Hệ thống tự hành: Voyager 1 và 2 - Kẻ lữ hành trong "vô lượng kiếp"

Tàu vũ trụ Voyager 1 và Voyager 2 là ví dụ kinh điển nhất về hệ thống tự hành cho mọi giáo trình trên toàn thế giới.

Tàu Voyager - 2 tàu thiết kế gần như giống hệt nhau (ảnh NASA)

Chương trình Voyager của NASA

(1) Bối cảnh

Năm 1964-1965, Gary Flandro, một kỹ sư quỹ đạo tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (NASA Jet Propulsion Laboratory - JPL), nhận ra rằng cuối thập niên 1970, bốn hành tinh khí khổng lồ (Mộc tinh, Thổ tinh, Thiên Vương tinh, Hải Vương tinh) sẽ xếp theo một cung thuận lợi. Một tàu vũ trụ có thể dùng lực hấp dẫn của từng hành tinh để “ném” mình sang hành tinh kế tiếp (gravity assist), thay vì tốn nhiên liệu cho từng chặng. Nhờ vậy, thời gian bay tới Hải Vương tinh giảm từ khoảng 30 năm xuống còn 12 năm. Cơ hội này lặp lại khoảng 176 năm một lần.

NASA ban đầu đề xuất chương trình “Grand Tour” rất tham vọng, gồm nhiều tàu thăm dò cả bốn hành tinh. Nhưng sau Apollo, ngân sách bị cắt giảm mạnh, và Grand Tour bị hủy.

Apollo ra đời chủ yếu vì Chiến tranh Lạnh. Sau khi Liên Xô phóng Sputnik (1957) và đưa Gagarin lên quỹ đạo (1961), Tổng thống Kennedy đặt mục tiêu đưa người lên Mặt Trăng để chứng tỏ ưu thế công nghệ của Mỹ. Khi Apollo 11 hạ cánh năm 1969, “cuộc đua” coi như Mỹ thắng. Động lực chính trị để chi hàng tỷ USD mỗi năm biến mất, và các chuyến sau này bị xem là lặp lại.

Vào đúng thời điểm đó (khoảng năm 1966), NASA tiêu gần 4-5% ngân sách liên bang, một tỷ lệ chưa từng có cho một cơ quan khoa học. Mức đó vốn đã là ngoại lệ, và gần như không thể duy trì sau khi chương trình kết thúc. Các cuộc thăm dò thời đó cho thấy đa số người Mỹ thường không ủng hộ chi tiêu quá lớn cho Apollo. Sau thời điểm hạ cánh, khi niềm hứng khởi lắng xuống, nhiều người, kể cả một bộ phận nghị sĩ, cho rằng tiền nên dành cho các vấn đề trong nước như đói nghèo, đô thị xuống cấp, bất bình đẳng chủng tộc.

Từ cuối thập niên 1960, chính phủ Mỹ phải gánh chi phí chiến tranh Việt Nam và các chương trình “Xã hội Vĩ đại” của Tổng thống Johnson (giáo dục, y tế, chống nghèo). Chi tiêu liên bang chịu áp lực lớn, và NASA là khoản dễ cắt vì không có đối tượng cử tri trực tiếp.

Đầu thập niên 1970, Mỹ gặp lạm phát và suy thoái. Chính quyền Nixon không có hứng thú đặc biệt với không gian như Kennedy, và thập niên 1970 cũng là giai đoạn hòa hoãn với Liên Xô, làm giảm thêm áp lực cạnh tranh. Biểu tượng của sự thay đổi này là chuyến bay chung Apollo-Soyuz năm 1975.

Các sứ mệnh Apollo 18, 19, 20 đã bị hủy (từ năm 1970), dù tàu và tên lửa đã được chế tạo hoặc đang chế tạo. Việc sản xuất tên lửa Saturn V chấm dứt. Năm 1969, một nhóm cố vấn đề xuất kế hoạch rất tham vọng gồm trạm vũ trụ, cơ sở trên Mặt Trăng và đưa người lên Sao Hỏa vào thập niên 1980, nhưng Quốc hội và Nhà Trắng bác bỏ. Cuối cùng chỉ còn lại chương trình Tàu con thoi (Space Shuttle), được phê duyệt năm 1972 với quy mô nhỏ hơn nhiều.

NASA chấp thuận một phương án rẻ hơn gọi là Mariner Jupiter-Saturn 1977 (MJS77), chỉ nhắm tới Mộc tinh và Thổ tinh, với chi phí khoảng 250 triệu USD - một bản rút gọn của giấc mơ ban đầu. Tuy nhiên, các nhà thiết kế cố tình chế tạo tàu đủ bền và quỹ đạo của Voyager 2 đủ linh hoạt để nếu mọi thứ suôn sẻ, nó vẫn có thể “gia hạn” sang Thiên Vương tinh và Hải Vương tinh. Cuối cùng chương trình được đổi tên thành Voyager (nghĩa là “Người lữ hành”). Việc nó vẫn làm được nhiều hơn dự kiến nhiều lần cho thấy các kỹ sư JPL đã thiết kế cực kỳ khôn ngoan trong điều kiện ngân sách eo hẹp.

Ngoài ra, dự án còn có nhiệm vụ trả lời các câu hỏi khoa học lớn: bầu khí quyển Mộc tinh hoạt động thế nào, vành đai Thổ tinh được cấu tạo ra sao, tìm hiểu mặt trăng Titan của Thổ tinh có bầu khí quyển dày bí ẩn, và Thiên Vương tinh hay Hải Vương tinh thời đó gần như chưa ai biết gì.

(2) Thiết kế

JPL (Caltech) chịu trách nhiệm chế tạo và vận hành tàu. Nhà khoa học dự án nổi tiếng là Edward Stone, người gắn bó với Voyager hàng thập niên. 

