Chương trình Tàu con thoi là chương trình bay vào vũ trụ có người lái thứ tư do Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) thực hiện, đã hoàn thành nhiệm vụ vận chuyển thường lệ phi hành đoàn và hàng hóa từ Trái đất lên quỹ đạo từ năm 1981 đến 2011. Tên chính thức của chương trình là Hệ thống Vận tải Không gian (Space Transportation System – STS), từ một kế hoạch năm 1969 về hệ thống tàu vũ trụ tái sử dụng, trong đó đây là hạng mục duy nhất được cấp vốn phát triển, do đề xuất tàu con thoi hạt nhân trong kế hoạch đã bị hủy bỏ vào năm 1972. Chương trình đã thực hiện 135 sứ mệnh và chở 355 phi hành gia từ 16 quốc gia, nhiều người trong số đó đã bay nhiều chuyến.
Tàu con thoi, bao gồm một tàu quỹ đạo (orbiter) được phóng lên cùng với hai tên lửa đẩy nhiên liệu rắn tái sử dụng và một bình nhiên liệu bên ngoài dùng một lần, có thể chở tối đa tám phi hành gia và tải trọng lên tới 23.000 kg vào quỹ đạo Trái đất tầm thấp (Low Earth Orbit – LEO). Khi hoàn thành nhiệm vụ, tàu con thoi sẽ tái nhập bầu khí quyển Trái đất và hạ cánh như một tàu lượn tại Trung tâm Vũ trụ Kennedy hoặc Căn cứ Không quân Edwards.
Tàu con thoi là tàu vũ trụ có cánh duy nhất có người lái từng đạt được quỹ đạo và hạ cánh, đồng thời là phương tiện không gian có người lái tái sử dụng đầu tiên thực hiện nhiều chuyến bay vào quỹ đạo. Các sứ mệnh của nó bao gồm vận chuyển nhiều chuyến hàng lớn đến các quỹ đạo khác nhau, trong đó có Trạm Vũ trụ Quốc tế (International Space Station – ISS), cung cấp phi hành đoàn luân phiên cho trạm vũ trụ và thực hiện các sứ mệnh bảo dưỡng Kính viễn vọng Không gian Hubble. Tàu con thoi cũng thu hồi vệ tinh và các tải trọng khác (ví dụ: từ ISS) từ quỹ đạo và đưa chúng trở về Trái Đất, mặc dù việc sử dụng nó cho mục đích này là hiếm. Mỗi phương tiện được thiết kế với tuổi thọ dự kiến là 100 lần phóng, hoặc thời gian hoạt động 10 năm. Những điểm hấp dẫn ban đầu về tàu con thoi là hơn 150 lần phóng trong thời gian hoạt động 15 năm với kỳ vọng ‘một lần phóng mỗi tháng’ ở đỉnh cao của chương trình, nhưng sự chậm trễ kéo dài trong việc phát triển Trạm Vũ trụ Quốc tế đã không tạo ra nhu cầu cao như vậy cho các chuyến bay thường xuyên.
Bối cảnh
Nhiều ý tưởng tàu con thoi đã được nghiên cứu từ cuối những năm 1960. Chương trình chính thức bắt đầu vào năm 1972, trở thành tâm điểm duy nhất của các hoạt động bay vào vũ trụ có người lái của NASA sau các chương trình Apollo, Skylab và Apollo–Soyuz vào năm 1975. Tàu con thoi ban đầu được hình thành và giới thiệu với công chúng vào năm 1972 như một “Xe tải Không gian” (Space Truck) với nhiều mục đích, bao gồm xây dựng trạm vũ trụ của Hoa Kỳ trong quỹ đạo Trái đất tầm thấp vào những năm 1980 và sau đó được thay thế bằng phương tiện mới vào đầu những năm 1990. Kế hoạch trạm vũ trụ Hoa Kỳ bị trì hoãn để rồi phát triển thành kế hoạch Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) và được chính thức khởi động vào năm 1983 bởi Tổng thống Ronald Reagan, nhưng ISS đã gặp phải nhiều sự chậm trễ kéo dài, thay đổi thiết kế và vượt ngân sách, buộc thời gian phục vụ của Tàu con thoi phải được kéo dài nhiều lần cho đến năm 2011 khi nó cuối cùng cũng được dừng hoạt động – phục vụ lâu gấp đôi so với thiết kế ban đầu. Năm 2004, theo Tầm nhìn Khám phá Không gian của Tổng thống George W. Bush, việc sử dụng Tàu con thoi sẽ tập trung gần như hoàn toàn vào việc hoàn thành lắp ráp ISS, vốn đã trễ tiến độ quá lâu vào thời điểm đó.
