STS-1

STS-1 là chuyến bay vào quỹ đạo đầu tiên trong chương trình Tàu con thoi của NASA. Tàu con thoi đầu tiên, Columbia, được phóng vào ngày 12 tháng 4 năm 1981 và trở về vào ngày 14 tháng 4 năm 1981, sau 54,5 giờ, đã bay quanh Trái Đất 37 lần. Columbia mang theo một phi hành đoàn gồm hai người – chỉ huy John W. Young và phi công Robert L. Crippen. Đây là chuyến bay có phi hành đoàn đầu tiên của Mỹ kể từ Dự án Thử nghiệm Apollo–Soyuz (Apollo-Soyuz Test Project – ASTP) năm 1975. STS-1 cũng là chuyến bay thử nghiệm đầu tiên của một tàu vũ trụ mới của Mỹ có người lái, mặc dù trước đó đã có các thử nghiệm tiếp cận và hạ cánh trong khí quyển (ALT) của tàu con thoi và các thử nghiệm mặt đất của toàn bộ hệ thống Tàu con thoi.

Vụ phóng diễn ra đúng vào dịp kỷ niệm 20 năm chuyến bay vào vũ trụ đầu tiên của con người, Vostok 1, do Yuri Gagarin thực hiện. Đây là một sự trùng hợp ngẫu nhiên, một sự cố kỹ thuật đã không cho phép STS-1 phóng hai ngày trước đó như đã được lên kế hoạch.

Phi hành đoàn

Chỉ huy John Young và phi công Robert Crippen được chọn làm phi hành đoàn STS-1 vào đầu năm 1978. Young tuyên bố rằng với vai trò Trưởng văn phòng Phi hành gia, ông đã tự đề cử mình là chỉ huy nhiệm vụ. Young, với bốn sứ mệnh trước đó, là phi hành gia dày dạn kinh nghiệm nhất của NASA lúc bấy giờ và cũng là thành viên duy nhất của Nhóm Phi hành gia NASA 2 còn tại ngũ. Ông đã bay hai lần trong Dự án Gemini và hai lần trong chương trình Apollo, đặt chân lên Mặt Trăng năm 1972 với tư cách Chỉ huy Apollo 16, và trở thành Trưởng văn phòng Phi hành gia vào năm 1974. Crippen, thuộc Nhóm Phi hành gia NASA 7 sau khi dự án Phòng thí nghiệm Quỹ đạo Có người lái (Manned Orbiting Laboratory – MOL) bị hủy bỏ, là tân binh và sẽ trở thành người đầu tiên trong nhóm phi hành gia của mình bay vào vũ trụ. Trước khi được chọn cho STS-1, Crippen đã tham gia Thử nghiệm Y khoa Độ cao Skylab (Skylab Medical Experiment Altitude Test – SMEAT) và cũng đảm nhiệm vai trò điều phối viên liên lạc (CAPCOM) cho cả ba sứ mệnh Skylab và Dự án Thử nghiệm Apollo-Soyuz.

Tàu Columbia mang theo bộ đồ phi hành gia tên gọi Đơn vị Di chuyển Ngoài phương tiện (Extravehicular Mobility Unit – EMU) cho cả Young và Crippen trong trường hợp phải thực hiện chuyến đi bộ ngoài không gian khẩn cấp. Nếu tình huống này xảy ra, Crippen sẽ ra ngoài tàu con thoi, còn Young sẽ túc trực sẵn sàng hỗ trợ nếu Crippen cần giúp đỡ.

Tính đến tháng 4 năm 1981, Young và Crippen là những người được huấn luyện lâu nhất cho một sứ mệnh không gian trước khi bay trong lịch sử NASA. Young cho biết nếu STS-1 được phóng vào tháng 3 năm 1979 như dự kiến ban đầu, “chúng tôi được phóng lên khi chỉ được huấn luyện khoảng một nửa”. Vì chưa ai từng bay trên tàu con thoi trước đó, họ đã giúp thiết kế các điều khiển của tàu, bao gồm 2.214 công tắc và màn hình trong buồng lái — gấp khoảng ba lần so với module điều khiển Apollo — cùng nhiều quy trình dự phòng. STS-1 mang theo 22 cuốn sổ tay, mỗi cuốn dày ba inch (76.2 mm) và tổng trọng lượng lên tới 29 kg; quy trình xử lý sự cố điện tử do hỏng hệ thống làm mát có tới 255 bước.

