STS-51-F: Khi một động cơ tàu con thoi chết giữa lúc phóng và phần mềm phải "cứu" cả sứ mệnh

Vào ngày 29 tháng 7 năm 1985, tàu con thoi Challenger cất cánh từ Trung tâm Vũ trụ Kennedy. Chỉ hơn ba phút sau, một động cơ chính chết giữa chừng. Thay vì một thảm họa, sứ mệnh đã trở thành ví dụ kinh điển về cách hệ thống điều khiển thời gian thực và quy trình khẩn cấp có thể xoay chuyển cục diện.

Chuyện gì đã xảy ra trong 8 phút đầu tiên

Ở giây thứ 343 của quá trình bay lên, một trong hai cảm biến nhiệt độ xả tuabin của động cơ trung tâm (SSME số 1) báo lỗi. Hai phút mười hai giây sau, cảm biến còn lại cũng hỏng, khiến hệ thống tự động ngắt động cơ trung tâm. Đây là lần duy nhất trong toàn bộ chương trình Space Shuttle một động cơ RS-25 gặp sự cố ngay trong lúc bay.

Khoảng 8 phút sau khi phóng, một cảm biến tương tự ở động cơ bên phải cũng hỏng, và cảm biến còn lại hiển thị nhiệt độ sát ngưỡng nguy hiểm. Kỹ sư hệ thống tàu đẩy Jenny M. Howard đã nhanh chóng khuyến nghị phi hành đoàn vô hiệu hóa các lệnh ngắt động cơ tự động tiếp theo — một quyết định được đánh giá là đã ngăn chặn khả năng mất cả phi hành đoàn lẫn phương tiện.

Bảng điều khiển tàu con thoi trong sứ mệnh STS-51-F, cho thấy lựa chọn quy trình Abort-to-Orbit (ATO)

Abort-to-Orbit: giải pháp "không hoàn hảo nhưng sống sót"

Thay vì quay về Trái Đất khẩn cấp, Challenger chuyển sang quỹ đạo thấp hơn kế hoạch — kỹ thuật gọi là Abort to Orbit (ATO). Kế hoạch ban đầu là quỹ đạo 385 x 382 km, nhưng thực tế sứ mệnh diễn ra ở độ cao 265 x 262 km.

Ý tưởng cốt lõi của ATO là: nếu không đủ lực đẩy để đạt quỹ đạo mong muốn, tàu vẫn có thể vào một quỹ đạo thấp hơn nhưng an toàn, thay vì phải hủy bỏ toàn bộ và quay về. Đây là bài toán tối ưu hóa quỹ đạo được tính toán lại trong thời gian thực ngay khi động cơ gặp sự cố.

Đây là sứ mệnh tàu con thoi duy nhất trong lịch sử từng thực hiện thành công một quy trình hủy bỏ sau khi đã phóng.

Sứ mệnh vẫn thành công, thậm chí kéo dài hơn dự kiến

Điều đáng chú ý là dù phải bay ở quỹ đạo thấp hơn, phần lớn mục tiêu khoa học của Spacelab 2 vẫn hoàn thành. Sứ mệnh thậm chí được kéo dài thêm 17 vòng quỹ đạo để tận dụng cơ hội thu thập thêm dữ liệu.

Các thành tựu chính bao gồm:

• Kính viễn vọng hồng ngoại IRT (khẩu độ 15,2 cm, làm lạnh bằng helium) quan sát được 60% mặt phẳng thiên hà trong dải sóng 1,7–118 μm, dù gặp sự cố một miếng cách nhiệt mylar bong ra và trôi vào tầm nhìn.
• Hệ thống định hướng công cụ IPS của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) lần đầu được thử nghiệm trên quỹ đạo, đạt độ chính xác một giây cung, sau khi được vá lỗi phần mềm để theo dõi Mặt Trời.
• Gói chẩn đoán plasma PDP được cánh tay robot Canadarm gắp ra khỏi khoang hàng và thả tự do sáu giờ để nghiên cứu tầng điện ly.
• Thí nghiệm tạo hai "lỗ hổng" plasma trong tầng điện ly phía trên Tasmania và Boston, phối hợp với các nhà địa vật lý trên toàn thế giới.

Đáng chú ý, sứ mệnh còn mang theo một mảnh vỏ trứng và xương của khủng long con Maiasaura — trở thành hóa thạch khủng long đầu tiên được đưa vào không gian.

Cuộc chiến cola và bài học về thử nghiệm trên không gian

Phần được truyền thông chú ý nhất của STS-51-F lại không phải khoa học, mà là Carbonated Beverage Dispenser Evaluation — cuộc đối đầu giữa Coca-Cola và Pepsi để trở thành loại nước ngọt có ga đầu tiên trong vũ trụ.

Theo phi hành gia Loren Acton, sau khi Coke phát triển thiết bị pha chế thử nghiệm cho một chuyến bay trước đó, Pepsi đã vận động hành lang tới Tổng thống Ronald Reagan để đảm bảo Coke không phải là thương hiệu cola đầu tiên lên không gian. Kết quả: thí nghiệm bị hoãn cho đến khi Pepsi hoàn thiện hệ thống riêng.

• Đội Blue thử Coca-Cola, đội Red thử Pepsi.
• Acton mô tả hệ thống của Coke "rót soda khá giống những gì chúng ta uống trên Trái Đất".
• Lon Pepsi thực chất là một lon kem cạo râu dán nhãn giấy, cho ra thứ nước "đầy bọt khí và không mấy dễ uống".

Sau chuyến bay, các phi hành gia tiết lộ họ thích Tang hơn — phần vì có thể pha với nước lạnh sẵn có trên tàu, phần vì không có thiết bị làm lạnh chuyên dụng nào để ướp lạnh lon, và nước ngọt có ga trong môi trường vi trọng lực sủi bọt quá mức.

Di sản kỹ thuật

Challenger hạ cánh xuống Căn cứ Không quân Edwards, California, ngày 6 tháng 8 năm 1985, với quãng đường lăn bánh 2.612 mét. Sứ mệnh kéo dài 7 ngày 22 giờ 45 phút và hoàn thành 127 vòng quỹ đạo.

Nhìn lại, STS-51-F là một nghiên cứu điển hình về thiết kế hệ thống có khả năng chịu lỗi: khi một bộ phận cứng thất bại, phần mềm và quy trình vận hành phải đủ linh hoạt để tìm ra đường đi khác. Đây cũng là lý do vì sao dữ liệu cảm biến dự phòng, khả năng vô hiệu hóa lệnh tự động và các kịch bản hủy bỏ được thiết kế sẵn vẫn là nguyên tắc cốt lõi trong mọi hệ thống hàng không vũ trụ cho đến ngày nay.

Tuy nhiên, sứ mệnh cũng bộc lộ hạn chế: các quan sát hồng ngoại từ khoang tàu con thoi bị nhiễu bởi chính thân tàu, dẫn đến việc các kính viễn vọng hồng ngoại sau này được thiết kế bay tự do thay vì gắn cố định vào tàu.