Tàu con thoi thử nghiệm đầu tiên, Enterprise, là một tàu lượn ở độ cao lớn, được phóng từ trên một chiếc Boeing 747 đã được cải tiến đặc biệt, chỉ dành cho các bài kiểm tra hạ cánh trong khí quyển (atmospheric landing test – ALT) ban đầu. Chuyến bay thử nghiệm đầu tiên của Enterprise diễn ra vào ngày 18 tháng 2 năm 1977, chỉ năm năm sau khi chương trình Tàu con thoi chính thức được khởi động; mở đường cho việc phóng chiếc tàu con thoi đầu tiên đủ tiêu chuẩn không gian Columbia vào ngày 12 tháng 4 năm 1981, trong sứ mệnh STS-1. Chương trình Tàu con thoi kết thúc với sứ mệnh cuối cùng, STS-135 do tàu Atlantis thực hiện, vào tháng 7 năm 2011, dừng hoạt động tàu con thoi cuối cùng trong đội bay. Chương trình Tàu con thoi chính thức kết thúc vào ngày 31 tháng 8 năm 2011.
Ý tưởng và phát triển
Trước khi tàu Apollo 11 hạ cánh xuống Mặt Trăng vào năm 1969, NASA đã bắt đầu nghiên cứu các thiết kế Tàu con thoi từ tháng 10 năm 1968. Các nghiên cứu ban đầu được gọi là “Giai đoạn A”, và đến tháng 6 năm 1970 là “Giai đoạn B” – những nghiên cứu chi tiết và cụ thể hơn. Mục đích chính của Tàu con thoi Giai đoạn A là hỗ trợ trạm vũ trụ tương lai, vận chuyển tối thiểu 4 phi hành gia cùng khoảng 9.100 kg hàng hóa, đồng thời có thể nhanh chóng chuẩn bị cho các chuyến bay tiếp theo, trong khi các tải trọng lớn hơn như module trạm vũ trụ sẽ được phóng bằng tên lửa Saturn V.
Hai thiết kế nổi lên như những ứng viên hàng đầu. Một thiết kế được phát triển bởi các kỹ sư tại Trung tâm Bay vào Vũ trụ có Người lái (Manned Spaceflight Center), và đặc biệt được ủng hộ bởi George Mueller. Đây là hệ thống hai tầng với tàu vũ trụ cánh tam giác (delta wing), nhìn chung khá phức tạp. Một nỗ lực tái đơn giản hóa đã được thực hiện dưới dạng mẫu DC-3, do Maxime Faget thiết kế, người đã thiết kế khoang tàu Mercury cùng nhiều phương tiện khác. Nhiều đề xuất từ các công ty thương mại khác nhau cũng được đưa ra nhưng nhìn chung đều bị gạt bỏ vì mỗi phòng thí nghiệm của NASA đều thúc đẩy phiên bản của riêng mình.
