Đến nay Việt Nam đã có ba vệ tinh do kỹ sư trong nước thiết kế và chế tạo được đưa lên quỹ đạo: PicoDragon (khoảng 1 kg, năm 2013), MicroDragon (khoảng 50 kg, năm 2019) và NanoDragon (3,8 kg, năm 2021). Cả ba do Trung tâm Vũ trụ Việt Nam thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam phát triển, với sự hợp tác của Nhật Bản, và đều được phóng nhờ phương tiện của Nhật.
Đây là những vệ tinh nhỏ, có nhiệm vụ thử nghiệm và đào tạo là chính, khác hẳn các vệ tinh viễn thông Vinasat hay vệ tinh quan sát VNREDSat-1 mà Việt Nam mua từ nhà sản xuất nước ngoài. Giá trị của chúng không nằm ở dịch vụ cung cấp, mà ở năng lực thiết kế, chế tạo và vận hành mà đội ngũ kỹ sư tích luỹ được.
Bài này đi qua từng vệ tinh, giải thích những bài toán kỹ thuật cốt lõi của một vệ tinh nhỏ, và đặt các dự án này vào lộ trình công nghệ vũ trụ của Việt Nam.
Dòng thời gian: từ vệ tinh mua đến vệ tinh tự làm
Các mốc chính, theo thông tin công bố của các cơ quan liên quan và báo chí:
- 2008: vệ tinh viễn thông Vinasat-1 được phóng, do nhà sản xuất Mỹ chế tạo. Vinasat-2 tiếp nối năm 2012. Việt Nam sở hữu và khai thác, nhưng không thiết kế.
- 2013: vệ tinh quan sát Trái Đất VNREDSat-1 do một tập đoàn hàng không vũ trụ châu Âu chế tạo, phóng từ Guiana thuộc Pháp. Kỹ sư Việt Nam tham gia đào tạo trong quá trình chế tạo.
- 2013: PicoDragon, vệ tinh cỡ 1 kg do kỹ sư Việt Nam làm, được đưa lên Trạm Vũ trụ Quốc tế bằng tàu vận tải của Nhật và thả vào quỹ đạo cuối năm đó.
- 18/1/2019: MicroDragon, nặng khoảng 50 kg, được phóng bằng tên lửa Epsilon của Nhật từ Trung tâm Vũ trụ Uchinoura, tách khỏi tên lửa ở độ cao khoảng 511 km.
- 9/11/2021: NanoDragon, chuẩn 3U nặng 3,8 kg, được phóng bằng tên lửa Epsilon-5 sau ba lần hoãn vì lý do kỹ thuật và thời tiết.
Chuỗi mốc này cho thấy một lộ trình học dần: từ mua và vận hành, sang tham gia chế tạo dưới sự kèm cặp, rồi tự thiết kế những vệ tinh nhỏ với độ phức tạp tăng dần.
PicoDragon và chuẩn CubeSat
PicoDragon dựa trên chuẩn CubeSat, được hai trường đại học Mỹ là Cal Poly và Stanford đề xuất cuối thập niên 1990 nhằm giúp sinh viên làm vệ tinh với chi phí thấp. Một đơn vị chuẩn (1U) là khối lập phương cạnh khoảng 10 cm, nặng khoảng trên dưới 1 kg. Chuẩn hoá kích thước cho phép nhiều vệ tinh dùng chung một cơ cấu thả, đi nhờ các chuyến phóng lớn hoặc được thả từ Trạm Vũ trụ Quốc tế, nên chi phí phóng giảm mạnh.
Với kích thước ấy, PicoDragon chủ yếu thực hiện các nhiệm vụ thử nghiệm cơ bản: chứng minh các hệ thống tự làm hoạt động được trong môi trường vũ trụ, thu phát tín hiệu với trạm mặt đất, chụp ảnh thử. Với một đội ngũ lần đầu tự làm vệ tinh, vượt qua được các bước thử nghiệm trước phóng và liên lạc được với vệ tinh trên quỹ đạo đã là kết quả có ý nghĩa.