Kế hoạch sứ mệnh cận quỹ đạo

Trong giai đoạn lập kế hoạch ban đầu cho các sứ mệnh Tàu con thoi đầu tiên, ban lãnh đạo NASA dưới thời chính quyền Carter cảm thấy cần thực hiện các thử nghiệm hệ thống trước chuyến bay quỹ đạo đầu tiên. Để đạt được mục tiêu này, Phó Tổng thống Walter F. Mondale với tư cách là chủ tịch Hội đồng Không gian Quốc gia đã đề xuất một chuyến bay cận quỹ đạo hạ cánh tại điểm hạ cánh khẩn cấp ở Dakar, Senegal. NASA còn đề xuất rằng STS-1, thay vì là một chuyến bay quỹ đạo, nên được sử dụng để kiểm tra kịch bản hủy bỏ “Quay trở lại điểm phóng” (Return To Launch Site – RTLS). Kịch bản này bao gồm việc hủy bỏ trong những khoảnh khắc đầu tiên sau khi phóng và sử dụng động cơ chính, sau khi các tên lửa đẩy SRB đã được tách ra, để đưa tàu trở lại điểm phóng. Mặc dù kịch bản này có thể cần thiết trong trường hợp phải hủy bỏ sớm, nhưng nó được coi là cực kỳ nguy hiểm. Young đã bác bỏ cả hai đề xuất và STS-1 tiếp tục như sứ mệnh quỹ đạo đầu tiên. Các nhà quản lý NASA đã bị thuyết phục bởi việc Young đặt câu hỏi về sự cần thiết của thử nghiệm, và ý kiến của ông có trọng lượng đặc biệt mạnh mẽ vì ông không chỉ từng đến Mặt Trăng hai lần mà còn đã đi bộ trên đó. Young sẽ lại lái tàu con thoi trong nhiệm vụ STS-9, một chuyến bay kéo dài mười ngày vào năm 1983.

Tóm tắt sứ mệnh

Chuyến bay đầu tiên của Tàu con thoi diễn ra vào ngày 12 tháng 4 năm 1981, đúng 20 năm sau chuyến bay vào vũ trụ có người lái tiên, khi tàu Columbia cất cánh từ Bệ phóng A, Khu tổ hợp phóng 39, tại Trung tâm Vũ trụ Kennedy. Vụ phóng diễn ra lúc 12:00:04 giờ UTC (7:00:04 giờ địa phương). Một kế hoạch phóng hai ngày trước đó đã bị hủy bỏ do bốn máy tính IBM System/4 Pi (general purpose computer – GPC) chính của Columbia không cung cấp đúng thời gian cho hệ thống bay dự phòng (backup flight system – BFS) khi các GPC được lên lịch chuyển từ chế độ kiểm tra phương tiện sang chế độ cấu hình bay.

Đây không chỉ là lần phóng đầu tiên của Tàu con thoi mà còn đánh dấu lần đầu tiên tên lửa nhiên liệu rắn được sử dụng cho sứ mệnh có phi hành đoàn của NASA (mặc dù các hệ thống trước đó đã sử dụng động cơ nhiên liệu rắn cho tháp thoát hiểm hoặc tên lửa hãm). STS-1 cũng là phương tiện vũ trụ có người lái đầu tiên của Hoa Kỳ được phóng mà không có chuyến bay thử nghiệm không người lái trước đó. Tàu con thoi STS-1, Columbia, cũng nắm giữ kỷ lục về thời gian ở trong Cơ sở Xử lý Tàu con thoi (Orbiter Processing Facility – OPF) trước khi phóng – 610 ngày, thời gian cần thiết để thay thế nhiều tấm chắn nhiệt của nó.

Mục tiêu của NASA cho chuyến bay đầu tiên là thực hiện một quá trình phóng an toàn lên quỹ đạo và trở về Trái Đất để đáp an toàn cho tàu con thoi cùng phi hành đoàn. Tải trọng duy nhất được mang theo trong nhiệm vụ là một gói Thiết bị Đo lường Chuyến bay Phát triển (Development Flight Instrumentation – DFI), chứa các cảm biến và thiết bị đo đạc để ghi lại hiệu suất của tàu con thoi cùng các áp lực xảy ra trong quá trình phóng, lên quỹ đạo, bay vòng quanh quỹ đạo, hạ cánh và đáp xuống. Tất cả 113 mục tiêu thử nghiệm chuyến bay đều được hoàn thành, và khả năng hoạt động trong không gian của tàu con thoi đã được xác nhận.

