Toan tính của Lầu Năm Góc với mạng lưới vệ tinh gián điệp cỡ nhỏ

Quỹ đạo thấp của Trái Đất và vệ tinh cỡ nhỏ

Quỹ đạo Trái Đất thấp hay Quỹ đạo Trái Đất tầm thấp (Low Earth Orbit - LEO) được hiểu là khoảng không gian có độ cao từ 160km đến 2.000km tính từ bề mặt Trái Đất. Hầu hết các vật thể nhân tạo ngoài vũ trụ đều ở LEO. Ở trên quỹ đạo thấp, mặc dù kích thước cảm biến nhỏ hơn, các vệ tinh trinh sát có khả năng phát hiện tốt hơn, cung cấp hình ảnh có độ phân giải cao hơn, độ trễ truyền dữ liệu giữa không gian và Trái Đất (và ngược lại) bé hơn, tín hiệu truyền cũng cần ít năng lượng hơn.

Các vệ tinh nhỏ cũng được phóng lên LEO dễ dàng và rẻ hơn hơn các vệ tinh lớn đơn lẻ được gửi lên quỹ đạo cao. Hơn nữa, việc bổ sung và cập nhật một chùm vệ tinh nhỏ sẽ dễ dàng hơn khi công nghệ thay đổi. Đối với mục đích giám sát, LEO cũng cho phép các vệ tinh bay trên quỹ đạo trên toàn thế giới, thay vì cố định tại một điểm.

Tuy nhiên, đối với các vệ tinh trên LEO, độ phân giải của cảm biến không cao bằng các vệ tinh địa tĩnh và trường quan sát nhỏ hơn - một bất lợi nếu muốn bao phủ các khu vực rộng lớn mà các vệ tinh địa tĩnh có thể nhìn thấy từ quỹ đạo cao hơn. Một trong những tình huống xấu nhất đối với một bộ vệ tinh LEO có thể là một vụ nổ hạt nhân tầm cao, đánh hỏng nhiều vệ tinh cùng một lúc.

Hầu hết các tàu vũ trụ do thám của Mỹ được thiết kế đặc biệt để hoạt động trên một quỹ đạo địa tĩnh, khoảng 35.800 km. Chúng cực kỳ hiệu quả, nhưng rất đắt tiền; việc chế tạo, phóng và vận hành các vệ tinh loại này thường tốn từ 1 tỷ USD trở lên. Kể từ những năm 1990, vệ tinh nhỏ hình khối trên LEO được sử dụng ngày càng nhiều và xu hướng chung là chuyển từ các vệ tinh lớn truyền thống sang các vệ tinh nhỏ.

Vệ tinh trên LEO đang được sử dụng ngày một nhiều; Nguồn: phys.org

Một trong những công nghệ vũ trụ mới nhất trong những năm gần đây là giải pháp dùng mạng dày đặc các vệ tinh nhỏ, rẻ tiền, được thiết kế để bao phủ toàn bộ khu vực hoặc hành tinh với các vệ tinh liên lạc không chỉ với các trạm mặt đất mà cả giữa chúng với nhau. Các vệ tinh trong mạng truyền dữ liệu cho nhau thay vì chuyển trực tiếp cho trạm mặt đất, do đó, khoảng cách di chuyển tổng thể ngắn hơn. Hệ thống cũng có khả năng tự điều chỉnh để duy trì vùng phủ sóng nếu một vệ tinh bị hỏng.

Từ kinh nghiệm của các công ty OneWeb, SpaceX và Planet triển khai các đội nhiều vệ tinh (có thể gồm hàng ngàn vệ tinh riêng lẻ) cho các ứng dụng từ viễn thông đến quan sát Trái Đất, giới chức quân sự Mỹ đang kỳ vọng vào Cơ quan phụ trách Dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến (Defense Advanced Research Projects Agency's - DARPA) với dự án có tên Blackjack, nhằm tạo ra mạng lưới 20 nguyên mẫu vệ tinh gián điệp trên LEO vào năm 2021.

Dự án Blackjack

Dự án Blackjack lấy ý tưởng từ lĩnh vực không gian dân sự, đặc biệt là Starlink của SpaceX - công ty dùng hàng ngàn vệ tinh liên lạc giá rẻ che phủ LEO có khả năng cung cấp truy cập internet đến bất kỳ điểm nào trên Trái Đất. Số lượng vệ tinh đủ để đảm bảo dữ liệu có thể được định tuyến nhanh chóng qua vệ tinh gần nhất và nếu một vệ tinh rơi, các vệ tinh khác có thể cáng đáng.

Dự án Blackjack lấy ý tưởng từ lĩnh vực không gian dân sự; Nguồn: c4isrnet.com

Đội các vệ tinh gián điệp, định vị, điều hướng và thời gian và các vệ tinh thông tin liên lạc của Lầu Năm Góc có hiệu quả và tiết kiệm chi phí trong thời bình nhưng lại là các mục tiêu lớn và dễ bị tổn thương trong thời chiến. Dự án Blackjack có nhiệm vụ phóng các chùm gồm các vệ tinh nhỏ hơn, rẻ hơn để thực hiện các nhiệm vụ tương tự nhằm hỗ trợ các hoạt động quân sự của Mỹ trên toàn thế giới.

