ứng dụng vật liệu mới trong không gian vũ trụ

1 MỤC LỤC 2 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay sự phát triển như vũ bão của các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác nhau, đặc biệt là các lĩnh vực như công nghệ thông tin, cơ điện tử, hàng không vũ trụ, năng lượng mới và an ninh quốc phòng đòi hỏi các loại vật liệu mới có tính năng đặc biệt đáng ứng các yêu cầu ngày một tăng. Các thiết bị hàng không vũ trụ yêu cầu vừa nhẹ lại vừa bền và các yêu cầu khắt khe khác chỉ có thể đáp ứng tốt nhất khi sử dụng vật liệu composite. Vật liệu composite là vật liệu đa pha mà các pha hầu như không tan vào nhau và có tính chất kết hợp của các pha đó. Hơn hết, tính chất của nó hoàn toàn có thể tính toán thiết kế trước dựa trên các tính chất đã có của vật liệu nền và cốt. Đó chính là lựa chọn tốt nhất để thiết kế, chế tạo các thiết bị sử dụng trong không gian, vũ trụ. Bài viết đề cập đến một số vật liệu được sử dụng trong lĩnh vực không gian vũ trụ, các tính chất và yêu cầu của các dạng vật liệu đó. Bên cạnh đó cũng trình bày một số vật liệu mới được ứng dụng trong không gian vũ trụ với những tính chất vượt trội. NỘI DUNG 1. Tàu con thoi Khi hoàn thành nhiệm vụ, tàu tiến vào khí quyển trái đất với vận tốc rất lớn cùng với ma sát không khí tạo ra một lượng nhiệt lớn tác động lên thân tàu. Do đó tàu phải được trang bị lớp vỏ bền với nhiệt độ cũng như là khả năng chịu lực lớn chống lại tác động của lực xé và nhẹ để giảm trọng lượng. Chính vì thế mà người ta sử dụng vật liệu composite để làm vỏ tàu vũ trụ. 1.1. Hệ thống bảo vệ nhiệt của tàu vũ trụ (TPS-thermal protection system) Hệ thống này gồm nhiều tấm bảo vệ tàu con thoi trong suốt quá trình tàu trở về khí quyển trái đất (nhiệt độ lên đến 1650 o C) cũng như là bảo vệ tàu khỏi các điều kiện khắc nghiệt khi tàu bay quanh các hành tinh (nhiệt độ có thể xuống -120 0 C). Đối với tàu con thoi tùy thuộc vào từng khu vực mà người ta dùng các loại composite khác nhau (chẳng hạn như dùng loại cacbon/cacbon hoặc silicon/silicon trên cấu trúc có dạng nằm ngang hoặc đan chéo của boron/aluminum). Composite loại cacbon/cacbon chủ yếu dùng làm mũi tàu, một phần cánh. Tấm carbon/carbon được dùng ở mũi tàu nơi mà 3 nhiệt độ lên đến 1260 0 C. Đối với loại composite này thì tất cả đều là cacbon: cốt là sợi carbon, còn nền bao quanh là các hạt tinh thể carbon khi nhiệt phân được phân hóa và tạo thành ở trạng thái nóng trên sợi cacbon. Nền carbon được tạo thành cũng trên nguyên lý như dùng để chế tạo sợi cacbon: cacbon hóa một chất hữu cơ ở nhiệt độ cao (trong chất lỏng ở áp suất trung bình và cao, còn trong chất khí ở áp suất thấp hơn áp suất khì quyển). Trong các điều kiện như thế, các tinh thể grafit sẽ hình thành và phát triển. Các bộ phận còn lại ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ hơn thì người ta dùng những tấm lót loại silicon/silicon ceramic để làm tấm cách nhiệt. Những tấm này được gắn vào trong vỏ tàu bằng những cấu trúc