Cất cánh thẳng đứng, hạ cánh thẳng đứng VTVL (vertical takeoff, vertical landing) là hình thức cất cánh và hạ cánh dành cho tên lửa. Nhiều máy bay của kênh truyền hình VTVL đã bay. Tên lửa VTVL được biết đến rộng rãi và thành công nhất về mặt thương mại là tầng đầu tiên Falcon 9 của SpaceX.
Công nghệ VTVL đã được phát triển đáng kể với các tên lửa nhỏ sau năm 2000, một phần do các cuộc thi có giải thưởng khuyến khích như Thử thách đổ bộ lên Mặt Trăng. Tên lửa VTVL nhỏ thành công được phát triển bởi Masten Space Systems, Armadillo Aerospace và các hãng khác.
Bắt đầu từ giữa những năm 2010, VTVL đã được phát triển mạnh mẽ như một công nghệ cho tên lửa tái sử dụng đủ lớn để vận chuyển con người. Vào năm 2013, SpaceX đã trình diễn khả năng hạ cánh thẳng đứng trên nguyên mẫu Falcon 9 sau khi leo lên độ cao 744 m trên không. Sau đó, Blue Origin (New Shepard) và SpaceX (Falcon 9), cả hai đều thể hiện sự phục hồi của các phương tiện phóng sau khi quay trở lại bãi phóng (RTLS), với tên lửa đẩy New Shepard của Blue Origin thực hiện lần hạ cánh thẳng đứng thành công đầu tiên vào ngày 23/11/2015, sau chuyến bay ra ngoài vũ trụ và chuyến bay Falcon 9 số 20 của SpaceX đánh dấu lần hạ cánh đầu tiên của tên lửa đẩy thương mại vào quỹ đạo khoảng một tháng sau đó, vào ngày 22/12/2015. Tất cả ngoại trừ một lần phóng của SpaceX Falcon Heavy đều bao gồm các nỗ lực của kênh truyền hình VTVL cho hai tên lửa đẩy bên trên mỗi tên lửa. SpaceX cũng đang phát triển một tên lửa có thể tái sử dụng hoàn toàn có tên Starship.
Không nên nhầm lẫn tên lửa VTVL với các máy bay cất cánh và hạ cánh thẳng đứng nhưng sử dụng không khí để hỗ trợ và tạo lực đẩy, chẳng hạn như máy bay trực thăng và máy bay phản lực nhảy là máy bay VTOL.
Lịch sử
– 1961 Bell Rocket Belt, tên lửa cá nhân trình diễn VTVL.
– Khái niệm tên lửa VTVL đã được Philip Bono của Douglas Aircraft Co. nghiên cứu vào những năm 1960.
– Mô-đun Mặt Trăng Apollo là phương tiện truyền thông hai giai đoạn của thập niên 1960 dùng để hạ cánh và cất cánh từ Mặt Trăng.
– Tập đoàn Khoa học và Công nghệ Quốc phòng Úc phóng thành công tên lửa Hoveroc vào ngày 2/5/1981 trong một cuộc thử nghiệm tại Port Wakefield, Nam Úc. Nó có khả năng “đường bay được kiểm soát trong mặt phẳng nằm ngang và kết thúc, nếu cần, ở trạng thái hạ cánh có kiểm soát”.
– Liên Xô đã thực hiện một số công việc phát triển một tàu con thoi hạ cánh thẳng đứng có tên Zarya vào cuối những năm 1980 nhưng chưa bao giờ bay.
– McDonnell Douglas DC-X là một phương tiện phóng SSTO VTVL nguyên mẫu không có người lái tỷ lệ 1/3 đã thực hiện một số chuyến bay thử nghiệm thành công trong những năm 1990. Chuyến bay thành công đầu tiên của nó là vào năm 1993. Vào tháng 6/1996, phương tiện này đã lập kỷ lục về độ cao 3.140 m, trước khi hạ cánh thẳng đứng.
– Rotary Rocket đã thử nghiệm thành công hệ thống hạ cánh thẳng đứng cho thiết kế Roton của họ, dựa trên hệ thống trực thăng có đầu tên lửa vào năm 1999, nhưng không thể gây quỹ để chế tạo một phương tiện hoàn chỉnh.
– Ngày 13/6/2005 phương tiện phóng có thể tái sử dụng quỹ đạo phụ VTVL Blue Origin được công bố.
– 2005 Blue Origin Charon, một phương tiện thử nghiệm chạy bằng động cơ phản lực đã xác minh các công nghệ điều khiển và dẫn đường tự động sau này được sử dụng trong tên lửa Blue Origins VTVL.
– 2006, 2007 Blue Origin Goddard, một mẫu thử nghiệm quy mô nhỏ cho phương tiện quỹ đạo phụ New Shephard sau này, đã thực hiện 3 chuyến bay thành công trước khi nghỉ hưu.