Blackjack sẽ tích hợp khối thiết bị trinh sát và liên lạc vào các vệ tinh thương mại tiêu chuẩn (được gọi bus) và tận dụng tốc độ phóng cao để phóng các chùm nhiều vệ tinh nhỏ. Các chuyên gia Mỹ muốn tận dụng lợi thế khi đặt các cơ sở trên quỹ đạo cách Trái Đất 1.000km, không những dễ phóng mà tín hiệu thông tin cũng mạnh hơn 1.300 lần so với quỹ đạo địa tĩnh và thông tin đến Trái Đất nhanh hơn. Một chương trình bổ sung có tên Pit Boss sẽ tạo ra hệ thống tự quản lý chùm vệ tinh, đảm bảo luồng dữ liệu cho các đơn vị trên thực địa mà không cần sự tương tác của con người.

Trong trường hợp chiến tranh, quân đội Mỹ tin rằng các cường quốc như Nga hay Trung Quốc có thể bắn hạ các vệ tinh Mỹ. Việc thay thế các vệ tinh lớn và đắt tiền như vậy bằng các bản sao của bản gốc có thể không khả thi và sẽ chỉ làm mồi cho đối phương bắn hạ chúng một lần nữa. Blackjack có thể thay thế vệ tinh bị mất bằng một đội vệ tinh nhỏ hơn khó bắn hạ hơn, có khả năng cáng đáng chức năng các vệ tinh bị mất dưới hỏa lực của kẻ thù.

Mandrake 1 là một vệ tinh CubeSat mang các chip xử lý của siêu máy tính; Nguồn: vsgc.odu.edu

DARPA đang xem xét khối máy móc gồm một số loại cảm biến và các thiết bị chuyên dụng của nhiều công ty nổi tiếng cho các chùm vệ tinh Blackjack trình diễn lần đầu, bao gồm hệ thống tần số vô tuyến để truyền dữ liệu cho các đơn vị mặt đất, vị trí, điều hướng và hệ thống thời gian, đường liên kết thông tin vệ tinh đến vệ tinh và vệ tinh gián điệp sử dụng thiết bị hồng ngoại và quang-điện, quang-hồng ngoại. Các mạng tương lai được xây dựng với Blackjack có thể sẽ có tất cả các khả năng này.

Hợp tác với Bộ Tư lệnh Vũ trụ và Cơ quan Phát triển Vũ trụ (Space Development Agency - SDA), DARPA có kế hoạch phóng các vệ tinh Blackjack đầu tiên lên LEO vào cuối năm nay và trong năm 2021 nhằm mục đích chứng minh các cảm biến có kích thước, trọng lượng và công suất thấp và có thể được sản xuất hàng loạt để phù hợp với nhiều vệ tinh nhỏ khác nhau bởi nhiều nhà cung cấp khác nhau, với mức giá dưới 2 triệu mỗi khối thiết bị. Lựa chọn cuối cùng các bus sẽ diễn ra vào năm 2020. Mới đây, đã hoàn thành đánh giá thiết kế sơ bộ cho Pit Boss, và Lockheed Martin được chọn là nhà tích hợp vệ tinh.

Thử nghiệm đầu tiên mang mật danh Mandrake 1 sẽ là vệ tinh CubeSat (khối vuông) mang các chip xử lý của siêu máy tính. Mandrake 2 sẽ là một cặp vệ tinh CubeSat có khả năng trao đổi dữ liệu ở tốc độ băng thông rộng nhằm mục đích trình diễn công nghệ tiên tiến cho chùm vệ tinh con độc lập và mạng lưới không gian, chứng minh khả năng có thể cung cấp cho Bộ Quốc phòng hệ thống vệ tinh có khả năng kết nối cao, chắc chắn và bền bỉ. Chúng có thể tạo thành cơ sở của các mạng máy tính được tạo lưới trong tương lai trên LEO.

Blackjack sẽ dùng các chùm vệ tinh cỡ nhỏ với nhiều ưu thế trên LEO thay thế các vệ tinh đắt tiền trên quỹ đạo cao; Nguồn: nypost.com

Chương trình cũng có mục tiêu tạo thiết bị giảm thiểu rủi ro có tên gọi là Wildcard - một đài phát với phần mềm chuyên dụng liên kết từ LEO đến các radio chiến thuật. Một thử nghiệm tổng hợp dữ liệu với khả năng lưu trữ các thuật toán của bên thứ ba, được lên kế hoạch. Trong vài tháng tới, chương trình sẽ chạy mô phỏng để kiểm tra các khối thiết bị với mọi chức năng. Mục tiêu là khẳng định khả năng tương tác giữa các vệ tinh nhỏ được gắn thiết bị và các khối máy khác nhau đang được xem xét để sẵn sàng ra mắt vào cuối năm 2021.

Quân đội Mỹ đang quan tâm, vì cả quân đội và SDA mới của Bộ Quốc phòng đang đánh giá bằng cách sử dụng các chùm vệ tinh LEO cho các ứng dụng có thể bao gồm thông tin liên lạc, phòng thủ tên lửa tiên tiến hoặc hệ thống dẫn đường thay thế GPS. Ngoài ra, SDA và Cơ quan Phòng thủ Tên lửa của Bộ Quốc phòng đang quan tâm đến các cảm biến không gian theo dõi đạn đạo và siêu âm có thể bao gồm một chùm vệ tinh nhỏ trên LEO.

Blackjack sẽ trao tổng cộng 117,5 triệu USD cho các nhà trúng thầu trong đề xuất về khối thiết bị và tàu vũ trụ. DARPA cuối cùng có thể chọn hàng chục khối thiết bị khác nhau, nhưng mỗi vệ tinh riêng lẻ - có thể nặng từ 100-400kg - sẽ chỉ mang theo một vài khối thiết bị. Nếu mạng nguyên mẫu hoạt động theo kế hoạch, quân đội Mỹ đặt mục tiêu thiết lập chùm gồm 90 vệ tinh LEO, có thể hoạt động sớm nhất là vào năm 2022./.