gọi là sandwich. Người ta gắn các tấm cacbon/cacbon lên cấu trúc sandwich là để sau khi hoành thành nhiệm các tấm cacbon/cacbon có thể thay thế mà không nhất thiết phải đóng một lớp vỏ mới lên thân tàu. Các panel sandwich này cũng được xem như là một loại composite. Loại này gồm ba lớp, trong đó hai lớp ngoài được chế tạo từ vật liệu có độ bền hoặc độ cứng cao (như hợp kim nhôm, titan, thép, composite dạng lớp…), có chức năng chịu toàn bộ tải trọng tác dụng theo các phương song song với mặt tấm. Lớp giữa có hai chức năng: ngăn các hai lớp trên, chống biến dạng theo phương vuông góc và tạo độ cứng vững, tránh cong vênh. Vật liệu làm lõi có thể là polymer xốp, cao su nhân tạo, chất dính vô cơ, gỗ nhẹ hoặc có cấu trúc tổ ong. 4 1.2. Khung tàu con thoi: Compsite kim loại – sợi 5 Trong loại này, nền kim loại có thể là: nhôm, đồng, magie, titan… với cốt sợi: carbon, bo, cacbit silic, dây kim loại. Tỷ lệ thể tích sợi khoảng 20 – 50%. Một trong các composite có triển vọng nhất là nền nhôm, sợi Bo có phủ cacbit silic. Composite nền kim loại có nhiệt độ làm việc cao hơn nền polymer. Chịu nhiệt cao hơn cả loại nền hợp kim Ni hoặc Co với cốt sợi là dây vonfram dùng trong tuabin động cơ. Hiện nay composite nền kim loại được sử dụng làm khung tàu con thoi của Mỹ. 2. Tên lửa đẩy Công nghệ chế tạo một số chi tiết loa phụt động cơ tên lửa. Việc chế tạo loa phụt của động cơ tên lửa một bộ phận quan trọng và được sản xuất khá phức tạp. Được sử dụng rất rộng rãi các vật liệu composite có độ bền nhiệt cao như: composite polyme sợi cacbon và đặc biệt là các composite cacbon – cacbon. Trong khi chế tạo các chi tiết của loa phụt, do được lắp ráp sau phần động cơ tên lửa đẩy. Vì thế, bộ phận loa phụt này phải có khả năng chịu lửa, chịu nhiệt tốt. 6 Loa phụt động cơ tên lửa Loa phụt động cơ tên lửa được tạo thành chủ yếu từ lớp vật liệu composite carbon/carbon. Trong phần thiết bị này chủ yếu được gia công theo phương pháp quấn. Vật liệu composite nền cacbon sợi cacbon chịu được nhiệt độ cao, đồng thời có tỉ trọng nhỏ, độ bền và modun đàn hồi cao, tính chịu sốc nhiệt tốt. loại vật liệu này làm việc được lâu dài ở nhiệt độ 500 0 C trong môi trường oxy hóa và 3000 0 C trong môi trường khí trơ hoặc chân không. Nền liên kết trong composite cacbon – sợi cacbon có thể là cacbon nhiệt phân, nhựa than đá, polyme cốc hóa. Thông thường sử dụng nhựa phenol (54 – 60% cốc), nhựa silic hữu cơ (84 – 87% cốc), polyimid (63 – 74% cốc)… hàm lượng và độ bền của cốc càng cao thì độ bền liên kết nền – cốt cũng càng cao. Đến đây có thể hình dung một cách tổng quát các loại vật liệu composite dùng để chế tạo tên lửa được sử dụng trong không gian. Được mô tả theo bảng sau: 7 Tên các chi tiết Loại composite dùng để chế tạo - Vỏ động cơ tên lửa nhiên liệu rắn - Composite polyme cốt sợi hữu cơ, sợi cacbon, sợi thủy tinh. - Các vành chịu lực, các “váy” tiếp nối. - Composite polyme sợi thủy tinh, sợi bor, sợi cacbon, sợi hữu cơ. - Bộ phận bệ đặt lắp thân vỏ… - Composite kim loại với nền AlB, MgB, AlC, MgC. - Các bộ phận của loa phụt: những miếng đệm tới hạn, ống loa,… - Composite polyme sợi cacbon, composite cacbon – cacbon. - Loa phụt của động cơ nhiên liệu lỏng - Composite cacbon – cacbon. - Thùng chứa nhiên liệu lỏng - Composite cacbon – cacbon. - Thân vỏ lò khí - Những composite kim loại bền nhiệt cao (vonfram – niken, vonfram – titan, thép – nobi, gốm – kim loại). 