Tận dụng tàu chở rác vũ trụ: Cách NASA thử nghiệm lá chắn nhiệt thế hệ mới

Khi một chuyến tàu vận tải hoàn thành nhiệm vụ tiếp tế cho Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS), hành trình trở về Trái Đất của nó thường kết thúc bằng một cú lao mình tự hủy trong bầu khí quyển. Tuy nhiên, thay vì chỉ mang theo chất thải bỏ đi, hành trình rực cháy đó lại trở thành một phòng thí nghiệm độc nhất vô nhị. NASA cùng các đối tác đã tận dụng khoảnh khắc hạ màn này để đưa 12 viên nang thử nghiệm nhỏ vào không trung. Thông qua dự án KREPE-3, các nhà nghiên cứu thu thập dữ liệu thực tế nhằm hoàn thiện thế hệ lá chắn nhiệt tiếp theo dành cho các chuyến bay đến Mặt Trăng và Sao Hỏa. [1]

Chuyến xe rác đặc biệt trên quỹ đạo Trái Đất

Mỗi khi rời Trạm Vũ trụ Quốc tế, các con tàu chở hàng như Cygnus XL trong sứ mệnh tiếp tế thứ 24 của Northrop Grumman thường tích trữ lượng lớn chất thải phát sinh từ sinh hoạt và nghiên cứu của các phi hành gia. Thay vì để con tàu bốc cháy một cách đơn thuần, dự án KREPE-3 (Kentucky Reentry Probe Experiment 3) đã biến nó thành phương tiện thử nghiệm hiệu quả. Trước khi Cygnus XL rời trạm, các phi hành gia đã kích hoạt 12 viên nang nhỏ do sinh viên Đại học Kentucky thiết kế và đặt bên trong tàu. Khi tàu vận tải đi vào bầu khí quyển và phân rã an toàn theo tuyến đường dự định, các viên nang này sẽ văng ra ngoài để bắt đầu nhiệm vụ đo đạc. [1]

Việc tận dụng một phương tiện vốn đã định sẵn kết cục tự hủy giúp giảm thiểu tối đa chi phí phóng thử nghiệm. KREPE-3 là sự hợp tác giữa Đại học Kentucky, bang Kentucky, chương trình EPSCoR của NASA, cùng nhiều trung tâm nghiên cứu và đối tác thương mại. Thay vì phải thiết kế một sứ mệnh phóng riêng biệt tốn kém, các kỹ sư đã mượn hành trình trở về của con tàu rác để đưa các mẫu vật liệu vào môi trường ma sát khí quyển cực điểm, thu về những dữ liệu vô giá. [1]

Cánh cửa thử nghiệm từ hành trình tự hủy

Khi lao qua tầng khí quyển với vận tốc cực lớn, ma sát khủng khiếp sẽ tạo ra mức nhiệt khổng lồ xung quanh các viên nang. Lúc này, hệ thống cảm biến tích hợp bên trong 12 viên nang bắt đầu ghi nhận liên tục các thông số kỹ thuật như nhiệt độ, áp suất, chuyển động, từ trường và ánh sáng. Nhờ vào các tín hiệu vệ tinh truyền dữ liệu trực tiếp về Trái Đất trong thời gian thực, các nhà khoa học có thể theo dõi chính xác phản ứng của từng loại vật liệu lá chắn nhiệt dưới tác động khắc nghiệt của thực địa. [1]

Phương pháp này giúp nối liền khoảng cách giữa các mô hình mô phỏng trên máy tính và điều kiện tái nhập khí quyển thực tế. Thay vì chỉ trông chờ vào lý thuyết hay các thử nghiệm trong hầm gió vốn bị giới hạn về quy mô và thời gian, việc thu thập dữ liệu trực tiếp từ bầu khí quyển giúp các nhà nghiên cứu đánh giá được độ bền vững, khả năng chịu nhiệt và đặc tính khí động học của từng kết cấu. Đây là cơ sở quan trọng để các kỹ sư điều chỉnh thiết kế trước khi ứng dụng lên những con tàu chở người hoặc hàng hóa đắt giá. [1]