Tất cả những điều này đang diễn ra trong bối cảnh các nhóm NASA khác đề xuất nhiều sứ mệnh hậu Apollo đa dạng, một số trong đó có chi phí ngang bằng hoặc thậm chí vượt cả chương trình Apollo. Khi các dự án này tranh giành ngân sách, ngân sách của NASA thời điểm đó cũng đang bị cắt giảm nghiêm trọng. Cuối cùng, ba đề án đã được trình lên Phó Tổng thống Hoa Kỳ Spiro Agnew vào năm 1969. Dự án tàu con thoi vươn lên vị trí hàng đầu, phần lớn nhờ chiến dịch vận động không mệt mỏi của những người ủng hộ. Đến năm 1970, tàu con thoi đã được chọn làm dự án trọng điểm duy nhất trong giai đoạn ngắn hạn sau thời kỳ Apollo.
Khi kinh phí cho chương trình bị đặt dấu hỏi, đã có những lo ngại rằng dự án có thể bị hủy bỏ. Điều này trở nên đặc biệt cấp bách khi rõ ràng là tên lửa Saturn V sẽ không còn được sản xuất, đồng nghĩa với việc tải trọng đưa lên quỹ đạo cần phải tăng cả về khối lượng – lên tới 27.500 kg – lẫn kích thước để bổ sung khả năng phóng tải nặng, cần thiết cho các tàu thăm dò liên hành tinh và các module trạm không gian theo kế hoạch, điều này đồng nghĩa với việc cần một phương tiện lớn hơn và đắt đỏ hơn trong Giai đoạn B. Do đó, NASA đã cố gắng thu hút Không quân Hoa Kỳ và nhiều khách hàng khác sử dụng tàu con thoi cho các sứ mệnh của họ. Để giảm chi phí phát triển của các thiết kế được đề xuất, các bộ tăng cường được bổ sung, một bình nhiên liệu dùng một lần được áp dụng, và nhiều thay đổi khác được thực hiện đã làm giảm đáng kể khả năng tái sử dụng và làm tăng đáng kể chi phí phương tiện cũng như vận hành.
Lịch sử chương trình
Tất cả các nhiệm vụ Tàu con thoi đều được phóng từ Trung tâm Vũ trụ Kennedy (Kennedy Space Center – KSC) ở Florida. Một số nhiệm vụ tàu con thoi dân sự và quân sự bay quanh cực đã được lên kế hoạch cho Căn cứ Không quân Vandenberg ở California. Tuy nhiên, việc sử dụng căn cứ này cho các nhiệm vụ tàu con thoi đã bị hủy bỏ sau thảm họa Challenger năm 1986. Các tiêu chí thời tiết được sử dụng để phóng bao gồm, nhưng không giới hạn: lượng mưa, nhiệt độ, độ che phủ của mây, dự báo sét, gió và độ ẩm. Tàu con thoi không được phóng trong điều kiện có thể bị sét đánh.
Tàu con thoi hoạt động hoàn chỉnh đầu tiên là Columbia (ký hiệu OV-102), được chế tạo tại Palmdale, California. Nó được chuyển đến Trung tâm Vũ trụ Kennedy (KSC) vào ngày 25 tháng 3 năm 1979 và được phóng lần đầu tiên vào ngày 12 tháng 4 năm 1981 – nhân kỷ niệm 20 năm chuyến bay vào vũ trụ của Yuri Gagarin – với phi hành đoàn gồm hai người.
Challenger (OV-099) được chuyển đến Trung tâm Vũ trụ Kennedy vào tháng 7 năm 1982, Discovery (OV-103) vào tháng 11 năm 1983, Atlantis (OV-104) vào tháng 4 năm 1985 và Endeavour (OV-105) vào tháng 5 năm 1991. Challenger ban đầu được chế tạo và sử dụng như một Mẫu thử nghiệm Kết cấu (Structural Test Article – STA-099), nhưng sau đó được chuyển đổi thành tàu con thoi hoàn chỉnh khi người ta nhận thấy việc này tiết kiệm chi phí hơn so với việc cải tạo Enterprise từ cấu hình Thử nghiệm Tiếp cận và Hạ cánh thành phương tiện có thể bay vào vũ trụ.