Trong khoảng thời gian tạm dừng cuối cùng ở phút T-9, Giám đốc phóng George Page đã đọc thông điệp chúc mừng từ Tổng thống Ronald Reagan gửi đến phi hành đoàn, kết thúc bằng câu: “John, chúng tôi từ đội phóng không thể làm gì hơn ngoài việc nói rằng, chúng tôi chúc các anh thật nhiều may mắn. Chúng tôi đồng hành cùng các anh một nghìn phần trăm và vô cùng tự hào được là một phần của sứ mệnh này. Chúc các quý ông may mắn.”

Ba động cơ chính RS-25 đánh lửa tạo nên sự gia tăng độ ồn đột ngột. Cụm tên lửa đung đưa rồi trở lại thẳng đứng, tại thời điểm đó cả hai tên lửa đẩy nhiên liệu rắn (SRB) cũng đánh lửa. Sau khi vượt khỏi tháp, cụm tên lửa bắt đầu lật sang phải và quay ngửa tàu con thoi (để giảm tải trọng lên cánh). Cùng lúc đó, quyền kiểm soát được chuyển từ đội phóng ở Florida sang đội Silver của Giám đốc Chuyến bay Neil Hutchinson trong Phòng Điều khiển Bay 1 (FCR 1) ở Texas với phi hành gia Dan Brandenstein là điều phối viên liên lạc (CAPCOM).

Các động cơ chính của Columbia đã được giảm công suất xuống còn 65% để vượt qua vùng Max Q, vị trí trong quá trình phóng khi tàu con thoi chịu ứng suất khí động học lớn nhất. Điều này xảy ra ở giây thứ 56 của chuyến bay ở tốc độ Mach 1.06. Giá trị hiệu chỉnh gió là 29 kPa (4.2 psi) (dự đoán 28 kPa (4.1 psi), giới hạn 30 kPa (4.4 psi)). Hai tên lửa đẩy SRB hoạt động tốt hơn dự kiến, tạo ra quỹ đạo bay cao hơn, và được tách ra sau khi cháy hết ở phút thứ 2 giây thứ 12 (ở độ cao 53.000 m, cao hơn 2.800 m so với kế hoạch). Sau 8 phút 34 giây thời gian sứ mệnh trôi qua (Mission Elapsed Time – MET), các động cơ chính ngừng hoạt động (main engine cutoff – MECO, ở độ cao 118.000 m) và thùng nhiên liệu bên ngoài được tách ra 18 giây sau đó, cuối cùng bị vỡ ra và rơi xuống Ấn Độ Dương. Hai lần đánh lửa cặp động cơ Hệ thống Điều chỉnh Quỹ đạo (OMS) kéo dài 86 giây bắt đầu ở phút thứ 10 giây thứ 34 MET và 75 giây ở phút thứ 44 giây thứ 2 đã đưa Columbia vào quỹ đạo 246 x 248 km. Sự chênh lệch nhỏ so với kế hoạch ban đầu là quỹ đạo tròn 240 km hầu như không được chú ý.

Khi vào quỹ đạo, cả hai thành viên phi hành đoàn đã vô hiệu hóa ghế phóng và tháo dây an toàn. Sự kiện quan trọng tiếp theo là mở cửa khoang chứa tải trọng. Điều này rất quan trọng để cho phép tản nhiệt các hệ thống của Columbia thông qua bộ tản nhiệt không gian trên cửa. Nếu không mở được các cửa này vào cuối quỹ đạo thứ hai, tàu sẽ phải trở về Trái Đất vào cuối quỹ đạo thứ năm, trước khi hệ thống làm mát bay hơi có công suất giới hạn bị quá tải. Khi mở cửa, phi hành đoàn nhận thấy các tấm của hệ thống bảo vệ nhiệt (thermal protection system – TPS) trên các module OMS đã bị hư hại. Hình ảnh này được truyền về mặt đất. Ngay sau đó, Young rồi đến Crippen đã cởi bỏ bộ đồ phóng khẩn cấp của họ.