– Trong giai đoạn 2006-2009, tên lửa TVL bay Scorpius/ Super Mod của Armadillo Aerospace, Xombie của Masten Space Systems và Blue Ball của Unreasonable Rocket đã cạnh tranh trong Thử thách tàu đổ bộ mặt trăng của Northrop Grumman/ NASA. Các thiết kế tiếp theo của VTVL bao gồm Xaero của Masten và Stig của Armadillo nhằm mục đích bay tốc độ cao hơn đến độ cao dưới quỹ đạo cao hơn.
– SpaceX đã công bố kế hoạch vào năm 2010 nhằm lắp đặt thiết bị hạ cánh có thể triển khai trên tàu vũ trụ Dragon và sử dụng động cơ đẩy của phương tiện này để thực hiện hạ cánh trên đất liền. Nó đã bị hủy bỏ vào năm 2017.
– Vào năm 2010, ba tàu vũ trụ VTVL đã được trao cho NASA để đáp lại lời kêu gọi phương tiện phóng có thể tái sử dụng dưới quỹ đạo (sRLV) của NASA theo Chương trình Điều hành Chuyến bay của NASA: Blue Origin New Shepard, Masten Xaero và Armadillo Super Mod.
– Morpheus là một dự án của NASA những năm 2010 đang phát triển một bệ thử nghiệm thẳng đứng nhằm chứng minh các hệ thống đẩy nhiên liệu xanh mới cũng như công nghệ phát hiện mối nguy hiểm và hạ cánh tự động.
– Mighty Eagle là một tàu đổ bộ nguyên mẫu robot đầu những năm 2010 được NASA phát triển vào tháng 8/2012.
– SpaceX thông báo vào tháng 9/2011 rằng họ sẽ cố gắng phát triển khả năng hạ cánh và phục hồi bằng năng lượng của cả hai giai đoạn Falcon 9, với cả viên nang VTVL Dragon.
– 2012: Tên lửa Grasshopper của SpaceX là phương tiện thử nghiệm tăng cường giai đoạn đầu của VTVL được phát triển để xác nhận các khía cạnh kỹ thuật ở độ cao thấp, tốc độ thấp khác nhau của công nghệ tên lửa tái sử dụng cho phương tiện lớn của nó. Phương tiện thử nghiệm đã thực hiện 8 chuyến bay thử nghiệm thành công trong năm 2012-2013. Grasshopper v1.0 thực hiện chuyến bay thử nghiệm thứ tám và cuối cùng vào ngày 7/1/2013, bay tới độ cao 744 m trước khi hạ cánh thành công lần thứ tám trên kênh VTVL.
– 2013-2017: DragonFly là nguyên mẫu thử nghiệm chạy bằng tên lửa ở độ cao thấp dành cho phiên bản hạ cánh bằng lực đẩy của tàu vũ trụ SpaceX Dragon. Sau đó, họ dự định sử dụng công nghệ này trên Dragon 2, tàu vũ trụ có thể tái sử dụng chở phi hành đoàn thế hệ thứ hai của họ, để hạ cánh sau khi trở về từ không gian, cũng như hệ thống hủy bỏ phóng. Nguyên mẫu DragonFly đã được sử dụng để thử nghiệm chuyến bay đẩy ở độ cao thấp vào năm 2014 và 2015. Tuy nhiên, quá trình phát triển đã bị hủy bỏ vào giữa năm 2017.
– 2014: Phương tiện phát triển tái sử dụng Falcon 9 của SpaceX dài hơn Grasshopper khoảng 15 m và được chế tạo trên xe tăng áp Falcon 9 v1.1 kích thước đầy đủ của họ, với các chân hạ cánh được thiết kế theo kiểu chuyến bay và bộ đẩy khí nitơ để kiểm soát tư thế tăng cường. F9R Dev1 thực hiện chuyến bay thử nghiệm đầu tiên vào tháng 4/2014, ở độ cao 250 m trước khi hạ cánh thẳng đứng theo danh nghĩa.
– Vào ngày 23/11/2015, tên lửa đẩy New Shepard của Blue Origin đã thực hiện lần hạ cánh thẳng đứng thành công đầu tiên sau chuyến bay thử nghiệm quỹ đạo dưới quỹ đạo không người lái để bay vào vũ trụ.
– Vào ngày 21/12/2015, giai đoạn đầu tiên của Falcon 9 thứ 20 của SpaceX đã thực hiện lần hạ cánh thẳng đứng thành công đầu tiên của một tên lửa đẩy loại quỹ đạo sau khi đẩy 11 vệ tinh thương mại lên quỹ đạo Trái đất thấp trên Chuyến bay Falcon 9 20.
– Vào ngày 8/4/2016, Falcon 9 của SpaceX đã hạ cánh thành công lần đầu tiên trên tàu không người lái của sân bay vũ trụ tự trị của họ như một phần của sứ mệnh tiếp tế hàng hóa SpaceX CRS-8 cho Trạm vũ trụ quốc tế.