Nhà vật lý không gian người Mỹ Edward Stone,

giám đốc JPL, dẫn dắt chương trình Voyager trong 50 năm

Triết lý thiết kế là dựa trên các thiết kế Mariner và Viking hiện có, đặc biệt là kinh nghiệm của JPL với tàu quỹ đạo Viking 1975. Cách này vừa giảm rủi ro vừa tiết kiệm chi phí, phù hợp với tình hình ngân sách eo hẹp khi đó.

JPL lưu giữ cả một bộ hồ sơ về các cấu hình thử nghiệm giai đoạn 1971-1977. Họ dùng phân tích phần tử hữu hạn để mô phỏng phản ứng của từng bộ phận và toàn bộ cấu trúc tàu dưới các loại ứng suất khác nhau, với phần mềm NASTRAN. Nhiều cấu hình khác nhau đã được thử nghiệm trước khi lắp ráp mô hình kiểm chứng. Nghĩa là “các phiên bản” ban đầu chủ yếu tồn tại dưới dạng mô hình tính toán, không phải phần cứng thật. Bộ hồ sơ này cũng có các thử nghiệm phân tích rung động của tàu cùng tên lửa đẩy.

JPL đã chế tạo 3 tàu vũ trụ giống hệt nhau, nặng khoảng 722 kg. VGR77-1 là mô hình thử nghiệm kiểm chứng (Proof-Test Model, PTM) và không bao giờ được phóng, VGR77-2 là chuyến bay số 1 (tức Voyager 2), còn VGR77-3 là chuyến bay số 2 (tức Voyager 1). Số hiệu và tên gọi nhìn qua có vẻ ngược nhau, vì Voyager 2 phóng trước nên mang “Flight 1”.

Voyager là sứ mệnh không người lái đầu tiên tích hợp điện toán phân tán, một phần vì số lượng nhiệm vụ cần thực hiện chính xác trong các chuyến bay ngang qua các hành tinh đầy rủi ro sẽ vượt quá khả năng của bất kỳ máy tính đơn lẻ nào có thể được trang bị. Đồng thời giúp ngăn chặn các nhóm kỹ thuật khác nhau cạnh tranh tài nguyên từ một máy tính duy nhất.

Sơ đồ CCS trên tàu Voyager giống hệt của tàu Viking (NASA)

Một trong 8 bo mạch của FDS của một tàu Voyager (NASA)

Mỗi tàu có ba hệ máy tính dự phòng kép: CCS (Computer Command System - điều lệnh), AACS (Attitude Articulation Control System - kiểm soát tư thế và bệ quét) và FDS (Flight Data System - dữ liệu bay). Dung lượng 69,63 KB cho mỗi tàu (tính cả dự phòng) - siêu bèo so với hiện nay (một cái điện thoại cùi bắp cũng có dung lượng gấp hàng chục nghìn lần cả tàu Voyager). Trong bối cảnh thập niên 1970, đây là thiết kế cực kỳ ấn tượng vì có thể lập trình từ xa được, làm tốt nhất việc cần làm, lại còn có dự phòng.

• CCS 18 bit, bộ nhớ 4.096 từ (dây mạ, không bay hơi khi mất điện), làm nhiệm vụ nhận lệnh từ Trái Đất, điều phối các máy khác. Thiết kế giống hệt CCS của tàu Viking - tái sử dụng để tiết kiệm. CCS thực hiện khoảng 81.000 lệnh mỗi giây.
• AACS 18 bit, bộ nhớ 4.096 từ, làm nhiệm vụ điều khiển con quay, động cơ đẩy, hướng tàu.
• FDS 16 bit, bộ nhớ 8.192 từ (CMOS SRAM), làm nhiệm vụ thu thập và đóng gói dữ liệu khoa học. FDS dùng bộ nhớ nhanh hơn vì phải xử lý lượng dữ liệu lớn từ camera và các thiết bị khoa học. Cái giá là nó từng hỏng: bộ nhớ của FDS dự phòng trên Voyager 1 đã hỏng từ 6/10/1981, và đợt lỗi 2023 do một con chip làm mất 256 từ nhớ.

Ngôn ngữ lập trình được sử dụng là assembly. Một bài báo cáo của chính nhóm dự án nói rằng cả AACS lẫn FDS đều dùng assembly, còn CCS dùng assembly cùng một dạng “mã giả” riêng của Voyager (có trình thông dịch). Vì thế rất khó thu hút lập trình viên trẻ vào dự án. Ba máy tính dùng ba loại CPU khác nhau nên có tới ba biến thể assembly. Fortran (và có thể cả C) đóng vai trò ở phía công cụ và mặt đất, rồi mã đã biên dịch mới được gửi lên tàu, vì tàu không có trình biên dịch. Điều này khá quan trọng khi sửa lỗi: một kỹ sư dự án cho biết assembly vẫn có tài liệu, nhưng không còn công cụ phát triển, bộ thử phần cứng hay trình giả lập, nên công việc phải làm thủ công. Có thời gian, NASA từng toát mồ hôi tìm kỹ sư phần mềm biết Assembly và Fortran - vì sinh viên và kỹ sư thời nay chả mấy ai thèm học nó.

PTM được dùng để kiểm chứng thiết kế trước khi bắt tay vào các tàu bay thật. Ngày 3/12/1976, PTM được đặt trong buồng mô phỏng không gian 25 foot của JPL, với bệ quét mang các thiết bị khoa học ở vị trí triển khai. Buồng này tạo môi trường chân không và nhiệt độ cực đoan của không gian. Ngày 12/1/1977, PTM trải qua thử nghiệm chuẩn bị cơ khí và đo trọng lượng cùng trọng tâm.