3. Vệ tinh Đối với các vật phóng vào không gian thì việc giảm tải khối lượng là quan trọng nhất. Theo như nghiên cứu, thì việc phóng vệ tinh như thế, cứ giảm đi được mỗi 1 kg tải trọng thì sẽ tiết kiệm được 30.000 đô la Mỹ. Do đó, vấn đề chọn vật liệu chế tạo đáng được quan tâm hàng đầu và việc lựa chọn vật liệu composite đã đáp ứng được yêu cầu đó. Phần cấu trúc vệ tinh được cấu thành chủ yếu là một tổ hợp chặt chẽ và hợp lí của các ống và tấm. Cấu trúc chủ yếu phải: - Chịu được sự dao động, rung do những bộ phận đẩy và gia tốc giúp vượt qua lực trọng trường, để tránh sự cộng hưởng những cấu trúc này phải rất cứng và vững chắc. - Hầu như không nhạy (trơ) đối với sự thay đổi của nhiệt độ như trong trường hợp các dụng cụ quang học chính xác: kính viễn vọng, máy ảnh độ phân giải cao. Ở đây Cacbon được sử dụng ở cấu trúc dạng ống (hệ số giãn nở rất thấp, ở vào khoảng 10 -7 ) Các cơ cấu chính của vệ tinh có thể bao gồm các tấm ghép lại với nhau như sandwich, với những tính chất sau: - Hợp kim nhẹ có cấu trúc tổ ong làm lõi - Bề mặt được làm từ các tấm mỏng nhiều lớp. Bề dày của lớp mặt là vào khoảng 0,1 mm sau đó được gia cố bằng cách ghép với lõi nhôm. Cấu trúc dạng tấm như thế giúp giữ được cân bằng. 8 Ví dụ: Camera V.H.R (Visible high-resolution) SPOT (FRA), là một phần ở phía trên của vệ tinh được thể hiện trong hình sau: Trong trường hợp của các cơ cấu không gian, trong số các giải pháp dự kiến sẽ là cho xây dựng trạm không gian hình ống, ta có thể thử nghiệm trên các ống làm bằng vật liệu cacbon được ép đùn với các khớp nối của các phần vỏ làm bằng cacbon. Các hợp phần cấu trúc của vệ tinh cỡ nhỏ: • Kết cấu chính - Giúp hỗ trợ bất kỳ phần nào tàu vũ trụ (xương sống cho toàn bộ tàu, vệ tinh) - Cung cấp đường dẫn tải phù hợp - Bảo vệ chống lại tác động của môi trường - Bảo đảm sự ổn định • Vật liệu - Những hợp kim của nhôm (AlMgZn, AlMgCu…) - Hợp kim titan (Ti 6 Al 4 V) - Thép không gỉ - Nhựa được gia cố (sợi cacbon/epoxy hay Cyanate/nhựa este) 3.1. Composite nền titan 9 Titan thuộc nhóm kim loại có độ nóng chảy cao, độ bền riêng cao hơn thép, nhẹ hơn thép và tính chống ăn mòn cao. Sử dụng titan làm nền liên kết cho các composite cốt sợi khác nhau như sợi Mo, B, SiC, Be nhằm mở rộng nhiệt độ làm việc có thể tới 700 – 800 0 C. Kết hợp nền titan với các sợi hoặc dây kim loại như Mo, Be sử dụng phương pháp cán, ép nóng. Đối với các sợi B và SiC để kết hợp nền – cốt người ta sử dụng phương pháp hàn khuếch tán chân không. Composite nền titan cốt sợi SiC có modun đàn hồi cao. Tính chịu nhiệt độ và độ bền lâu của composite nền titan cốt sợi Mo có độ bền lâu và bền nhiệt cao nhất. Các tính chất cơ học của một số composite nền titan và cốt sợi khác nhau được ứng dụng trong vũ trụ. Composite V s (%) σ b (MPa) E (MPa.10 3 ) TiAl 6 V 4 – Mo Ti – B TiAl 6 V 4 – SiC TiAl 6 V 4 Sn 2 – Be 44 30 28 40 1400 984 998 1124 200 180 253 181 3.2. Composite nền gốm cốt sợi kim loại Cốt sợi kim loại sử dụng trong nền gốm thường là sợi W hoặc Mo. Mục đích cơ bản của các lưới dây kim loại nhằm tạo ra mạng lưới kim loại có độ dẻo đảm bảo giữ nguyên nền gốm sau khi sợi bị đứt. Do đó cần thiết phải giữ nguyên được độ dẻo của sợi đến nhiệt độ vận hành yêu cầu. Nền liên kết thường là các gốm oxit như MgO hay Al 2 O 3 . Khi sử dụng loại vật liệu này cho thiết kế thân vỏ của tàu vũ trụ, vệ tinh sẽ làm gia tăng khoảng nhiệt độ chịu nhiệt của thiết bị từ (2000 – 3000 0 C) và làm tăng đáng kể độ bền của vật liệu. Sau đây là bảng thống kê tính chất cơ học của composite nền MgO với các sợi W hoặc Mo. Composite σ u (MPa) σ n (MPa) a x .10 3 (J/m 2 ) MgO MgO – 5% W MgO – 10% W MgO – 5% Mo MgO – 10% Mo MgO – 15% Mo 140 45 90 53 64 120 360 450 480 450 460 470 1,9 4,9 5,2 8,0 12,2 19 3.3. Vệ tinh đầu tiên trên thế giới 10 [...]... có các ứng dụng khác nhau chẳng hạn như có thể dẫn điện • Loại nhôm Được làm từ oxit nhôm Ứng dụng của nó là làm chất xúc và làm tấm stardust dust collector Ứng dụng của aerogel trong vũ trụ: Như trên đã trình các đặc tính của loại vật liệu này, khả năng ứng dụng của nó trong lĩnh vực vũ trụ chính là tích cách nhiệt cao và tỷ trọng thấp Bên cạnh nó còn có một ứng dụng đặc biệt cho ngành khoa vũ trụ Đó... tạo ra những vật thể siêu đen, và người ta bắt đầu kiểm chứng các phỏng đoán đó Ứng dụng của vật liệu tối có thể là những pin mặt trời hiệu quả hơn, và ở bất kỳ đâu người ta muốn tận thu ánh sáng 5.3 Vật liệu tàu vũ trụ tự hàn gắn 26 Khi tàu vũ trụ bị nứt hoặc thủng, hoá chất bên trong rò rỉ và phản ứng với nhau, tạo thành một lớp vật liệu mới hàn gắn chỗ bị thủng lại Đây là loại vật liệu composite... trong không gian Do bởi các các chức năng này mà bộ quần áo này nặng đến 84 kg Các phi hành gia phải trải qua chương 22 trình huấn luyện khắc nghiệt trong môi trường không trọng lượng Chính là để mặc được bộ quần áo này và di chuyển được trong không gian Quần áo của các nhà du hành được làm bằng nhiều lớp sợi siêu bền và các vật liệu khác đủ cứng để không bị bục rách trong khoảng không vũ trụ Các vật. .. nghệ vũ trụ châu Âu (thuộc ESA), vật liệu mới nói trên có thể bảo vệ tàu khỏi các mẩu rác vũ trụ Những mẩu này có kích cỡ vài milimet, song lại di chuyển với tốc độ hàng nghìn mét mỗi giây trong quỹ đạo, đủ nhanh để gây hư hại nghiêm trọng cho vệ tinh, tàu vũ trụ Công nghệ này cũng có thể bịt kín những lỗ thủng do nhiệt độ cao gây ra trên thân tàu vũ trụ hoặc những hư hại trong khi tàu cất cánh Với vật. .. là vật liệu được sản xuất ra có tỷ trọng thấp trong số các loại vật liệu rắn xốp mà