về sao Thủy cũng tích lũy một động năng vô cùng lớn trên suốt chặng đường.

Khi tiếp cận sao Thủy, tàu vũ trụ di chuyển với vận tốc cực cao so với bản thân hành tinh này. Trong khi đó, sao Thủy lại là một hành tinh nhỏ với khối lượng khiêm tốn, dẫn đến lực hấp dẫn của nó tương đối yếu. Nếu con tàu lao qua với vận tốc quá lớn, lực hấp dẫn yếu ớt của sao Thủy không đủ sức kéo nó vào quỹ đạo, khiến con tàu ngay lập tức văng đi mất. Để hành tinh này có thể bắt giữ thành công con tàu, toàn bộ lượng động năng dư thừa thu được trong quá trình rơi về phía Mặt Trời phải được triệt tiêu một cách chủ động.

Kỹ thuật phanh trọng lực bằng chuỗi hành trình bay lướt

Nếu chỉ dùng động cơ hóa học để hãm phanh, con tàu sẽ phải mang theo một lượng nhiên liệu khổng lồ, khiến khối lượng phóng vượt quá khả năng của bất kỳ tên lửa đẩy hiện đại nào. Giải pháp duy nhất là sử dụng cơ chế mượn lực hấp dẫn của các hành tinh làm phanh tự nhiên. Trong sứ mệnh BepiColombo, các nhà quản lý sứ mệnh đã thiết kế một hành trình phức tạp kéo dài 8 năm với tổng cộng 9 lần bay lướt qua các hành tinh. [1]

Chuỗi thao tác này bao gồm 1 lần bay lướt qua Trái Đất, 2 lần bay lướt qua sao Kim và 6 lần bay lướt qua chính sao Thủy. Mỗi lần đi ngang qua một hành tinh ở khoảng cách gần, con tàu lại nhượng lại một phần năng lượng quỹ đạo của mình cho hành tinh đó. Quá trình phanh trọng lực từng bước này giúp hạ vận tốc tương đối của con tàu xuống mức đủ thấp mà không tiêu tốn lượng nhiên liệu vượt quá giới hạn thiết kế. [1]

Kiến trúc ba mô-đun phối hợp trong chuyến bay dài

Để hoàn thành chuyến du hành gian khó này, sứ mệnh BepiColombo được thiết kế dưới dạng một cụm tàu vũ trụ phức hợp gồm ba mô-đun ghép lại với nhau. Mô-đun chịu trách nhiệm cung cấp năng lượng và điều hướng trong suốt hành trình đường dài là Mô-đun Chuyển tiếp Sao Thủy (MTM). Mô-đun này gánh vác nhiệm vụ đẩy và điều chỉnh đường bay cho hai vệ tinh khoa học đi kèm trong suốt quãng thời gian 8 năm di chuyển. [1]

Hai vệ tinh khoa học được bảo vệ và vận chuyển trên cụm tàu bao gồm Vệ tinh Quỹ đạo Sao Thủy (MPO, tên thân mật là Bepi) do Cơ quan Vũ trụ Châu Âu phát triển, và Vệ tinh Quỹ đạo Từ quyển Sao Thủy (Mio) do Cơ quan Khám phá Vũ trụ Nhật Bản đảm trách. Mỗi mô-đun mang các thiết bị đo đạc chuyên biệt, được tối ưu hóa để nghiên cứu những khía cạnh khác nhau của sao Thủy khi cụm tàu tách rời tại điểm đến. [1]

Chuỗi thao tác tách vỏ và đi vào quỹ đạo khoa học

Giai đoạn cập bến sao Thủy đòi hỏi những cột mốc tách ghép chính xác tuyệt đối. Bước khởi đầu diễn ra vào ngày 3 tháng 9, khi mô-đun MTM hoàn thành sứ mệnh đẩy và chính thức tách khỏi hai vệ tinh MPO và Mio. Sau khi trút bỏ mô-đun chuyển tiếp, hai vệ tinh vẫn giữ kết nối song song tiếp tục tiến vào vùng ảnh hưởng trọng lực của sao Thủy và dự kiến sẽ được lực hấp dẫn của hành tinh này bắt giữ vào ngày 21 tháng 11. [1]

Thời khắc quyết định tiếp theo diễn ra vào ngày 9–10 tháng 12 năm 2026, khi MPO và Mio chính thức tách rời nhau. Sự kiện chia tách này đánh dấu cột mốc BepiColombo chính thức cập bến sao Thủy, đồng thời đưa vệ tinh Mio của JAXA đi vào quỹ đạo hoạt động khoa học tiêu chuẩn. Sau đó, vệ tinh MPO của ESA sẽ tiếp tục thực hiện các thao tác hiệu chỉnh bổ sung để đi vào quỹ đạo nghiên cứu riêng vào ngày 19 tháng 3 năm 2027. [1]

Giá trị tri thức từ sứ mệnh chinh phục sao Thủy

Việc đưa thành công hai vệ tinh MPO và Mio vào các quỹ đạo khoa học riêng biệt mở ra cơ hội nghiên cứu toàn diện về hành tinh nằm gần Mặt Trời nhất. MPO sẽ tập trung chụp ảnh bề mặt, phân tích thành phần địa chất và cấu tạo bên trong, trong khi Mio đảm nhiệm việc đo đạc từ trường, khí quyển mỏng dính và môi trường hạt năng lượng xung quanh sao Thủy. [1]

Sự kỳ công trong 8 năm di chuyển cùng chuỗi 9 lần bay lướt cho thấy cái giá phải trả để tiếp cận sao Thủy là rất lớn, nhưng thành quả mang lại là vô giá. Những dữ liệu thu thập được từ quỹ đạo ổn định sẽ giúp các nhà khoa học giải mã quá trình hình thành của các hành tinh đất đá trong điều kiện khắc nghiệt gần sao chủ, điều mà những chuyến bay lướt chớp nhoáng trước đây chưa thể giải quyết triệt để. [1]