Tài liệu của JPL nhấn mạnh tàu phải đáp ứng các yêu cầu môi trường từ lúc lắp ráp ban đầu, thử nghiệm mặt đất, vận chuyển, phóng, hành trình và các cuộc gặp gỡ hành tinh, hai giai đoạn sau dự kiến kéo dài khoảng hai mươi năm. Tàu cũng được trang bị cảm biến chẩn đoán trong chừng mực có thể, để khi có sự cố vẫn thu được dữ liệu về nguyên nhân. Đây chính là một lý do các kỹ sư ngày nay vẫn xử lý được lỗi từ khoảng cách xa hàng chục tỷ km.

Các kỹ sư đang làm việc trên mô hình tàu Voyager trước khi phóng (NASA)

Tàu PTM cũng được dự phòng làm “bảo hiểm”: nó có thể được dùng nếu một trong hai tàu bay gặp sự cố. Khi đó tàu còn lại sẽ không được chuyển hướng sang Thiên Vương tinh, vì cuộc gặp Titan được coi là quan trọng hơn. Rốt cuộc cả hai tàu đều bay thành công nên PTM không cần dùng đến. Hiện nay PTM được trưng bày tại hội trường von Kármán của JPL.

Cấu trúc mỗi tàu Voyager

Các bộ phận chính:

• Anten độ lợi cao đường kính 3,7 m, hướng liên tục về Trái Đất để liên lạc qua Mạng lưới Không gian Sâu (DSN). Dùng cả băng tần S và X.
• Nguồn điện hạt nhân RTG: ba máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ dùng plutonium-238. Lúc phóng cho khoảng 470 W. Năng lượng này giảm dần theo thời gian vì plutonium phân rã. Tàu ở quá xa Mặt Trời nên không thể dùng pin mặt trời. Nhiệt từ sự phân rã chuyển thành điện nhờ các cặp nhiệt điện silic-germani, không có bộ phận chuyển động nào. Nhờ không có cơ cấu cơ khí, hệ thống chạy gần 50 năm.
• Ba máy tính (điều khiển lệnh, dữ liệu bay, kiểm soát tư thế) với bộ nhớ chỉ vài chục kilobyte. Dữ liệu lưu tạm trên một máy ghi băng số 8 rãnh - vì tàu không thể truyền dữ liệu ngay khi chụp.
• Bệ quét (scan platform) mang camera và các dụng cụ cần chĩa chính xác vào mục tiêu.
• Cần đo từ trường dài 13 m để tránh nhiễu từ thân tàu.

Tàu ổn định ba trục, tức là hướng của nó được giữ cố định bằng con quay, cảm biến Mặt Trời, cảm biến sao (Canopus) và các động cơ đẩy hydrazine nhỏ, thay vì quay tròn như một số tàu thời đó. Điều này cho phép anten luôn hướng về Trái Đất và camera nhắm chính xác vào mục tiêu. Bệ quét có thể xoay để theo dõi mục tiêu khi tàu bay vút qua.

Tàu dùng lớp cách nhiệt nhiều tầng, các cửa chớp nhiệt (louver) tự điều chỉnh và bộ sưởi. Bộ sưởi chính là thứ NASA vừa thay trong thao tác “Big Bang” để tiết kiệm điện.

10 thiết bị khoa học: trên mỗi tàu, gồm hệ thống chụp ảnh (hai camera), quang phổ hồng ngoại, quang phổ cực tím, quang cực kế, thiết bị đo từ trường, đo plasma, đo sóng plasma, đo sóng vô tuyến hành tinh, đo hạt tích điện năng lượng thấp và đo tia vũ trụ.

Đĩa Vàng (Golden Record): Mỗi tàu mang một đĩa đồng mạ vàng (để tồn tại hàng tỷ năm trong không gian) 12 inch, do ủy ban của Carl Sagan biên soạn mất gần một năm, nội dung và hình dạng giống nhau, như một “chai thông điệp” gửi vào vũ trụ. Đĩa chứa 115 hình ảnh, âm thanh Trái Đất (sóng, sấm, tiếng chim, tiếng tim đập), lời chào bằng 55 ngôn ngữ, khoảng 90 phút âm nhạc từ nhiều nền văn hóa, cùng hướng dẫn cách phát đĩa. Đây là sự kế thừa ý tưởng tấm kim loại gắn trên tàu Pioneer 10 và 11, hy vọng sẽ có một nền văn minh tiên tiến bắt được.

Bìa Đĩa Vàng tàu Voyager (NASA)

Một ảnh trong Đĩa Vàng: giới thiệu con người ăn, liếm, uống

(3) Phóng

Một bài phỏng vấn kỹ sư của JPL nói rằng sau năm năm hoàn thiện tàu và quỹ đạo, kế hoạch là Voyager 2 phóng trước, Voyager 1 phóng sau vài ngày. Việc phóng Voyager 2 trước là chủ ý. Lý do liên quan đến cơ hội tới Thiên Vương tinh - Uranus. Cửa sổ phóng đóng lại trước cuối tháng 8/1977, nên phóng Voyager 2 sớm giúp NASA có cơ hội thực sự tới Thiên Vương tinh, rồi Voyager 1 được phóng hai tuần sau, chỉ tới Mộc tinh và Thổ tinh. Vì Voyager 1 đi quỹ đạo nhanh hơn nên đến đích trước, và nó được gọi là “Voyager 1” vì tới các mục tiêu đầu tiên trước, chứ không phải vì phóng trước.

Chuyến phóng Voyager 2 gặp rắc rối. Đó là khởi đầu của một loạt vấn đề, và chúng khiến việc phóng Voyager 1 bị lùi bốn ngày để đảm bảo không lặp lại. Một trục trặc ở tầng lõi thứ hai của tên lửa Titan khiến Voyager 2 lệch hướng đôi chút và tốn thêm hydrazine để hiệu chỉnh, nhưng cuối cùng được giải quyết.