– Kể từ năm 2017, DLR, CNES và JAXA đang phát triển một trình diễn tên lửa VTVL có thể tái sử dụng được gọi là CALLISTO (Hành động hợp tác dẫn đến đổi mới về bệ phóng trong các hoạt động ném ngược giai đoạn).
– Tháng 1/2018: Công ty vũ trụ tư nhân Trung Quốc LinkSpace đã thử nghiệm thành công tên lửa quỹ đạo thử nghiệm có thể tái sử dụng với thành công cất cánh thẳng đứng, hạ cánh thẳng đứng (VTVL)
– Vào ngày 6/2/2018, SpaceX đã hạ cánh thành công hai tên lửa đẩy giai đoạn đầu tiên của họ trong chuyến bay trình diễn Falcon Heavy.
– 2018: ISRO tiết lộ thông tin chi tiết về phương tiện thử nghiệm ADMIRE mà địa điểm thử nghiệm và hạ cánh đang được phát triển. Chiếc xe sẽ có động cơ đẩy retro siêu âm, các chân hạ cánh có thể thu vào đặc biệt sẽ hoạt động như các vây lưới có thể điều khiển được và sẽ được dẫn hướng bởi hệ thống định vị tích hợp có máy đo độ cao bằng laser và máy thu NavIC.
– Thử nghiệm VTVL ở độ cao thấp của Starhopper có đường kính 9 m, một bài viết thử nghiệm ban đầu cho SpaceX Starship, đã diễn ra tại Địa điểm phóng SpaceX South Texas gần Brownsville, Texas vào tháng 7 và tháng 8/2019 với các chuyến bay lên tới ~ 150 m đã được thực hiện.
– Vào tháng 8/2020, SpaceX bắt đầu thử nghiệm các nguyên mẫu Starship của mình. SN5, SN6 và SN15 đều phóng và hạ cánh thành công VTVL trong khi SN8, SN9, SN10 và SN11 đều bị phá hủy do hạ cánh không thành công.
– Vào ngày 20/7/2021, tên lửa New Shepard của Blue Origin đã hạ cánh thẳng đứng thành công lần đầu tiên sau chuyến bay dưới quỹ đạo của phi hành đoàn. Bốn hành khách có mặt trên phi vụ NS-16, trong đó có Jeff Bezos.
Công nghệ hạ cánh thẳng đứng
Công nghệ cần thiết để thực hiện thành công việc hạ cánh bằng lực đẩy ngược – hạ cánh thẳng đứng, hay “VL”, bổ sung cho công nghệ cất cánh thẳng đứng VT (vertical takeoff) tiêu chuẩn của những thập kỷ đầu của chuyến bay vào vũ trụ của con người – có một số bộ phận. Đầu tiên, lực đẩy thường được yêu cầu phải có vectơ và yêu cầu điều tiết ở một mức độ nào đó. Tuy nhiên, tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng lớn hơn 1 là không thực sự cần thiết.
Xe phải có khả năng tính toán được vị trí, độ cao của xe; những sai lệch nhỏ so với phương thẳng đứng có thể gây ra những sai lệch lớn ở vị trí nằm ngang của xe. Hệ thống RCS thường được yêu cầu để giữ xe ở góc chính xác. SpaceX cũng sử dụng vây lưới để kiểm soát thái độ trong quá trình hạ cánh tên lửa đẩy Falcon 9 của họ.
Nó cũng có thể cần thiết để có khả năng đốt cháy động cơ trong nhiều điều kiện khác nhau, bao gồm chân không, siêu âm, siêu âm, siêu âm và cận âm.
Trọng lượng bổ sung của nhiên liệu, thùng chứa lớn hơn, chân hạ cánh và cơ chế triển khai của chúng thường sẽ làm giảm hiệu suất của hệ thống hạ cánh mềm so với các phương tiện có thể sử dụng được, tất cả những thứ khác đều như nhau. Lợi ích chính của công nghệ này được thấy ở khả năng giảm đáng kể chi phí chuyến bay vào vũ trụ nhờ có thể tái sử dụng tên lửa sau khi hạ cánh thành công trên VTVL.
Xem thêm:
CẤT CÁNH NGẮN VÀ HẠ CÁNH THẲNG ĐỨNG (STOVL)
CẤT VÀ HẠ CÁNH THẲNG ĐỨNG (VTOL)
CẤT VÀ HẠ CÁNH THẲNG ĐỨNG VÀ/HOẶC ĐƯỜNG BĂNG NGẮN (V/STOL)
CẤT CÁNH BẰNG MÁY PHÓNG, THU HỒI BẮT (CATOBAR)
CẤT CÁNH NGẮN, THU HỒI BẮT (STOBAR)
CẤT VÀ HẠ CÁNH TRÊN ĐƯỜNG BĂNG NGẮN (STOL)
CẤT CÁNH THẲNG ĐỨNG, HẠ CÁNH THẲNG ĐỨNG (VTVL)