Bài học phương pháp ở đây là bắt đầu nhỏ. Rất nhiều chương trình vũ trụ mới nổi trên thế giới chọn CubeSat làm bước đầu, vì cho phép đội ngũ trải qua trọn vòng đời một sứ mệnh, từ thiết kế đến vận hành, với rủi ro tài chính chấp nhận được.
MicroDragon: bước nhảy về độ phức tạp
MicroDragon là một bước nhảy lớn, nặng khoảng 50 kg, gấp hàng chục lần PicoDragon. Dự án gắn với chương trình đào tạo do Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản điều phối: các kỹ sư Việt Nam được cử sang học tập, nghiên cứu tại nhiều trường đại học Nhật và trực tiếp thiết kế, chế tạo vệ tinh dưới sự hướng dẫn của giáo sư Nhật. Đây là mô hình "học bằng làm", trong đó sản phẩm cuối cùng là một vệ tinh thật.
Nhiệm vụ được công bố của MicroDragon là quan sát vùng biển ven bờ, đánh giá chất lượng nước và hỗ trợ xác định nguồn lợi thuỷ sản, bằng camera đa phổ thu ánh sáng ở nhiều dải bước sóng. Màu của nước biển ở các dải khác nhau phản ánh hàm lượng diệp lục của thực vật phù du, phù sa lơ lửng và các chất hoà tan, từ đó suy ra thông tin về môi trường và sinh thái.
Ở cỡ 50 kg, vệ tinh cần đầy đủ các phân hệ của một vệ tinh "thật": điều khiển tư thế chính xác để hướng camera, quản lý năng lượng cho tải trọng tiêu thụ điện lớn hơn, đường truyền dữ liệu đủ băng thông để tải ảnh về. Chế tạo và thử nghiệm những phân hệ này là phần năng lực mà một vệ tinh CubeSat 1U chưa đòi hỏi.
Năm bài toán kỹ thuật của một vệ tinh nhỏ
Sống sót khi phóng. Lúc tên lửa cất cánh và tách tầng, vệ tinh chịu rung động và gia tốc lớn. Mọi kết cấu, mối hàn, đầu nối phải qua thử rung trên bàn rung theo phổ yêu cầu của tên lửa trước khi được chấp nhận.
Nhiệt độ khắc nghiệt. Trên quỹ đạo thấp, vệ tinh đi vào vùng tối của Trái Đất rồi ra vùng nắng nhiều lần mỗi ngày, nhiệt độ bề mặt dao động rất lớn. Thiết kế nhiệt dùng lớp phủ, vật liệu dẫn nhiệt, đôi khi bộ sưởi, và phải được kiểm chứng trong buồng chân không nhiệt.
Năng lượng hạn chế. Điện chỉ đến từ pin mặt trời diện tích nhỏ và được trữ trong pin để dùng lúc ở vùng tối. Kỹ sư phải lập ngân sách năng lượng: mỗi thiết bị bật khi nào, tiêu bao nhiêu, để không bao giờ cạn pin.
Điều khiển tư thế. Muốn chụp đúng chỗ hay hướng ăng-ten về trạm mặt đất, vệ tinh phải biết mình đang quay hướng nào (cảm biến mặt trời, từ kế, con quay) và xoay được (cuộn từ, bánh đà phản lực). Đây là một trong những phân hệ khó nhất.
Bức xạ và độ tin cậy. Hạt năng lượng cao có thể làm lỗi bộ nhớ hoặc treo bộ xử lý. Không thể sửa chữa trên quỹ đạo, nên thiết kế phải có cơ chế phát hiện lỗi, khởi động lại an toàn và dự phòng.