Cả hai tàu được phóng từ Mũi Canaveral (Florida) bằng tên lửa Titan IIIE-Centaur vào năm 1977. Voyager 2 phóng ngày 20/8/1977, sớm hơn Voyager 1 (phóng ngày 5/9/1977) 16 ngày, vì nó đi theo quỹ đạo dài và chậm hơn, được thiết kế để tới Thiên Vương tinh và Hải Vương tinh. Voyager 1 đi quỹ đạo nhanh hơn nên sẽ vượt mặt Voyager 2 trước khi tới Mộc tinh, và nhờ vậy được đánh số hiệu “1” vì tới đích trước.

Hành trình

Không va chạm với viên đá nào suốt đời?

Hai tàu Voyager 1 và Voyager 2 vẫn sống khỏe khi đi qua vành đai tiểu hành tinh (giữa sao Hỏa và sao Mộc), vành đai Kuiper, rồi qua cả ranh giới nhật quyển. Vì sao thế? 

Chúng ta xem trong video và phim ảnh, thấy mô phỏng vành đai tiểu hành tinh là một bãi đá dày đặc. Sai. Thực tế, các tiểu hành tinh trong vành đai cách nhau trung bình hàng trăm nghìn đến hàng triệu km, trong khi mỗi tiểu hành tinh chỉ rộng vài km đến vài trăm km. Một tàu vũ trụ bay xuyên qua gần như chắc chắn không gặp vật thể nào, và các nhà thiết kế quỹ đạo cũng không cần nhắm tránh từng viên đá, vì xác suất va chạm rất nhỏ. Hầu hết tiểu hành tinh, sao chổi chu kỳ ngắn và bụi nằm gần mặt phẳng hoàng đạo (mặt phẳng quỹ đạo của các hành tinh). Sau khi gặp hành tinh cuối cùng, mỗi tàu bị hất ra khỏi mặt phẳng này: Voyager 1 lên phía bắc (sau cú bay sát Titan), Voyager 2 xuống phía nam (sau Hải Vương tinh). Khi đã ở ngoài mặt phẳng, khả năng gặp vật thể còn thấp hơn nữa.

Ngoài ra, khi thiết kế hành trình, NASA đã khảo sát trước những khu vực có nguy cơ cao hơn, chủ yếu là hệ vành đai của các hành tinh khí khổng lồ, nơi có nhiều hạt bụi và mảnh vụn.

Khi băng qua mặt phẳng vành đai của Thổ tinh và Thiên Vương tinh, thiết bị đo sóng plasma của Voyager 2 ghi nhận nhiều va chạm với các hạt bụi cực nhỏ (cỡ vài micromet). Một số sự kiện như vậy còn gây nhiễu nhỏ cho hệ thống điều khiển hướng. Những hạt bụi này nhỏ đến mức thường chỉ gây ra những tín hiệu nhiễu ngắn, nhờ đó các kỹ sư còn biết được mật độ bụi ở đó. Thân tàu cũng có lớp cách nhiệt nhiều tầng bảo vệ phần nào khỏi hạt nhỏ, dù không phải một lớp giáp chống va chạm chuyên dụng. 

Ở không gian giữa các vì sao, mật độ vật chất còn thấp hơn nữa. Voyager 1 và 2 sẽ phải đi hàng trăm năm nữa mới tới đám mây Oort (nơi chứa các sao chổi nằm ở rìa Hệ Mặt Trời, khoảng cách ước tính từ vài nghìn đến vài chục nghìn AU). Ngay cả khi đó, các vật thể trong đám mây cũng cách nhau rất xa, nên xác suất va chạm vẫn cực thấp. Chuyến bay của chúng, theo tính toán quỹ đạo, sẽ tiếp tục hàng chục nghìn năm mà không có điểm gặp gỡ nào với một ngôi sao, càng không nói đến một vật thể cụ thể.

Tất nhiên, nhiều tàu không gian đã va chạm với tiểu hành tinh, sao chổi hay hành tinh (cố ý đâm vào hoặc vô tình đâm). Va chạm với hạt rất nhỏ (micromet đến milimet) gần như diễn ra thường xuyên với mọi vật thể trên quỹ đạo Trái Đất, nhưng thường chỉ để lại vết khuyết nhỏ. Va chạm với vật thể lớn (từ vài cm trở lên) thì cực hiếm và thường gây hậu quả nặng. Mối lo lớn nhất hiện nay thực ra không phải thiên thạch tự nhiên mà là rác vũ trụ quanh Trái Đất, vì tốc độ va chạm có thể lên tới hàng chục nghìn km/giờ. Trong các sứ mệnh ra xa như Voyager, nguy cơ này nhỏ hơn nhiều, đơn giản vì không gian ngoài kia rất thưa vật thể.

Sự cố

Hai tàu từng nhiều lần gặp sự cố và được kỹ sư cứu. Ví dụ, Voyager 2 mất bộ thu chính từ năm 1978 và chạy bằng bộ thu dự phòng. Cuối năm 2023, Voyager 1 gửi về dữ liệu vô nghĩa vì hỏng một phần bộ nhớ. Sau gần nửa năm, kỹ sư đã viết lại và chuyển mã sang vùng nhớ khác để khắc phục. Mỗi lệnh gửi đi mất hơn một ngày để tới nơi, cộng thêm thời gian chờ phản hồi, nên mỗi lần thử như một ván cờ kéo dài hai ngày.

Voyager 1 vừa trải qua một cú hú vía: liên lạc bị mất khoảng 48 giờ từ ngày 20/10/2026, rồi được khôi phục. Phương pháp Big Bang đã được áp dụng để sửa lỗi - nó cũng đã được áp dụng thành công để sửa lỗi cho Voyager 2 vào tháng 8 vừa qua. “Đây là lần đầu tiên chúng tôi thấy tàu vũ trụ làm điều như vậy, nhưng chúng tôi cũng đang ở giai đoạn mà phải chuẩn bị cho những điều bất ngờ,” NASA cho biết trong một thông cáo báo chí gần đây. “Chúng tôi rất vui mừng khi liên lạc lại được với Voyager 1 và rất mong muốn tìm hiểu chuyện gì đã xảy ra.” 

