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

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

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

NỘI DUNG 4

1 Tàu con thoi 4

1.1 Hệ thống bảo vệ nhiệt của tàu vũ trụ (TPS-thermal protection system) 4 1.2 Khung tàu con thoi: Compsite kim loại – sợi 6

2 Tên lửa đẩy 6

3 Vệ tinh 8

3.1 Composite nền titan 10

3.2 Composite nền gốm cốt sợi kim loại 10

3.3 Vệ tinh đầu tiên trên thế giới 11

3.4 Vệ tinh lớn nhất hiện nay trên thế giới 12

4 Quần áo của các phi hành gia 22

5 Một số vật liệu khác 24

5.1 Aerogel 24

5.2 Vật liệu đen tuyệt đối 26

5.3 Vật liệu tàu vũ trụ tự hàn gắn 26

6 Các phương pháp gia công 27

6.1 Công nghệ quấn 27

6.2 Công nghệ dập, ép 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

có của vật liệu nền và cốt Đó chính là lựa chọn tốt nhất để thiết kế, chế tạo các thiết bị sửdụng 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 vậtliệu 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 đượctrang bị lớp vỏ bền với nhiệt độ cũng như là khả năng chịu lực lớn chống lại tác động củalực xé và nhẹ để giảm trọng lượng Chính vì thế mà người ta sử dụng vật liệu composite đểlàm 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 khíquyển trái đất (nhiệt độ lên đến 1650oC) cũng như là bảo vệ tàu khỏi các điều kiện khắcnghiệt khi tàu bay quanh các hành tinh (nhiệt độ có thể xuống -1200C)

Đối với tàu con thoi tùy thuộc vào từng khu vực mà người ta dùng các loại compositekhác nhau (chẳng hạn như dùng loại cacbon/cacbon hoặc silicon/silicon trên cấu trúc códạng nằm ngang hoặc đan chéo của boron/aluminum) Composite loại cacbon/cacbon chủ

nhiệt độ lên đến 12600C Đối với loại composite này thì tất cả đều là cacbon: cốt là sợicarbon, còn nền bao quanh là các hạt tinh thể carbon khi nhiệt phân được phân hóa và tạothành ở trạng thái nóng trên sợi cacbon Nền carbon được tạo thành cũng trên nguyên lý nhưdùng 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 bộphận 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 bằngnhững 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 thiếtphải đóng một lớp vỏ mới lên thân tàu

Các panel sandwich này cũng được xem như là một loại composite Loại này gồm balớp, trong đó hai lớp ngoài được chế tạo từ vật liệu có độ bền hoặc độ cứng cao (như hợpkim nhôm, titan, thép, composite dạng lớp…), có chức năng chịu toàn bộ tải trọng tác dụngtheo 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 liệulàm lõi có thể là polymer xốp, cao su nhân tạo, chất dính vô cơ, gỗ nhẹ hoặc có cấu trúc tổong

1.2 Khung tàu con thoi: Compsite kim loại – sợi

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 cáccomposite có triển vọng nhất là nền nhôm, sợi Bo có phủ cacbit silic Composite nền kimloại có nhiệt độ làm việc cao hơn nền polymer Chịu nhiệt cao hơn cả loại nền hợp kim Nihoặc Co với cốt sợi là dây vonfram dùng trong tuabin động cơ Hiện nay composite nền kimloại 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 xuấtkhá 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 lửađẩy Vì thế, bộ phận loa phụt này phải có khả năng chịu lửa, chịu nhiệt tốt

Loa phụt động cơ tên lửa

Loa phụt động cơ tên lửa được tạo thành chủ yếu từ lớp vật liệu compositecarbon/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 tỉtrọng nhỏ, độ bền và modun đàn hồi cao, tính chịu sốc nhiệt tốt loại vật liệu này làm việcđược lâu dài ở nhiệt độ 5000C trong môi trường oxy hóa và 30000C trong môi trường khí trơhoặc chân không

Nền liên kết trong composite cacbon – sợi cacbon có thể là cacbon nhiệt phân, nhựathan đá, polyme cốc hóa Thông thường sử dụng nhựa phenol (54 – 60% cốc), nhựa silichữu cơ (84 – 87% cốc), polyimid (63 – 74% cốc)… hàm lượng và độ bền của cốc càng caothì 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:

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 trọngnhất Theo như nghiên cứu, thì việc phóng vệ tinh như thế, cứ giảm đi được mỗi 1 kg tảitrọng thì sẽ tiết kiệm được 30.000 đô la Mỹ Do đó, vấn đề chọn vật liệu chế tạo đáng đượcquan 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 củacác 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 lựctrọng 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 cácdụng cụ quang học chính xác: kính viễn vọng, máy ảnh độ phân giải cao Ở đây Cacbonđược 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 nhưsandwich, 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 giữđược cân bằng

Ví dụ: Camera V.H.R (Visible high-resolution) SPOT (FRA), là một phần ở phía trêncủa 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 choxây dựng trạm không gian hình ống, ta có thể thử nghiệm trên các ống làm bằng vật liệucacbon được ép đùn với các khớp nối của các phần vỏ làm bằng cacbon Các hợp phần cấutrúc 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 (Ti6Al4V)

- Thép không gỉ

- Nhựa được gia cố (sợi cacbon/epoxy hay Cyanate/nhựa este)

3.1 Composite nền titan

Titan thuộc nhóm kim loại có độ nóng chảy cao, độ bền riêng cao hơn thép, nhẹ hơnthép và tính chống ăn mòn cao Sử dụng titan làm nền liên kết cho các composite cốt sợikhác nhau như sợi Mo, B, SiC, Be nhằm mở rộng nhiệt độ làm việc có thể tới 700 – 8000C.

Kết hợp nền titan với các sợi hoặc dây kim loại như Mo, Be sử dụng phương phápcán, ép nóng Đối với các sợi B và SiC để kết hợp nền – cốt người ta sử dụng phương pháphàn khuếch tán chân không Composite nền titan cốt sợi SiC có modun đàn hồi cao Tínhchịu nhiệt độ và độ bền lâu của composite nền titan cốt sợi Mo có độ bền lâu và bền nhiệtcao nhất

Các tính chất cơ học của một số composite nền titan và cốt sợi khác nhau được ứngdụng trong vũ trụ

TiAl6V4 – Mo

Ti – B TiAl6V4 – SiCTiAl6V4Sn2 – Be

44302840

14009849981124

200180253181

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 bảncủa các lưới dây kim loại nhằm tạo ra mạng lưới kim loại có độ dẻo đảm bảo giữ nguyênnền 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 Al2O3

Khi sử dụng loại vật liệu này cho thiết kế thân vỏ của tàu vũ trụ, vệ tinh sẽ làm giatăng khoảng nhiệt độ chịu nhiệt của thiết bị từ (2000 – 30000C) 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.

360450480450460470

1,94,95,28,012,219

3.3 Vệ tinh đầu tiên trên thế giới

Ngày 4/10/1957, lịch sử thế giới đánh dấu một cột mốc mới bằng việc Liên Xôphóng vệ tinh đầu tiên lên vũ trụ Sự kiện này mở màn cuộc chạy đua vào không gian giữahai cường quốc Liên Xô và Mỹ Vệ tinh đầu tiên đó là Sputnik 1

Một kỹ sư đang chