Vì sao hydrazine đóng băng rồi tan băng có thể phá hỏng đường ống tên lửa?

Một đường ống nhiên liệu có thể trông vẫn nguyên vẹn sau khi hydrazine tan ra, nhưng bên trong nó đã chịu một chuỗi biến đổi nguy hiểm. NASA cảnh báo rằng hydrazine đóng băng gần 1,6°C; với hệ thống của Space Shuttle, chỉ hai chu kỳ đóng băng rồi tan băng đã đủ để xem đường ống là bị suy giảm hoặc có thể hỏng. Điều đáng chú ý là rủi ro không chỉ nằm ở cái lạnh, mà ở cách nhiên liệu thay đổi thể tích, áp suất và khả năng chảy qua van. [1]

Câu hỏi trung tâm vì thế không phải “hydrazine có đóng băng hay không”, mà là: vì sao một chu kỳ tưởng như có thể kiểm soát lại đe dọa cả hệ thống đẩy? Câu trả lời bắt đầu từ phần nhiên liệu bị giữ trong một không gian kín, rồi nối tiếp qua trạng thái nạp quá đầy, băng dạng bùn và sự chênh lệch nhiệt độ giữa các đoạn đường ống. [1]

Khi nhiên liệu đông lại, đường ống chịu điều gì?

Hydrazine không biến đổi trong một bể chứa rộng rãi giống như nước trong khay. Trong hệ thống đẩy, nó nằm trong các đường ống, van và đầu nối có thể bị cô lập. Khi đông, hydrazine co lại. Sự co này có thể tạo ra khoảng trống để một lượng nhiên liệu khác đi vào trong đoạn ống kín, khiến hệ thống rơi vào trạng thái NASA gọi là “superpacked”, có thể hiểu là bị nạp đầy vượt điều kiện bình thường. [1]

Đến lúc tan băng, nhiên liệu giãn nở trở lại trong không gian bị giới hạn. Nếu phần chất lỏng đã lấp đầy thêm thể tích trong giai đoạn đóng băng, sự giãn nở có thể đẩy áp suất lên mức làm nứt hoặc phá vỡ đường ống và đầu nối. Vì vậy, hư hỏng không nhất thiết xuất hiện ngay lúc hình thành băng; nó có thể bộc lộ trong quá trình tan băng, đặc biệt khi quá trình này diễn ra không đều. [1]

Vì sao chỉ một lần tan băng cũng có thể làm yếu hệ thống?

Một chu kỳ nhiệt không chỉ tác động lên nhiên liệu. Gioăng, vật liệu đàn hồi, bề mặt làm kín của van và màng ngăn cũng phải thích ứng với sự thay đổi nhiệt độ. Các vật liệu này có thể giãn nở khác nhau, dẫn đến nứt, biến dạng hoặc mất khả năng giữ kín. Một đường ống kim loại dài còn có thể lạnh và ấm không đồng đều, khiến ứng suất phân bố lệch giữa các đoạn. [1]

Sau mỗi lần tiếp xúc với chu kỳ đóng băng và tan băng, hệ thống vì thế không còn được xem là ở nguyên trạng ban đầu. NASA khuyến nghị coi từng chu kỳ là yếu tố làm giới hạn tuổi thọ, sau đó cần đánh giá kỹ thuật về hư hỏng tĩnh và mỏi dựa trên áp suất có thể xuất hiện. Đây là lý do Space Shuttle đặt giới hạn vận hành nghiêm ngặt: không quá hai chu kỳ trước khi hệ thống bị xem là đã suy giảm hoặc hỏng. [1]

Băng dạng bùn gây rắc rối cho van và động cơ ra sao?

Hydrazine không nhất thiết chuyển ngay từ chất lỏng sang một khối rắn hoàn toàn. Trong vùng nhiệt độ gần điểm đông, một phần nhiên liệu có thể ở trạng thái dạng bùn. Trạng thái trung gian này làm giảm khả năng chảy và thay đổi lưu lượng khối lượng qua đường ống. Van có thể bị hạn chế chuyển động hoặc không làm kín đúng cách, trong khi lượng nhiên liệu đến động cơ không còn ổn định. [1]

Với bộ đẩy, sự thay đổi đó có thể dẫn đến khởi động cứng, cháy không đúng điều kiện hoặc không bắt lửa như dự kiến. “Khởi động cứng” ở đây không có nghĩa động cơ chỉ hoạt động mạnh hơn, mà là quá trình bắt đầu dòng nhiên liệu và phản ứng trong buồng đẩy diễn ra ngoài trạng thái vận hành mong muốn. Hệ quả là một vùng bùn nhỏ trong đường ống có thể trở thành vấn đề điều khiển và độ tin cậy ở cấp toàn hệ thống. [1]

Vì sao nhiệt độ bên ngoài chưa nói lên toàn bộ nguy cơ?

Nhiệt độ đo tại bể chứa hoặc một tấm kết cấu không nhất thiết trùng với nhiệt độ thật bên trong mọi đoạn ống. Đường ống có thể dài, nằm ở các vị trí khác nhau và chịu những điều kiện trao đổi nhiệt không giống nhau. Một đầu nối có thể còn lạnh trong khi khu vực lân cận đã ấm lên, hoặc một đoạn chỉ tan một phần và vẫn chứa hỗn hợp hạn chế dòng chảy. [1]

Kinh nghiệm từ hệ thống đẩy của Voyager cho thấy cần mô hình nhiệt chi tiết để đánh giá khả năng đóng băng, tắc đường ống và trục trặc bộ đẩy. Khi nhiệt độ hydrazine tiến vào vùng tạo bùn khoảng 0,1–1,6°C, việc suy luận trạng thái toàn tuyến chỉ từ một số đo tổng quát có thể bỏ sót điểm lạnh nguy hiểm. Nói cách khác, con số trên cảm biến chỉ có ý nghĩa khi biết nó đại diện cho bộ phận nào. [1]

Có thể giảm rủi ro bằng cách nào?

Biện pháp căn bản là giữ toàn bộ hệ thống trên một khoảng an toàn so với điểm đóng băng, thay vì chỉ làm ấm bể chứa. NASA nêu các phương án như bộ sưởi, vật liệu cách nhiệt, chăn nhiệt và thổi khí ấm. Việc kiểm soát môi trường quanh bể, đường ống và van trong các giai đoạn chuẩn bị trên mặt đất cũng giúp tránh để hệ thống nguội ngoài dự kiến. [1]

Nếu không thể loại trừ khả năng đã đóng băng, hệ thống không nên được đưa vào vận hành ngay. Cần đánh giá số chu kỳ đã xảy ra, kiểm tra độ kín, xem xét tình trạng van và tiến hành các phép kiểm tra phù hợp với thiết kế. Quá trình làm ấm cũng phải chậm và đồng đều để hạn chế áp suất tăng do tan băng. Trước khi cho nhiên liệu đi qua, van và các bộ phận liên quan của bộ đẩy cần đạt trạng thái nhiệt phù hợp. [1]

Chi tiết đáng nhớ nằm ở chỗ “đã tan băng” không đồng nghĩa với “đã an toàn”. Một hệ thống có thể trở lại vẻ ngoài bình thường nhưng vẫn mang dấu vết của áp suất, biến dạng hoặc giảm tuổi thọ. Với hydrazine, độ tin cậy được bảo vệ từ việc ngăn đóng băng ngay từ đầu, theo dõi đúng vị trí và xử lý mỗi lần phơi nhiễm như một sự kiện kỹ thuật cần đánh giá. [1]