Quỹ đạo của 2 tàu Voyager 1 và 2 khi rời khỏi hệ Mặt Trời (NASA)

Hành trình của Voyager 1

• Mộc tinh (5/3/1979): Phát hiện núi lửa đang hoạt động trên Io, lần đầu tiên thấy hoạt động núi lửa ngoài Trái Đất (nhờ ảnh của kỹ sư Linda Morabito). Phát hiện vành đai mờ của Mộc tinh và một số mặt trăng nhỏ mới.
• Thổ tinh (12/11/1980): Chụp chi tiết vành đai và các mặt trăng. Bay sát Titan để nghiên cứu bầu khí quyển dày đặc. Lực hấp dẫn của Titan đã hất tàu lên khỏi mặt phẳng hoàng đạo (gravity assist - lực hấp dẫn ném/quăng tàu đi với vận tốc cực lớn và làm thay đổi quỹ đạo dự tính của tàu), chấm dứt phần hành trình thăm các hành tinh.
• 14/2/1990, bức ảnh nổi tiếng “Pale Blue Dot”: Theo đề xuất của Carl Sagan, trước khi tắt camera, Voyager 1 quay lại chụp “bức chân dung gia đình” của Hệ Mặt Trời. Trái Đất chỉ là một chấm nhỏ xanh nhạt từ khoảng 6 tỷ km.
• Ra khỏi nhật quyển (25/8/2012): Qua sóng xung kích cuối (termination shock) năm 2004, rồi vượt nhật quyển (heliopause) vào tháng 8/2012, trở thành vật thể nhân tạo đầu tiên vào không gian giữa các vì sao.
• Ngày 18/11/2026 lúc 5:16 sáng theo giờ EST, di chuyển với tốc độ 16,9 km/giây so với Mặt Trời và hệ Mặt Trời, tàu sẽ chạm mốc một ngày ánh sáng từ Trái Đất (25,9 tỷ km - hay 173 AU), nghĩa là tín hiệu một chiều mất đúng 24 giờ, và một vòng hỏi-đáp mất 48 giờ.
  
  

  

  Pale Blue Dot (Chấm xanh mờ nhạt) bức ảnh tàu Voyager 1 chụp Trái Đất ngày 14/2/1990 từ khoảng cách 6 tỷ km

  
  

Hành trình của Voyager 2

Đây là tàu duy nhất từng đến thăm cả bốn hành tinh khí khổng lồ, và tận dụng đúng cái "gravity assist" mà 176 năm mới xảy ra một lần để đổi quỹ đạo, rút ngắn hành trình tới Hải Vương tinh từ khoảng 30 năm xuống 12 năm.

• Mộc tinh (9/7/1979).
• Thổ tinh (25/8/1981).
• Thiên Vương tinh (24/1/1986): Phát hiện thêm khoảng 10 mặt trăng và vành đai mới, chụp mặt trăng Miranda với địa hình kỳ lạ. Đây vẫn là lần duy nhất có tàu thăm dò đến gần hành tinh này.
• Hải Vương tinh (25/8/1989): Phát hiện “Vết Tối Lớn”, các luồng gió cực mạnh, và các mạch phun khí nitơ trên mặt trăng Triton. Sau lần này, tàu bị hất xuống phía nam hoàng đạo. 
• Ra khỏi nhật quyển (5/11/2018): Qua termination shock năm 2007 và vượt nhật quyển ngày 5/11/2018.

Cách liên lạc với Trái Đất

Sử dụng sóng vô tuyến (sóng radio) trên băng tần X và S.

Phía tàu: có một anten và một máy phát rất yếu. 

Mỗi tàu có anten parabol độ lợi cao đường kính 3,7 m, luôn phải hướng về Trái Đất. Tàu dùng cảm biến Mặt Trời và cảm biến sao Canopus để giữ hướng này. Máy phát chỉ khoảng 20-23 W, tương đương một bóng đèn nhỏ trong tủ lạnh. Sức mạnh nằm ở chỗ anten tập trung toàn bộ năng lượng thành một chùm hẹp. 

Tàu dùng hai băng tần: băng X (khoảng 8,4 GHz) để gửi dữ liệu khoa học về, và băng S (khoảng 2,3 GHz) để gửi dữ liệu kỹ thuật và nhận lệnh. Hiện nay chủ yếu băng X còn được dùng để truyền dữ liệu về.

Phía Trái Đất, Mạng lưới Không gian Sâu (Deep Space Network - DSN) của NASA là nơi nhận và truyền tín hiệu (không chỉ với Voyager, mà với mọi sứ mệnh không gian của NASA và các cơ quan vũ trụ khác thông qua các thỏa thuận hợp tác quốc tế). Hầu như các nước lớn như Nga, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật, Châu Âu - ESA...) đều có mạng lưới DSN riêng, không phụ thuộc vào DSN của Mỹ.

DSN của NASA gồm ba trạm đặt cách nhau khoảng 120° kinh độ để luôn có ít nhất một trạm “nhìn thấy” tàu khi Trái Đất quay:

• Goldstone (California, Mỹ)
• Madrid (Tây Ban Nha)
• Canberra (Úc)

Mỗi trạm là đài thiên văn có các anten khổng lồ, lớn nhất là loại đường kính 70 m. Để thu tín hiệu cực yếu từ Voyager, DSN dùng các anten lớn này, và đôi khi ghép nhiều anten lại để cộng tín hiệu.

