Tàu vũ trụ tự hành Otter: Bước tiến tự động dọn dẹp và kiểm tra rác ngoài không gian

Mỗi năm, hàng nghìn vệ tinh nhân tạo được đưa vào quỹ đạo Trái Đất nhằm cung cấp dịch vụ liên lạc, dự báo thời tiết và dẫn đường cho đời sống con người. Tuy nhiên, đi kèm với sự phát triển nhanh chóng của hạ tầng vũ trụ là một mối nguy thầm lặng nhưng ngày càng lớn: các vệ tinh hết hạn sử dụng và tầng tên lửa cũ trôi dạt tự do. Ngày 01 tháng 10, từ Căn cứ Lực lượng Không gian Vandenberg tại California, một sứ mệnh thử nghiệm mang tên SSPICY đã chính thức bắt đầu, đánh dấu cột mốc quan trọng trong lịch sử kỹ thuật kiểm tra và xử lý rác quỹ đạo. [1]

Được quản lý bởi Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) và phát triển bởi công ty Starfish Space, tàu vũ trụ Otter mang sứ mệnh chứng minh khả năng tự tiếp cận các vật thể hỏng ngoài không gian. Không cần sự can thiệp trực tiếp liên tục từ mặt đất, con tàu này hứa hẹn sẽ mở ra chương mới cho công nghệ bảo dưỡng và làm sạch môi trường Trái Đất tầm thấp. [1]

Bối cảnh gia tăng rác quỹ đạo và sự ra đời của sứ mệnh SSPICY

Trong nhiều thập kỷ chinh phục vũ trụ, số lượng vật thể nhân tạo được phóng lên không gian đã tăng theo chiều hướng liên tục. Khi một vệ tinh gặp sự cố hoặc kết thúc vòng đời hoạt động, nó sẽ biến thành một khối rác vũ trụ thụ động. Các vật thể này, cùng với các tầng tên lửa đẩy đã qua sử dụng, có nguy cơ tự vỡ vụn hoặc va chạm với nhau, tạo ra vô số mảnh vỡ với nhiều kích thước khác nhau. Khi mật độ mảnh vỡ tăng cao, nguy cơ đe dọa các hệ thống vệ tinh đang hoạt động mà xã hội hiện đại phụ thuộc hàng ngày cũng gia tăng tương ứng. [1]

Trước thực trạng đó, Chương trình Vệ tinh nhỏ và Hệ thống Phân tán thuộc Vụ Sứ mệnh Nghiên cứu và Công nghệ của NASA đã tài trợ và quản lý sứ mệnh thử nghiệm công nghệ SSPICY. Dự án bắt nguồn từ các khoản tài trợ thuộc chương trình Nghiên cứu Đổi mới Sáng tạo Doanh nghiệp Nhỏ và Chuyển giao Công nghệ Doanh nghiệp Nhỏ của NASA dành cho Starfish Space nhằm phát triển các công nghệ cốt lõi trên tàu Otter. Sứ mệnh này là bước chuẩn bị chiến lược nhằm hướng tới khả năng dọn dẹp và bảo trì vệ tinh tự động trong tương lai. [1]

Cột mốc năm 2027 và thử thách tiếp cận cự ly gần

Theo lộ trình phát triển của sứ mệnh, vào đầu năm 2027, con tàu mang tên Otter 24C sẽ đi vào giai đoạn vận hành thử nghiệm trọng tâm. Tàu Otter sẽ di chuyển đến cự ly chỉ vài trăm mét so với tối đa bốn vật thể không còn hoạt động có nguồn gốc từ Mỹ đang quay quanh quỹ đạo Trái Đất tầm thấp, bao gồm cả vệ tinh hỏng và tầng tên lửa cũ. [1]

Việc tiến lại gần một vật thể trôi dạt tự do ngoài vũ trụ ở vận tốc cực lớn đòi hỏi sự kiểm soát cực kỳ chính xác. Có thể hình dung thao tác này giống như việc điều khiển một thiết bị bay giữ khoảng cách cố định với một vật thể đang lăn tròn trong môi trường không trọng lực mà không hề có dây dẫn hay điểm tựa cố định nào. Trong suốt sứ mệnh SSPICY, tàu Otter sẽ không chạm hay kết nối trực tiếp với bất kỳ vật thể nào, mà tập trung kiểm chứng công nghệ di chuyển và quan sát an toàn. [1]