Ngày 24 tháng 4 năm 1990, Discovery đã đưa Kính viễn vọng Không gian Hubble vào vũ trụ trong sứ mệnh STS-31.
Trong tổng số 135 sứ mệnh được thực hiện, hai tàu con thoi (Columbia và Challenger) đã gặp phải tai nạn thảm khốc, làm thiệt mạng toàn bộ phi hành đoàn, tổng cộng 14 phi hành gia.
Các vụ tai nạn đã dẫn đến những cuộc điều tra cấp quốc gia, phân tích chi tiết nguyên nhân xảy ra và những khoảng thời gian tạm dừng đáng kể để thực hiện các thay đổi trước khi tàu con thoi trở lại hoạt động. Sau thảm họa Challenger vào tháng 1 năm 1986, chương trình tàu con thoi bị trì hoãn 32 tháng trước khi thực hiện lần phóng tiếp theo. Một khoảng thời gian trì hoãn tương tự 29 tháng cũng xảy ra sau thảm họa Columbia vào tháng 2 năm 2003.
Sứ mệnh tàu con thoi dài nhất là STS-80 kéo dài 17 ngày, 15 giờ. Chuyến bay cuối cùng của chương trình Tàu con thoi là STS-135 vào ngày 8 tháng 7 năm 2011.
Kể từ khi tàu con thoi chấm dứt hoạt động vào năm 2011, nhiều nhiệm vụ ban đầu của nó đã được thực hiện bởi một loạt tàu vũ trụ của chính phủ và tư nhân. Tàu chở hàng tự động (Automated Transfer Vehicle – ATV) của Châu Âu đã cung cấp hàng hóa cho ISS từ năm 2008 đến 2015. Các nhiệm vụ quân sự bảo mật được thực hiện bởi máy bay vũ trụ không người lái X-37B của Không quân Mỹ. Đến năm 2012, hàng hóa lên Trạm Vũ trụ Quốc tế đã được vận chuyển thương mại theo Chương trình Dịch vụ Tiếp tế Thương mại (Commercial Resupply Services) của NASA bởi tàu vũ trụ Dragon tái sử dụng một phần của SpaceX, tiếp theo là tàu Cygnus của Orbital Sciences vào cuối năm 2013. Dịch vụ đưa phi hành đoàn lên ISS hiện được cung cấp bởi tàu Soyuz của Nga và từ năm 2020 là khoang chở phi hành đoàn Dragon 2 của SpaceX, phóng bằng tên lửa tái sử dụng Falcon 9 như một phần của chương trình Phát triển Phi hành đoàn Thương mại (Commercial Crew Development) của NASA. Khoang Starliner của Boeing dự kiến bắt đầu dịch vụ đưa phi hành đoàn lên ISS từ năm 2025. Đối với các sứ mệnh vượt ra ngoài quỹ đạo Trái đất tầm thấp, NASA đang chế tạo Hệ thống Phóng Không gian (Space Launch System) và tàu vũ trụ Orion, thuộc chương trình Artemis.
Ngân sách
Trong giai đoạn đầu phát triển Tàu con thoi, NASA ước tính chương trình sẽ tiêu tốn 7,45 tỷ USD (43 tỷ USD theo giá trị năm 2011, đã điều chỉnh theo lạm phát) cho chi phí phát triển, và 9,3 triệu USD (54 triệu USD năm 2011) cho mỗi chuyến bay. Các ước tính ban đầu về chi phí đưa tải trọng lên quỹ đạo thấp của Trái đất chỉ khoảng 260 USD/kg tải trọng (1.400 USD/kg năm 2011), dựa trên chi phí phóng cận biên hoặc gia tăng, với giả định công suất tải trọng 30.000 kg và 50 lần phóng mỗi năm. Một dự báo thực tế hơn là 12 chuyến bay mỗi năm trong vòng đời 15 năm kết hợp với chi phí phát triển ban đầu sẽ dẫn đến tổng chi phí ước tính cho chương trình khoảng 54 tỷ USD (theo giá trị năm 2011).