Các trạm DNS của NASA

Trạm DNS Goldstone (California, Mỹ)

Voyager 2 có một hạn chế đặc biệt: vì đang bay xuống phía nam hoàng đạo, nó nằm ở bầu trời phía nam, nên chỉ trạm Canberra mới liên lạc tốt được (đặc biệt là việc truyền lệnh lên tàu).

Tốc độ liên lạc với 2 tàu rất chậm. Gửi lệnh lên tàu chỉ khoảng 16 bit mỗi giây, rất chậm. Dữ liệu từ tàu về hiện chỉ khoảng 160 bit mỗi giây. Để so sánh, khi ở gần Mộc tinh, Voyager truyền ảnh với tốc độ lên tới hơn 100 kilobit mỗi giây. Tốc độ giảm vì tàu càng xa thì tín hiệu càng yếu, và máy phát cũng không thể mạnh hơn. Tín hiệu đến Trái Đất cực kỳ yếu, thấp hơn rất nhiều so với tín hiệu mà một chiếc đồng hồ kỹ thuật số hay radio thông thường tiêu thụ. Máy thu của DSN phải đủ nhạy để “nghe” được nó giữa nhiễu nền.

Tín hiệu đi với vận tốc ánh sáng nhưng vẫn mất nhiều thời gian. Voyager 1 sắp chạm một ngày ánh sáng (ngày 18/11/2026), nên một tín hiệu một chiều mất khoảng 24 giờ, còn vòng “gửi lệnh, nhận phản hồi” mất khoảng 48 giờ. Mỗi lần kỹ sư gửi lệnh sửa lỗi, họ phải chờ gần hai ngày mới biết kết quả. Điều đó giải thích vì sao việc sửa lỗi bộ nhớ FDS năm 2023-2024 kéo dài nhiều tháng.

Tháng 7/2023, một lệnh sai khiến Voyager 2 nghiêng anten lệch khoảng 2°, đủ để tín hiệu không còn hướng đúng về Trái Đất, và tàu “im lặng”. Tàu tự có chương trình định kỳ để đặt lại hướng, nhưng chu kỳ này khá dài. Kỹ sư dùng anten 70 m ở Canberra để gửi một “tiếng hét” công suất cao lên tàu, đủ mạnh để tàu thu được dù anten đang lệch, và lệnh đó đã đặt lại hướng đúng. 

Với tàu Voyager 2, các kỹ sư nâng cấp khả năng liên lạc khi tàu đã bay. Trước khi tới Thiên Vương tinh và Hải Vương tinh, nơi tín hiệu rất yếu, họ gửi phần mềm mới để thêm mã sửa lỗi Reed-Solomon và nén ảnh, đồng thời ghép nhiều anten mặt đất lại (“arraying”) để thu tín hiệu tốt hơn. Nhờ đó, ảnh về từ Hải Vương tinh sạch hơn dù xa hơn nhiều.

Cách tiếp cận này, đổi phần mềm để cải thiện năng lực của phần cứng cũ, vẫn là cách NASA duy trì hai tàu cho đến nay.

Mạng lưới DNS toàn cầu theo dõi mọi sứ mệnh không gian,

bao gồm cả Voyager (NASA)

Hiện trạng và tương lai

Hai tàu đang tiếp tục hoạt động ở không gian liên sao (NASA)

Các tàu Voyager tiếp tục thực hiện các nghiên cứu khoa học khi chúng di chuyển trong không gian giữa các vì sao, vượt ra ngoài rìa của hệ Mặt Trời bên ngoài. Hai tàu Voyager là những sứ mệnh đầu tiên trực tiếp lấy mẫu vùng không gian nằm ngoài nhật quyển.

Năm 2017, các kỹ sư thử đốt lại bộ động cơ hiệu chỉnh quỹ đạo của Voyager 1, vốn nằm im 37 năm, và chúng hoạt động. Điều đó cho thấy cả những bộ phận ít khi dùng cũng được chế tạo rất bền.

Các tàu mất khoảng 4 W công suất điện mỗi năm, nên NASA phải tắt dần các thiết bị. Voyager 1 chỉ còn hai thiết bị hoạt động là máy đo từ trường và hệ thống sóng plasma. Voyager 2 còn ba thiết bị. 

Do di chuyển rất xa Mặt Trời, các sứ mệnh Voyager dựa vào máy phát điện nhiệt điện sử dụng đồng vị phóng xạ Plutonium để tạo năng lượng. PU-238 có chu kỳ bán rã gần 88 năm, điều này có nghĩa là các sứ mệnh hiện đang dần mất đi nguồn năng lượng.

Để kéo dài sự sống, nhóm kỹ sư thay hai bộ sưởi chính và máy ghi băng 8 rãnh cũ bằng ba bộ phận tương đương tiêu thụ ít điện hơn. Voyager 2 được áp dụng trước, rồi sáu tuần sau là Voyager 1 (đầu tháng 9/2026). Nhờ vậy NASA tránh phải tắt thêm thiết bị vào năm 2027. 

Tàu Voyager 1 hiện đang sử dụng hơn 200 watt điện năng, đủ để cung cấp năng lượng cho một chiếc chăn điện. Điều này đã buộc các nhà điều khiển nhiệm vụ phải đưa ra một số quyết định khó khăn, bao gồm việc tắt thí nghiệm hạt tích điện năng lượng thấp (LECP) vào đầu năm 2026. Việc thay thế phải diễn ra đồng thời, vì các bộ phận liên quan cũng có nhiệm vụ sưởi ấm tàu ​​vũ trụ và đảm bảo nó tiếp tục hoạt động trong vùng không gian sâu thẳm lạnh giá.

Hiện tại, hệ thống sóng plasma (PWS) quan trọng cùng với thiết bị đo từ trường trên tàu Voyager 1 vẫn đang hoạt động .

