Hạ cánh một con tàu vũ trụ lên một thiên thể khác là một trong những kỳ công thách thức nhất của công cuộc khám phá không gian.

Điều đó đòi hỏi sự tinh thông vật lý phức tạp, độ chính xác trong kỹ thuật và khả năng ra quyết định theo thời gian thực trong những điều kiện khắc nghiệt.

Hệ thống hạ cánh hành tinh là sự kết hợp tinh vi của nhiều công nghệ, được thiết kế để đảm bảo quá trình hạ xuống an toàn, chạm đất chính xác và bảo vệ các tải trọng trước địa hình cũng như môi trường chưa được biết đến.

Thách thức của việc hạ cánh lên những thế giới khác

Không giống như Trái Đất, các thiên thể khác hầu như không cho phép sai sót bởi sự đa dạng về bầu khí quyển, lực hấp dẫn, địa hình và việc thiếu cơ sở hạ tầng. Các hệ thống hạ cánh phải xử lý tốc độ xâm nhập cao, kiểm soát động lực học trong quá trình rơi và đối phó với các mối nguy trên bề mặt như đá tảng, dốc nghiêng hay bụi. Những thất bại trong các sứ mệnh trước đây cho thấy sự cân bằng mong manh giữa khối lượng, vận tốc và sự tiêu tán năng lượng. Để hạ cánh an toàn, các hệ thống cần khả năng tự động phát hiện mối nguy, điều chỉnh quỹ đạo và thực hiện những thao tác phức tạp mà không cần lệnh tức thời từ con người, bởi độ trễ tín hiệu thường kéo dài hàng phút trong các nhiệm vụ sao Hỏa hay Mặt Trăng.

Các thành phần chính của hệ thống hạ cánh hành tinh

Điều hướng:

Để ước lượng chính xác vị trí và vận tốc của tàu, điều hướng tích hợp dữ liệu từ các đơn vị đo quán tính (IMU), radar, lidar và camera. Điều hướng quang học, bao gồm nhận diện địa hình, giúp đối chiếu các đặc điểm địa hình dự kiến với dữ liệu trong cơ sở onboard nhằm định vị chính xác khi hạ xuống.

Phát hiện và tránh mối nguy:

Bản đồ địa hình thời gian thực bằng cảm biến lidar hoặc radar sẽ quét khu vực hạ cánh, tạo mô hình 3D. Thuật toán phát hiện mối nguy xác định chướng ngại vật, độ dốc và bề mặt không an toàn.

Kiểm soát hạ cánh và động cơ phụ:

Động cơ phụ điều chỉnh vận tốc và định hướng của tàu dựa trên phản hồi từ máy tính dẫn đường.

Chân đáp và bộ giảm chấn:

Phần cứng tiếp đất phải hấp thụ xung lực và ổn định tàu trên địa hình gồ ghề. Các chân đáp có thể triển khai cùng hệ thống giảm chấn giúp làm mềm tác động, bảo vệ tải trọng và thiết bị khỏi hư hại.

Tiến bộ mới: Chương trình SPLICE và khả năng tự hành chính xác

Chương trình Safe & Precise Landing – Integrated Capabilities Evolution (SPLICE) của NASA đánh dấu một bước tiến lớn trong công nghệ hạ cánh tự hành. Cốt lõi là hệ thống Lidar phát xung laser với tốc độ cao để tạo bản đồ 3D thời gian thực về các địa điểm tiềm năng. Một máy tính hạ cánh xử lý khối lượng dữ liệu cảm biến khổng lồ, xác định vận tốc, độ cao và rủi ro địa hình, từ đó dẫn hướng tàu đến vị trí an toàn. Trong các thử nghiệm gần đây tại Trung tâm Vũ trụ Kennedy, SPLICE chứng minh cảm biến lidar có thể lập bản đồ khu vực rộng tương đương hai sân bóng đá chỉ trong hai giây, ngay cả trong điều kiện rung lắc dữ dội. Khả năng phản ứng nhanh này cho phép hạ cánh chính xác trong phạm vi 50 mét so với điểm mục tiêu — điều đặc biệt quan trọng với các sứ mệnh nhắm tới vùng địa hình hiểm trở như cực Mặt Trăng hay các thung lũng sao Hỏa. SPLICE, với hệ thống điện tử tích hợp và thuật toán tránh mối nguy, chính là minh chứng cho thế hệ công nghệ hạ cánh không gian tiếp theo.