Phần lớn trong khoảng 53 giờ trên quỹ đạo Trái Đất tầm thấp, phi hành đoàn đã dành thời gian để tiến hành các bài kiểm tra hệ thống. Mặc dù lịch trình bị ảnh hưởng bởi nỗ lực chụp ảnh hệ thống bảo vệ nhiệt (TPS) của tàu Columbia bằng các thiết bị bên ngoài, tất cả các kiểm tra đều được hoàn thành. Các hoạt động bao gồm: hiệu chỉnh kính ngắm quang học phi hành đoàn (Crew Optical Alignment Sight = COAS), hiệu năng bộ theo dõi sao, hiệu năng đơn vị đo quán tính (IMU), kiểm tra hệ thống điều khiển phản lực (RCS) thủ công và tự động, đo bức xạ, bơm chéo nhiên liệu, hoạt động thủy lực, xả pin nhiên liệu và chụp ảnh. Các lần đốt động cơ OMS-3 và OMS-4 lúc 06:20:46 và 07:05:32 MET đã nâng quỹ đạo lên 273,9 x 274,1 km so với kế hoạch ban đầu là quỹ đạo tròn 280 km. Hai lần đốt này sử dụng một động cơ duy nhất với hệ thống bơm chéo. Phi hành đoàn báo cáo đêm đầu tiên trên tàu khá lạnh mặc dù các chỉ số nhiệt độ ở mức chấp nhận được. Họ thấy đêm thứ hai thoải mái hơn sau khi điều chỉnh cài đặt.

Vào ngày thứ hai của sứ mệnh, các phi hành gia đã nhận được một cuộc điện thoại từ Phó Tổng thống George H. W. Bush. Tổng thống Ronald Reagan ban đầu dự định đến thăm Trung tâm Kiểm soát Sứ mệnh trong thời gian diễn ra nhiệm vụ, nhưng vào thời điểm đó ông vẫn đang hồi phục sau một vụ ám sát hụt xảy ra hai tuần trước khi phóng (Reagan chỉ mới trở về Nhà Trắng vào ngày trước khi phóng).

Phi hành đoàn thức dậy sau giấc ngủ thứ hai sớm hơn dự kiến. Các chuẩn bị cho việc trở về Trái Đất bắt đầu bằng bữa sáng. Tiếp theo là việc sắp xếp lại các vật dụng trong khoang tàu, kiểm tra hệ thống điều khiển chuyến bay, cấu hình lại hệ thống xử lý dữ liệu, và sau đó mặc bộ đồ phóng. Tại Houston, đội Crimson do Giám đốc Chuyến bay Don Puddy dẫn đầu đã nhận nhiệm vụ tại FCR 1 cho ca trực cuối cùng của sứ mệnh. CAPCOM của ông là phi hành gia Joseph P. Allen với sự hỗ trợ của Frederick Hauck. Việc đóng cửa khoang chứa tải trọng là một cột mốc quan trọng để đảm bảo tính toàn vẹn cấu trúc và nhiệt của phương tiện khi tái nhập khí quyển. Nếu việc đóng bằng điện thất bại, Crippen đã được huấn luyện để thực hiện chuyến đi bộ ngoài không gian (extravehicle activity – EVA) một người để đóng chúng bằng tay. Sau khi xác nhận vị trí các công tắc trong khoang, phi hành đoàn cài chặt vào ghế phóng. Trong khi đó, các phi công của Trung tâm Vũ trụ Johnson (JSC) Charlie Hayes và Ted Mendenhall đang bay trên khu vực Căn cứ Không quân Edwards ở California bằng một Máy bay Huấn luyện Tàu con thoi (Shuttle Training Aircraft – STA) để thực hiện lần kiểm tra cuối cùng điều kiện thời tiết hạ cánh.