Cả hai sẽ tròn 50 năm trên quỹ đạo vào năm 2027 - đây hẳn sẽ là cột mốc trọng đại mà cả thế giới phải chúc mừng đội ngũ Voyager.

Mạng lưới không gian sâu toàn cầu của NASA tiếp tục theo dõi các tín hiệu ngày càng yếu dần từ tàu vũ trụ Voyager. Có thể các nhà điều khiển sẽ phải đối phó với nhiều sự cố mất tín hiệu hơn trong những năm tới.

Khi hết điện, tàu sẽ “im lặng” nhưng vẫn tiếp tục trôi, thực sự là người lữ hành lặng lẽ rong ruổi khắp vũ trụ. Voyager 1 sẽ bay qua khoảng 1,6 năm ánh sáng từ ngôi sao Gliese 445 sau chừng 40.000 năm nữa. Voyager 2 sẽ đi qua sao Ross 248 sau khoảng 40.000 năm, rồi tới gần Sirius (khoảng 4,3 năm ánh sáng) sau khoảng 296.000 năm. Nên nhớ, đó chỉ là tính toán lý thuyết của NASA. Trong thực tế, vũ trụ đang giãn nở, các ngôi sao có thể biến mất, sao mới xuất hiện, khoảng cách/hình dạng các thiên hà không như hiện tại, hoặc bất hạnh hơn, tàu gặp sao chổi hay đâm vào ngôi sao nào đó - xác suất siêu siêu nhỏ - nhưng không có gì là không thể.

Nếu không có va chạm đáng kể nào trong không gian giữa các vì sao, hai tàu và Đĩa Vàng có thể tồn tại hàng tỷ năm, có lẽ lâu hơn cả loài người, hay Trái Đất - nền văn minh đã tạo ra chúng.

Sau 2 tàu Voyager, sẽ còn rất lâu nữa mới có một sứ mệnh tiếp theo rời khỏi hệ Mặt Trời - có thể là Insterstellar Probe.

Khó khăn

Điểm yếu thực sự không nằm ở năng lực tính toán mà ở tuổi thọ phần cứng và việc ít ai còn hiểu hệ thống. Hầu hết kỹ sư thế hệ đầu đã nghỉ hưu, và các công cụ phát triển gốc không còn tồn tại.

Các kỹ sư hy vọng giữ được ít nhất một thiết bị hoạt động trên mỗi tàu đến thập niên 2030. Dù vậy, mọi kế hoạch đều có rủi ro vì tàu đã rất già. Ngoài điện năng, còn có giới hạn về khoảng cách: một nguồn tin cho rằng đến khoảng năm 2036, ngay cả khi tàu còn hoạt động, nó sẽ ở quá xa để DSN liên lạc được. Con số này mang tính ước tính. 

Thành tựu của 2 tàu Voyager

(1) Thành tựu chung của chương trình Voyager (cả 2 tàu)

Chương trình Voyager là chương trình đầu tiên kiểm chứng gravity assist (ném hấp dẫn) quy mô lớn trên các hành tinh ngoài, mở đường cho các sứ mệnh sau như Galileo, Cassini, New Horizons tận dụng xài lại.

Lần đầu tiên con người nhìn thấy cận cảnh hệ thống Mộc tinh và Thổ tinh với độ phân giải chi tiết, và là lần đầu (và duy nhất đến nay) nhìn thấy Thiên Vương tinh và Hải Vương tinh.

Cả hai tàu đã vào không gian liên sao, và vẫn truyền dữ liệu từ đó - giúp nhân loại có những hiểu biết chính xác hơn về không gian ngoài hệ Mặt Trời.

Chúng là hai vật thể nhân tạo xa Trái Đất nhất và nằm trong số những tàu thăm dò hoạt động lâu nhất lịch sử, dù ban đầu chỉ được thiết kế cho nhiệm vụ ngắn hơn rất nhiều.

Mấy cái này nữa, nếu bạn cũng giống tôi, coi là thành tựu.

Đĩa Vàng, một thông điệp gửi đến bất kỳ nền văn minh nào có thể tìm thấy nó - minh chứng cho sự tồn tại của loài người. Thử tưởng tượng vài tỷ năm nữa, một giống loài nhận được nó, ra sức tìm kiếm và giải mã về chúng ta - dù khi đó loài người có thể đã tuyệt chủng, Trái Đất hay hệ Mặt Trời đã thành tro bụi?

Pale Blue Dot, các ảnh Mộc tinh và Hải Vương tinh, âm thanh plasma giữa các vì sao, đã trở thành biểu tượng của việc con người khám phá vũ trụ. 

Bản thân 2 con tàu gần 50 tuổi này đã là minh chứng cho giá trị của kỹ thuật bền vững và khả năng lập trình lại từ xa.

(2) Thành tựu của Voyager 1

Mộc tinh (3/1979)

• Phát hiện núi lửa đang hoạt động trên Io, lần đầu tiên thấy núi lửa hoạt động ngoài Trái Đất. Linda Morabito, kỹ sư dẫn đường, nhận ra một “chiếc liềm” lạ trên rìa Io trong ảnh, hóa ra là cột khí phun từ núi lửa. Phát hiện này làm các nhà khoa học bất ngờ vì Io tưởng là một thế giới nguội lạnh. Nguồn nhiệt đến từ lực thủy triều của Mộc tinh làm Io bị bóp nắn liên tục.
• Phát hiện vành đai mờ của Mộc tinh.
• Phát hiện sét trên phía đêm của Mộc tinh và cực quang.
• Phát hiện thêm một số mặt trăng nhỏ và cho thấy các mặt trăng lớn (Ganymede, Callisto, Europa) rất khác nhau về bề mặt, đặc biệt là lớp băng bị nứt của Europa gợi ý có thể có đại dương dưới băng.