Một sứ mệnh vệ tinh đi qua những giai đoạn nào
Dù lớn hay nhỏ, một dự án vệ tinh thường đi qua chuỗi giai đoạn tương tự nhau. Hiểu chuỗi này giúp thấy vì sao thời gian từ khởi động đến phóng thường tính bằng năm:
- Xác định nhiệm vụ và yêu cầu: vệ tinh cần làm gì, ở quỹ đạo nào, độ phân giải ảnh hay băng thông bao nhiêu; từ đó suy ra yêu cầu cho từng phân hệ.
- Thiết kế sơ bộ và chi tiết: chọn kiến trúc, lập ngân sách khối lượng, năng lượng, dữ liệu; thiết kế mạch, kết cấu, phần mềm.
- Mô hình kỹ thuật: chế tạo bản thử để kiểm tra chức năng trên mặt đất, phát hiện lỗi thiết kế khi còn rẻ để sửa.
- Mô hình bay: chế tạo chiếc sẽ thật sự lên quỹ đạo, lắp ráp trong phòng sạch.
- Thử nghiệm môi trường: thử rung, thử sốc, thử chân không nhiệt, thử tương thích điện từ theo yêu cầu của bên phóng.
- Tích hợp và phóng: lắp vào cơ cấu thả của tên lửa hoặc tàu vận tải, vượt qua các bước kiểm tra an toàn của đối tác phóng.
- Giai đoạn đầu trên quỹ đạo: bắt liên lạc, kiểm tra từng phân hệ, ổn định tư thế; đây là những ngày căng thẳng nhất của đội vận hành.
- Vận hành và kết thúc: thực hiện nhiệm vụ, thu dữ liệu, và cuối cùng để vệ tinh rời quỹ đạo theo kế hoạch.
Với một đội ngũ mới, mỗi giai đoạn là một lần học. Ba vệ tinh Dragon cho phép kỹ sư Việt Nam đi qua trọn chuỗi này ba lần, với độ khó tăng dần, điều mà việc mua vệ tinh không mang lại được.
Vệ tinh tự chế và vệ tinh mua: so sánh mục đích
Hai con đường phục vụ hai mục tiêu khác nhau và không thay thế nhau. Bảng dưới giúp tránh so sánh khập khiễng.
| Tiêu chí | Vệ tinh mua (Vinasat, VNREDSat-1) | Vệ tinh tự chế (Dragon) |
|---|---|---|
| Mục tiêu chính | Cung cấp dịch vụ: viễn thông, ảnh quan sát | Xây dựng năng lực thiết kế, chế tạo, vận hành |
| Kích thước, độ phức tạp | Lớn, nhiều phân hệ chuyên dụng | Nhỏ, phức tạp tăng dần qua từng dự án |
| Tuổi thọ, hiệu năng | Thiết kế cho nhiều năm, hiệu năng cao | Ngắn hơn, ưu tiên thử nghiệm |
| Chủ động công nghệ | Phụ thuộc nhà sản xuất | Làm chủ thiết kế và phần mềm |
| Giá trị dài hạn | Dịch vụ cho kinh tế, an ninh | Đội ngũ kỹ sư, chuỗi cung ứng, nền tảng cho vệ tinh lớn hơn |
Cách đánh giá đúng một dự án vệ tinh nhỏ là hỏi đội ngũ đã làm chủ được những phân hệ nào, đã tự thực hiện những bước thử nào, và năng lực đó có được duy trì để làm dự án tiếp theo hay không. Hỏi vệ tinh đó có "hiện đại bằng" vệ tinh thương mại không là đặt sai câu hỏi.