chúng ta từng biết tới Nó có cấu tạo giống hệ gel nhưng thành phần lỏng được thay thế bằng khí Kết quả là tạo ra một loại vật liệu có tỷ trọng cực kỳ thấp với một vài tính chất đáng chú ý như: khả năng cách nhiệt cao, tỷ trọng cực kỳ thấp (nhẹ thích hợp cho các ứng dụng trong vũ trụ) … Tên thường gọi của loại vật liệu. .. mời tham gia 12 ISS di chuyển trong không gian với vận tốc trung bình là 27.743,8 km/giờ, ứng với 15,79 lần bay quanh Trái Đất mỗi ngày Theo kế hoạch, Trạm vũ trụ Quốc tế sẽ hoàn thành vào năm 2011 và sẽ hoạt động đến năm 2016 Từ năm 2007, ISS đã trở thành vệ tinh nhân tạo lớn nhất trong quỹ đạo Trái Đất, lớn hơn bất kỳ trạm vũ trụ nào khác Trạm vũ trụ Quốc tế là trạm vũ trụ duy nhất có người thường... nghiên cứu không gian, đang ở giai đoạn lắp ráp trên quỹ đạo cận Trái Đất, nhờ sự hợp tác của năm cơ quan không gian: NASA (Hoa Kỳ), RKA (Nga), JAXA (Nhật Bản), CSA (Canada) và 10 trong 17 nước thành viên của ESA (châu Âu) Trạm vũ trụ quốc tế được coi là kết quả của sự hợp nhất hai dự án lớn, nhưng thiếu kinh phí để có thể thực hiện riêng biệt là Trạm vũ trụ Tự do (Freedom) của Hoa Kỳ và Trạm vũ trụ Hòa... Khoảng không vũ trụ là môi trường chân không Những nơi nhận ánh sáng mặt trời có thể lên đến nhiệt độ 120oC nhưng những nơi không có ánh sáng lại có nhiệt độ thấp ở mức -120oC Vì không có không khí nên con người không thể thở được Lượng bụi vũ trụ và phóng xạ cũng có thể đe dọa tính mạng con người Vì thế, thứ quan trọng nhất mà phi hành gia cần khi chuyển động trong vũ trụ là “bộ quần áo phi hành” Bộ quần... vệ khỏi các vật thể lạ được làm từ loại vật liệu giống như loại dùng làm áo vest chống đạn Ngoài ra còn có một lớp nhôm mỏng bọc lên phía trên lớp phủ để tăng khả năng bảo vệ Năm 1989, Allied Signal mới phát triển 1 chất mới gọi là Spectra Ban đầu, Spectra được dùng trong vải buồm, về sau mới được dùng để dùng trong áo chống đạn thay thế/kết hợp với Kevlar Kevlar khi mới phát minh được sử dụng cho công... P3, P4, P5, P6 nằm đối xứng về bên mạn trái Phần lớn cấu trúc này được làm từ nhôm • Columbus (mô-đun ISS) Columbus là phòng thí nghiệm không gian đầu tiên của châu Âu tồn tại dài hạn trong không gian, đây là đóng góp lớn nhất của châu Âu vào Trạm không gian quốc tế Đây là phòng thí nghiệm thứ hai được lắp đặt vào trạm ISS sau phòng thí nghiệm Destiny của Mỹ Columbus có dạng hình trụ dài 7 m và đường . vật liệu nền và cốt. Đó chính là lựa chọn tốt nhất để thiết kế, chế tạo các thiết bị sử dụng trong không gian, vũ trụ. Bài viết đề cập đến một số vật liệu được sử dụng trong lĩnh vực không gian. trong lĩnh vực không gian vũ trụ, các tính chất và yêu cầu của các dạng vật liệu đó. Bên cạnh đó cũng trình bày một số vật liệu mới được ứng dụng trong không gian vũ trụ với những tính chất vượt. hiện trong hình sau: Trong trường hợp của các cơ cấu không gian, trong số các giải pháp dự kiến sẽ là cho xây dựng trạm không gian hình ống, ta có thể thử nghiệm trên các ống làm bằng vật liệu