MERINO và những vật liệu thế hệ mới cho Sao Hỏa

Trong số các thiết bị được thử nghiệm trên KREPE-3, họ vật liệu bảo vệ nhiệt thế hệ mới có tên MERINO do Trung tâm Nghiên cứu Ames của NASA phát triển thu hút nhiều sự chú ý. MERINO được tạo thành từ các lớp sợi carbon và sợi phenolic khâu lại với nhau tương tự như vải dạ felt. Cấu trúc này giúp lá chắn có đặc tính linh hoạt hơn, thời gian sản xuất nhanh hơn và chi phí thấp hơn đáng kể so với các vật liệu chống nhiệt truyền thống. Hai viên nang thử nghiệm trong sứ mệnh lần này được bọc riêng loại vật liệu MERINO để kiểm tra khả năng làm việc. [1]

Đặc tính nhẹ và linh hoạt của MERINO tỏ ra đặc biệt phù hợp với các sứ mệnh đáp xuống Sao Hỏa. Do bầu khí quyển của Hành tinh Đỏ mỏng hơn nhiều so với Trái Đất, tải trọng nhiệt sinh ra khi con tàu hạ cánh sẽ thấp hơn. Việc sử dụng một lớp bảo vệ nhẹ giúp giảm khối lượng tổng thể của tàu vũ trụ, nhường khoảng trống cho các thiết bị khoa học hoặc nhiên liệu. Ngoài ra, thử nghiệm KREPE-3 còn mang theo các mảnh vật liệu gốm chịu nhiệt từng dùng trên phi thuyền thoi và công nghệ lá chắn in 3D phát triển từ sự hợp tác giữa Trung tâm Vũ trụ Johnson và Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge. [1]

Sự kết hợp giữa kiểu dáng khí động học và cảm biến đo đạc

Không chỉ dừng lại ở thử nghiệm chất liệu, KREPE-3 còn thử nghiệm các thiết kế hình học độc đáo để tối ưu hóa khả năng cản lực và phân tán nhiệt. Viên nang thử nghiệm hypersonic hình nón đôi (Kentucky Instrumented Conical Hypersonic Experiment) có phần đỉnh làm bằng vonfram kết hợp với thân nón phủ sợi carbon, nhựa chịu nhiệt và phần nón phía sau bọc vật liệu MERINO. Thiết kế này hỗ trợ đối chiếu các dữ liệu thực tế với các mô hình máy tính tiên tiến. Một viên nang khác được tạo hình giống vỏ khí động học của sứ mệnh Dragonfly – con tàu sắp hạ cánh xuống vệ tinh Titan của Sao Thổ – được phủ lớp cacbon ngâm phenolic (PICA) nhằm kiểm tra độ ổn định động học. [1]

Song song đó, công nghệ lá chắn nhiệt có khả năng xòe rộng ADEPT cũng được đưa vào thử nghiệm. Có cơ chế hoạt động tương tự một chiếc ô, ADEPT giúp mở rộng diện tích bề mặt để tăng lực cản và làm chậm tốc độ rơi của viên nang. Thiết kế dạng gấp gọn này cực kỳ hữu ích cho việc triển khai các tải trọng có kích thước lớn hơn chính tên lửa đưa chúng vào không gian. Thêm vào đó, cảm biến dòng nhiệt do Đại học Stuttgart ở Đức phát triển cũng giúp ghi lại chính xác cách nhiệt lượng dịch chuyển trên bề mặt vật liệu trong suốt quá trình đâm xuyên khí quyển. [1]

Tối ưu chi phí và bệ phóng cho các sứ mệnh tương lai

Sự thành công của dự án KREPE-3 chứng minh rằng những sáng kiến khoa học đột phá không nhất thiết phải đi kèm với mức kinh phí khổng lồ. Việc kết hợp giữa chương trình đào tạo sinh viên và nghiên cứu chuyên sâu của NASA đã tạo ra một phương pháp thử nghiệm nhanh chóng, tiết kiệm và đạt hiệu quả cao. Những dữ liệu sống động thu được từ 12 viên nang không chỉ củng cố các mô hình mô phỏng máy tính mà còn mở ra định hướng mới cho việc thiết kế lá chắn nhiệt thế hệ tiếp theo. [1]

Từ các chuyến bay thử nghiệm nhỏ trên hành trình tự hủy của tàu chở rác, những công nghệ vật liệu mới như MERINO, thiết kế ô xòe ADEPT hay vật liệu PICA đang dần được hoàn thiện. Đây sẽ là nền tảng vững chắc bảo vệ an toàn cho các thế hệ phi hành gia và thiết bị khoa học trong các hành trình chinh phục Mặt Trăng, Sao Hỏa và những vùng đất xa xôi trong Hệ Mặt Trời. [1]