Tổng chi phí trong vòng đời 30 năm hoạt động thực tế của chương trình Tàu con thoi tính đến năm 2011, sau khi điều chỉnh lạm phát, là 196 tỷ USD. Năm 2010, chi phí bổ sung cho mỗi chuyến bay của Tàu con thoi là 409 triệu USD, tương đương 14.186 USD cho mỗi kilogram lên quỹ đạo Trái đất tầm thấp (LEO). Ngược lại, tên lửa đẩy Proton có chi phí tương đương là 141 triệu USD, tức 6.721 USD mỗi kilogram lên LEO, còn tên lửa Soyuz 2.1 là 55 triệu USD, tương đương 6.665 USD mỗi kilogram, mặc dù các phương tiện phóng này không thể tái sử dụng.
Ngân sách năm 2005 của NASA phân bổ 30%, tương đương 5 tỷ đô la, cho hoạt động tàu con thoi; con số này đã giảm xuống còn 4,3 tỷ đô la vào năm 2006. So với chi phí phóng, các chi phí khác chiếm phần lớn trong ngân sách chương trình: ví dụ, từ năm tài chính 2004 đến 2006, NASA đã chi khoảng 13 tỷ đô la cho chương trình Tàu con thoi, mặc dù đội tàu bị ngừng hoạt động sau thảm họa Columbia và chỉ có tổng cộng 3 lần phóng trong giai đoạn này. Năm tài chính 2009, NASA phân bổ 2,98 tỷ đô la cho 5 lần phóng trong chương trình, bao gồm 490 triệu đô la cho “tích hợp chương trình”, 1,03 tỷ đô la cho “hoạt động bay và mặt đất”, và 1,46 tỷ đô la cho “phần cứng chuyến bay” (bao gồm bảo trì tàu con thoi, động cơ và bình nhiên liệu ngoài giữa các chuyến bay).
Chi phí mỗi lần phóng có thể được tính bằng cách chia tổng chi phí trong suốt vòng đời chương trình (bao gồm tòa nhà, cơ sở vật chất, đào tạo, lương,…) cho số lần phóng. Với 135 nhiệm vụ và tổng chi phí 192 tỷ đô la Mỹ (theo giá trị năm 2010), mỗi lần phóng trong chương trình Tàu con thoi tiêu tốn khoảng 1,5 tỷ đô la.
Chi phí mỗi lần phóng Tàu con thoi đôi khi bị trình bày sai lệch bằng cách trích dẫn con số 272.000 USD cho mỗi kilogram. Con số này không phản ánh cách tính toán lịch sử của NASA, mà thay vào đó xuất phát từ một dự báo “tàu con thoi giả định” năm 2017 của Trung tâm Vũ trụ Kennedy thuộc NASA, mô hình hóa phương tiện này như thể nó chỉ tiếp tục bay hai chuyến tiếp tế ISS mỗi năm, mỗi chuyến giới hạn ở 10.000 kg hàng hóa, và sau đó chia tổng chi phí chương trình cho khối lượng giảm đó. Để đạt được con số đó, mô hình giả định chi phí tân trang bị thổi phồng, coi việc vận chuyển phi hành gia là “miễn phí”, đánh giá thấp khả năng chở hàng của Tàu con thoi (các chuyến bay module hậu cần đa mục đích (Multipurpose Logistics Module – MPLM) thực tế trung bình đạt 13.841 kg và có thể lên tới 16.000 – 20.000 kg khi bao gồm khoang giữa và các tải trọng bổ sung) và cố ý áp đặt số lần phóng thấp. Trên thực tế, các chuyến bay Tàu con thoi lên ISS thường mang tải trọng lớn hơn, bay với tần suất cao hơn và cung cấp các khả năng bổ sung như vận chuyển tối đa bảy phi hành gia, trả về 10-14 tấn hàng hóa từ quỹ đạo, đồng thời thực hiện các nhiệm vụ lắp ráp và bảo dưỡng trạm vũ trụ.