Bộ não tự chủ: Thị giác máy tính và phần mềm tự ra quyết định

Điểm nhấn kỹ thuật của tàu Otter chính là khả năng vận hành tự chủ cao độ mà không phụ thuộc vào sự điều khiển sát sao từ mặt đất. Tại khoảng cách hàng trăm km cách bề mặt Trái Đất, việc truyền tín hiệu điều khiển thủ công theo thời gian thực gặp rào cản về độ trễ, có thể dẫn tới những phản ứng không kịp thời trong tình huống bất ngờ. Tàu Otter khắc phục rào cản này bằng phần mềm dẫn đường và điều khiển tự động được tích hợp sẵn bên trong hệ thống xử lý của tàu. [1]

Hệ thống thị giác máy tính kết hợp cùng các cảm biến thu thập dữ liệu hoạt động như bộ quan sát thông minh cho con tàu. Khi di chuyển lại gần vật thể mục tiêu, phần mềm tự hành sẽ liên tục xử lý thông tin đầu vào để đưa ra các quyết định điều hướng ngay trong thời gian thực. Nhờ đó, con tàu có thể tự chủ tính toán quỹ đạo tiếp cận, giữ khoảng cách an toàn và tự điều chỉnh chuyển động mà không cần chờ câu lệnh điều khiển từng bước từ trung tâm mặt đất. [1]

Động cơ điện cùng tay đòn robot đo đạc thông số mục tiêu

Trong quá trình tiếp cận ở cự ly gần, tàu Otter sẽ thực hiện nhiệm vụ thu thập các dữ liệu kỹ thuật then chốt của mục tiêu. Các thông số này bao gồm tốc độ xoay, hướng di chuyển trong không gian và tình trạng thực tế của bề mặt vật thể sau thời gian dài chịu tác động từ môi trường vũ trụ. Nhờ những dữ liệu chi tiết này, các kỹ sư dưới mặt đất có thể đánh giá chính xác tình trạng tổn hại của vật thể để chuẩn bị cho các phương án xử lý tiếp theo. [1]

Để di chuyển giữa các vật thể nằm ở những độ cao và quỹ đạo khác nhau, sứ mệnh SSPICY trang bị cho tàu Otter hệ thống động cơ đẩy điện hiệu suất cao. Bên cạnh đó, con tàu còn sử dụng một tay đòn robot khớp nối linh hoạt nhằm thử nghiệm việc định hướng các động cơ đẩy, giúp thực hiện các thao tác chuyển đổi quỹ đạo phức tạp. Đây là lần đầu tiên các công nghệ này được kết hợp thành một hệ thống tích hợp hoàn chỉnh trên một con tàu thử nghiệm. [1]

Hướng mở cho tương lai bảo dưỡng và dọn dẹp quỹ đạo Trái Đất

Sứ mệnh SSPICY không chỉ dừng lại ở một chuyến bay thử nghiệm đơn lẻ, mà đánh dấu bước chuyển mình trong cách con người quản lý tài nguyên quỹ đạo. Mặc dù tàu Otter không tiến hành gắp hay kéo vật thể trong chuyến hành trình lần này, các thử nghiệm về khả năng tiếp cận tự động sẽ đặt nền móng kỹ thuật vững chắc cho các dòng tàu vũ trụ thương mại và dịch vụ trong tương lai. [1]

Khi các công nghệ này hoàn thiện, các tàu vũ trụ tự hành thế hệ sau có thể thực hiện những nhiệm vụ phức tạp hơn như tiếp cận để sửa chữa, tái nạp nhiên liệu cho các vệ tinh còn khả năng sử dụng, hoặc an toàn kéo các khối rác vũ trụ nguy hiểm lao về phía khí quyển Trái Đất để bốc cháy hoàn toàn. Sự phát triển này hứa hẹn sẽ giúp duy trì môi trường không gian quanh Trái Đất an toàn và bền vững cho các hoạt động vũ trụ tiếp theo. [1]