Thổ tinh và Titan (11/1980)

• Bay sát Titan và khẳng định nó có bầu khí quyển dày, chủ yếu là nitơ, áp suất bề mặt cao hơn Trái Đất, che kín bởi sương mù màu cam. Đây là một phát hiện quan trọng cho ngành sinh học vũ trụ, và là động lực để sau này NASA và ESA gửi tàu Cassini-Huygens.
• Quan sát cấu trúc vành đai Thổ tinh phức tạp hơn nhiều so với kỳ vọng: các vành đai nhỏ chi tiết, “nan hoa” (spokes) và vành F bện xoắn, được “chăn dắt” bởi hai mặt trăng nhỏ.
• Cú bay sát Titan đã hất tàu lên khỏi mặt phẳng hoàng đạo.

Tàu Voyager 1 quan sát thấy Sao Thổ hình lưỡi liềm (NASA)

Ảnh “Pale Blue Dot” (14/2/1990)

Trước khi tắt camera, tàu quay lại chụp một chuỗi ảnh “chân dung gia đình” của Hệ Mặt Trời, gồm khoảng 60 khung hình. Trong đó, Trái Đất chỉ là một chấm sáng nhỏ nằm trong một tia nắng. Bức ảnh này, kèm bài viết nổi tiếng của Carl Sagan, trở thành một trong những hình ảnh có ảnh hưởng văn hóa lớn nhất của kỷ nguyên không gian.

Biên giới Hệ Mặt Trời

• Vượt termination shock (nơi gió Mặt Trời chậm lại đột ngột) vào khoảng tháng 12/2004, ở cách Mặt Trời khoảng 94 AU.
• Vượt heliopause vào ngày 25/8/2012, ở khoảng 121 AU, trở thành vật thể nhân tạo đầu tiên vào không gian giữa các vì sao. Phát hiện chính là mật độ plasma tăng vọt, và tia vũ trụ từ ngoài vào tăng mạnh.
• Dữ liệu cho thấy từ trường ngay bên ngoài nhật quyển gần như cùng hướng với từ trường bên trong, một điều không như nhiều mô hình dự đoán.

(3) Thành tựu của Voyager 2

Mộc tinh (7/1979) và Thổ tinh (8/1981)

• Bổ sung quan sát cho Voyager 1, ví dụ chụp lại Io để so sánh và thấy các núi lửa đã thay đổi.
• Ở Thổ tinh, khi quan sát vành đai, bệ quét của tàu bị kẹt tạm thời, nhưng các kỹ sư đã khắc phục được. Dữ liệu từ hai tàu giúp lập bản đồ chi tiết vành đai và bầu khí quyển Thổ tinh. Cấu trúc hình lục giác ở cực bắc Thổ tinh được nhận ra qua dữ liệu thời Voyager.

Thiên Vương tinh (24/1/1986)

Đây vẫn là lần duy nhất có tàu thăm dò đến gần hành tinh này.

• Phát hiện 10 mặt trăng mới và hai vành đai mới, nâng tổng số vành đai biết được lên 11.
• Từ trường nghiêng khoảng 59° so với trục quay và lệch khỏi tâm, một cấu trúc lạ chưa từng thấy ở hành tinh nào.
• Bầu khí quyển lạnh, khá “nhạt nhòa” khi nhìn bằng ánh sáng nhìn thấy, và hành tinh phát ra rất ít nhiệt bên trong so với các hành tinh khổng lồ khác.
• Chụp ảnh Miranda, mặt trăng có địa hình chắp vá với những vách đá khổng lồ và rãnh sâu, gợi ý nó từng bị vỡ rồi tái hợp.
• Xác định ngày trên Thiên Vương tinh dài khoảng 17 giờ nhờ tín hiệu vô tuyến.

Hải Vương tinh (25/8/1989)

• Phát hiện Vết Tối Lớn, một xoáy bão cỡ Trái Đất (sau này Hubble thấy nó biến mất vào giữa thập niên 1990).
• Đo được gió mạnh nhất Hệ Mặt Trời, lên tới khoảng 2.000 km/h.
• Phát hiện 6 mặt trăng mới và cho thấy các vành đai của Hải Vương tinh có những vòng cung sáng dày đặc không đều.
• Triton, mặt trăng lớn nhất, có quỹ đạo nghịch hành, gợi ý nó là vật thể bị bắt từ vành đai Kuiper. Voyager 2 phát hiện mạch nitơ phun lên từ bề mặt và bề mặt lạnh khoảng −235°C, một trong những nơi lạnh nhất từng được đo trong Hệ Mặt Trời.
• Từ trường Hải Vương tinh nghiêng khoảng 47° so với trục quay.

Vết tối lớn trên sao Hải Vương do Voyager 2 chụp (NASA)

Biên giới Hệ Mặt Trời

• Vượt termination shock vào năm 2007, ở khoảng 84 AU, gần hơn Voyager 1 một chút, cho thấy nhật quyển không đối xứng.
• Vượt heliopause vào ngày 5/11/2018, ở khoảng 119 AU.
• Voyager 2 có thiết bị đo plasma còn hoạt động khi băng qua ranh giới (trong khi thiết bị tương ứng của Voyager 1 đã hỏng từ trước), nên nó cung cấp phép đo trực tiếp đầu tiên về mật độ và tính chất plasma tại heliopause. Điều này làm thành tựu của hai tàu bổ sung cho nhau.

Toàn bộ ảnh tư liệu của 2 tàu Voyager, các bạn vui lòng xem trực tiếp trên website của NASA (hoặc kênh youtube của họ) - mỗi ảnh đều có giải thích rất dễ hiểu.
https://science.nasa.gov/mission/voyager/images-voyager-took/

https://www.jpl.nasa.gov/voyager-image-gallery/

https://pds-imaging.jpl.nasa.gov/portal/voyager_mission.html

<< Hệ thống tự hành: Bùng nổ mạnh mẽ