Theo tài liệu của NASA, tổng chi phí cho toàn bộ chương trình là 192 tỷ USD tính theo giá trị năm 2010, tương đương 261 tỷ USD theo giá trị năm 2025 khi điều chỉnh bằng Chỉ số Lạm phát Khởi động Mới (New Start Inflation Index) của NASA. Chia đều cho 135 nhiệm vụ, mỗi chuyến bay tốn khoảng 1,93 tỷ USD (giá 2025). Tuy nhiên, mức trung bình này bị bóp méo do những năm đầu tần suất bay thấp và thời gian ngừng hoạt động kéo dài sau tai nạn. Trong giai đoạn lắp ráp và hậu cần cho ISS, tàu con thoi bay 6-7 nhiệm vụ mỗi năm, khiến chi phí khấu hao thực tế gần hơn mức 1,6 tỷ USD/chuyến (giá 2025). Với tải trọng thực tế của ISS khoảng 13.800-16.000 kg, cho ra tương đương khoảng 100.000-116.000 USD/kg, chứ không phải 272.000 USD/kg.
Nếu tính cả việc vận chuyển phi hành gia, hiệu quả kinh tế của tàu con thoi còn được cải thiện hơn nữa: mỗi chuyến bay thường chở theo 7 phi hành đoàn bên cạnh hàng hóa. Sau khi tàu con thoi ngừng hoạt động, NASA đã mua ghế trên tàu Soyuz với giá 70-90 triệu USD mỗi ghế, có nghĩa là riêng phần vận chuyển phi hành đoàn của một sứ mệnh tàu con thoi đã có giá trị 490-630 triệu USD mỗi chuyến bay. Trừ đi khoản bù đắp này từ mức trung bình thời kỳ ISS (khoảng 1,6 tỷ USD/chuyến) sẽ thu được chi phí vận chuyển hàng hóa ròng khoảng 800 triệu tới 1,1 tỷ USD mỗi chuyến. Với 13.800-16.000 kg hàng hóa, con số này tương đương 50.000-70.000 USD/kg, nhấn mạnh rằng con số 272.000 USD/kg thường được trích dẫn chỉ là dự báo dưới các giả định hạn chế chứ không phản ánh hiệu suất vận hành thực tế của tàu con thoi.
Các phân tích độc lập của NASA xác nhận rằng chi phí vận chuyển hàng hóa hiệu quả của Tàu con thoi không quá cao so với các dịch vụ thương mại sau này. Trong cùng nghiên cứu năm 2017 dự đoán kịch bản “giả định Tàu con thoi” ở mức 272.000 USD/kg, Zapata cũng báo cáo chi phí trung bình cho các phương tiện Dịch vụ Cung ứng Thương mại (Commercial Resupply Services – CRS) là khoảng 209.000 USD/kg đối với Cygnus và khoảng 89.000 USD/kg đối với Dragon. Sử dụng dữ liệu tải trọng hàng hóa được NASA ghi nhận và tần suất thời kỳ ISS, chi phí thực tế của Tàu con thoi dao động từ 50.000-70.000 USD/kg khi vận chuyển hàng hóa và phi hành đoàn được định giá đúng, nghĩa là Tàu con thoi có tính cạnh tranh và trong nhiều trường hợp còn rẻ hơn các hệ thống thương mại thay thế nó.
NASA đã sử dụng triết lý quản lý được gọi là quản lý định hướng thành công trong chương trình Tàu con thoi, mà sử gia Alex Roland mô tả sau thảm họa Columbia là “hy vọng vào điều tốt nhất”. Kể từ đó, quản lý định hướng thành công đã được nhiều nhà phân tích trong lĩnh vực này nghiên cứu.
Cập nhật lần cuối ngày 16/10/2025.