Nỗ lực của châu Âu: Sự kết hợp giữa điều hướng quang học và lidar

Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) đang phát triển những phương pháp bổ sung, kết hợp điều hướng quang học với cảm biến lidar trong sứ mệnh Lunar Lander. Camera quét bề mặt khi hạ cánh, nhận diện miệng hố và địa hình bằng cách đối chiếu hình ảnh với cơ sở dữ liệu onboard được xây dựng từ các vệ tinh quỹ đạo trước đó. Điều này giúp tăng độ chính xác trong việc xác định vị trí mà không phụ thuộc vào hướng dẫn từ Trái Đất. Kỹ sư NASA kiêm trưởng nhóm hệ thống hạ cánh, Tiến sĩ Michael Johnson, nhận định: "Những tiến bộ trong phát hiện mối nguy theo thời gian thực và điều hướng tự hành đang cách mạng hóa việc hạ cánh chính xác. Các hệ thống này biến địa hình chưa biết từ rủi ro thành biến số có thể kiểm soát, mở ra cơ hội khám phá những môi trường đầy thách thức". Chuyên gia điều hướng ESA, Tiến sĩ Elisa Moretti, nhấn mạnh vai trò của tự hành: "Khi các sứ mệnh đi xa hơn khỏi Trái Đất, việc dựa vào khả năng tự chủ onboard là sống còn. Những phát triển của chúng tôi trong điều hướng quang học và tránh mối nguy bằng trí tuệ nhân tạo đang chuẩn bị cho tàu vũ trụ khả năng đưa ra quyết định tức thì, vượt ngoài tốc độ phản ứng của con người".

Ý nghĩa rộng lớn đối với tương lai khám phá không gian

Những cải tiến trong hệ thống hạ cánh hành tinh không chỉ phục vụ cho các sứ mệnh robot. Hạ cánh chính xác còn cho phép triển khai tàu thám hiểm, thiết bị và cả nơi ở của con người trên những bề mặt khắc nghiệt. Các hệ thống tự hành trong phát hiện và tránh mối nguy giúp giảm rủi ro, tăng khả năng mang tải trọng nhờ tối ưu phân bổ khối lượng, và mở lối tiếp cận những khu vực giàu giá trị khoa học nhưng trước đây bất khả thi. Những sứ mệnh sắp tới như chương trình Artemis của NASA hay chiến dịch đưa mẫu vật từ sao Hỏa sẽ hưởng lợi từ những đổi mới này. Trong tương lai, việc khám phá các mặt trăng băng giá như Europa và Titan — nơi môi trường cực đoan và địa hình bất định đặt ra thách thức vô cùng lớn — sẽ trở nên khả thi hơn. Khoa học về hệ thống hạ cánh hành tinh dựa trên sự tích hợp tinh vi giữa cảm biến, điều hướng, phân tích mối nguy tự động và kiểm soát động lực. Các chương trình như SPLICE của NASA hay sự kết hợp điều hướng quang học–lidar của ESA đã thể hiện đỉnh cao công nghệ, cho phép hạ cánh an toàn và chính xác trong những môi trường ngày càng khắc nghiệt. Sự tiến hóa không ngừng của các hệ thống này chính là nền tảng mở rộng tầm với của nhân loại khắp Hệ Mặt Trời, chuẩn bị cho những khám phá mới và cả bước chân con người trên những thế giới xa xôi.