NanoDragon và câu hỏi tiếp theo
NanoDragon quay lại chuẩn CubeSat nhưng ở cỡ 3U, với độ phức tạp cao hơn nhiều PicoDragon. Theo công bố của Trung tâm Vũ trụ Việt Nam, nhiệm vụ chính là thử nghiệm hệ thống điều khiển tư thế do đội ngũ tự phát triển và thiết bị thu tín hiệu nhận dạng tự động của tàu biển (AIS), loại tín hiệu giúp theo dõi vị trí tàu thuyền trên biển. Việc vệ tinh là vệ tinh cuối cùng được Epsilon-5 thả ra, cùng các vệ tinh của Nhật, cho thấy quy trình tích hợp đã đạt yêu cầu của đối tác phóng.
Câu hỏi đáng quan tâm hơn với người làm chính sách là năng lực tích luỹ qua ba dự án có trở thành một ngành công nghiệp hay không. Điều đó cần đơn đặt hàng ổn định, cơ sở thử nghiệm trong nước, và sự tham gia của doanh nghiệp làm linh kiện, phần mềm. Cơ sở của Trung tâm Vũ trụ Việt Nam tại Khu công nghệ cao Hoà Lạc, xây dựng với vốn vay ưu đãi của Nhật Bản, là một phần của hạ tầng ấy.
Kinh nghiệm quốc tế cho thấy những nước đi sau thành công trong vệ tinh nhỏ thường duy trì được một đội ngũ ổn định qua nhiều thế hệ dự án liên tiếp. Khoảng nghỉ dài giữa các dự án làm thất thoát người và tri thức nhanh hơn mọi thứ khác.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao Việt Nam không tự phóng vệ tinh mà phải nhờ Nhật Bản?
Phóng vệ tinh cần tên lửa đẩy và bãi phóng, một năng lực khác hẳn chế tạo vệ tinh, đòi hỏi đầu tư rất lớn và gắn với công nghệ nhạy cảm. Phần lớn các nước có vệ tinh đều thuê dịch vụ phóng của số ít quốc gia và công ty có năng lực. Tự phóng không phải điều kiện để làm chủ công nghệ vệ tinh.
Vệ tinh nhỏ có tuổi thọ bao lâu trên quỹ đạo?
Tuỳ độ cao quỹ đạo và thiết kế. Ở quỹ đạo thấp vài trăm kilomet, lực cản khí quyển mỏng dần kéo vệ tinh xuống và cháy khi rơi vào khí quyển sau vài năm hoặc lâu hơn. Tuổi thọ hoạt động có thể ngắn hơn do hỏng linh kiện hay cạn pin. Vệ tinh nhỏ thường được thiết kế cho nhiệm vụ ngắn.
Ảnh từ MicroDragon có dùng được cho nghề cá không?
Nhiệm vụ được công bố hướng tới quan sát màu nước ven biển để suy ra chất lượng nước và hỗ trợ đánh giá nguồn lợi thuỷ sản. Mức độ dữ liệu được khai thác thực tế phụ thuộc vào thời gian hoạt động của vệ tinh và chất lượng ảnh thu được. Đây là sứ mệnh mang tính thử nghiệm và đào tạo là chính.
Kỹ sư muốn làm việc trong ngành vũ trụ ở Việt Nam cần học gì?
Các vị trí cần nền tảng điện tử, kỹ thuật điều khiển, cơ khí và kết cấu, kỹ thuật nhiệt, viễn thông, phần mềm nhúng và xử lý ảnh viễn thám. Kinh nghiệm thực tế với dự án CubeSat ở trường đại học, cuộc thi vệ tinh sinh viên hoặc trung tâm nghiên cứu là lợi thế lớn khi ứng tuyển.
Vệ tinh nhỏ có gây ra rác vũ trụ không?
Có thể, nếu không được thiết kế để rời quỹ đạo sau khi hết nhiệm vụ. Hướng dẫn quốc tế khuyến nghị vệ tinh ở quỹ đạo thấp tự rơi vào khí quyển trong khoảng thời gian giới hạn. Vệ tinh nhỏ ở độ cao thấp thường tự rơi khá nhanh, nhưng số lượng tăng mạnh khiến vấn đề được quản lý ngày càng chặt.