Các bộ nguồn phụ trợ (APU) 2 và 3 được khởi động (để cung cấp áp suất thủy lực điều khiển bay). Quá trình đánh lửa hạ quỹ đạo cặp đông cơ OMS trong 160 giây diễn ra ở quỹ đạo thứ 36 phía trên Ấn Độ Dương và thay đổi thông số quỹ đạo từ 270 x 274 km xuống 270 x 0 km. Điều này đảm bảo tàu con thoi bị khí quyển bắt giữ đủ gần điểm hạ cánh dự kiến để có đủ năng lượng cho một cú hạ cánh lượn có kiểm soát, nhưng không quá gần đến mức năng lượng phải tiêu tán với tốc độ vượt quá khả năng chịu đựng của kết cấu. Young sau đó từ từ nâng mũi Columbia lên tư thế vào khí quyển với cánh ngang và mũi cao. Cả hai phi hành gia kích hoạt ghế phóng của họ trong quá trình điều chỉnh này. Gần nửa giờ sau, APU 1 được khởi động theo kế hoạch. Ngay sau đó, Columbia bước vào giai đoạn mất liên lạc kéo dài khoảng 21 phút. Nguyên nhân là do sự kết hợp giữa hiện tượng ion hóa (16 phút) và thiếu vùng phủ sóng trạm mặt đất giữa Guam và Trạm Theo dõi Buckhorn tại Cơ sở Nghiên cứu Chuyến bay Dryden. Thời điểm tiếp xúc khí quyển (Entry Interface – EI) đạt được phía trên Thái Bình Dương, cách điểm hạ cánh 8.110 km với tốc độ khoảng 28.240 km/h. EI chỉ đơn giản là một độ cao được định nghĩa là 120.000 m mà NASA sử dụng cho mục đích tính toán quỹ đạo và lập kế hoạch nhiệm vụ. Trên độ cao này, tàu vũ trụ được coi là đã ra khỏi “bầu khí quyển có thể cảm nhận được”.

Phần lớn quá trình bay vào khí quyển lần đầu tiên của tàu con thoi này được thực hiện tự động. Góc tấn ban đầu 40° phải được duy trì cho đến khi vượt qua giai đoạn nung nóng khí động học khắc nghiệt nhất, sau đó góc này được giảm dần. Ở độ cao khoảng 100.000 m, một ánh sáng hồng nhạt do hiện tượng nung nóng khi bay vào trở nên rõ ràng, và cả hai phi hành gia đã hạ kính che mặt xuống. Columbia phải thực hiện điều chỉnh quỹ đạo ngang 583 km so với đường bay trên mặt đất để tiếp cận điểm hạ cánh dự kiến trong quá trình bay vào. Do đó, một cú lật nghiêng sang phải được thực hiện khi mật độ không khí đã tăng đủ để nâng áp suất động lên 570 Pa (với tốc độ vẫn vượt quá Mach 24 và độ cao khoảng 78.000 m). Các lần đảo ngược tự động để kiểm soát tốc độ tiêu hao năng lượng và điều chỉnh hướng ngang được thực hiện ở khoảng Mach 18.5 và Mach 9.8. Phi hành đoàn có thể quan sát rõ ràng bờ biển California khi Columbia bay ngang qua gần Big Sur ở tốc độ Mach 7 và độ cao 41.000 m. Cả hai lần đảo ngược ở Mach 4.8 và Mach 2.8 đều được khởi động tự động và hoàn thành thủ công bởi John Young. Lần đốt động cơ RCS cuối cùng diễn ra ở độ cao 17.000 m – thấp hơn 4.300 m so với dự kiến (do rủi ro dự đoán về nổ buồng đốt).

Young một lần nữa nắm quyền điều khiển thủ công cho phần còn lại của chuyến bay khi họ giảm tốc xuống dưới tốc độ âm thanh tiến vào Vòng Tròn Định hướng (Heading Alignment Circle – HAC). Một cú rẽ trái rộng được thực hiện để căn chỉnh với đường băng hồ cạn 23, trong khi máy bay T-38 “Chase 1” do các phi hành gia Jon McBride và “Pinky” Nelson điều khiển gia nhập đội hình. Bánh chính chạm đường băng 23 tại Căn cứ Không quân Edwards ở tốc độ tương đương 339 km/h, chậm hơn dự kiến một chút và cách vị trí dự kiến khoảng 800 m về cuối đường băng. Đây là kết quả của sự kết hợp giữa tỷ lệ lực nâng/lực cản của Tàu con thoi tốt hơn dự đoán và gió hậu. Thời điểm chạm đường băng là 18:21 UTC ngày 14 tháng 4 năm 1981. Khi dừng hẳn, Young nhận xét qua radio: “Đây là cỗ máy bay chạy điện tuyệt vời nhất thế giới. Tôi khẳng định điều đó. Thật tuyệt vời!”

Chuyến bay kéo dài 36 vòng quỹ đạo, 1.729.348 km trong 2 ngày, 6 giờ, 20 phút và 53 giây. Columbia được đưa trở lại Trung tâm Vũ trụ Kennedy từ California vào ngày 28 tháng 4 năm 1981, trên đỉnh máy bay vận tải Shuttle Carrier.

Cập nhật lần cuối ngày 30/12/2025.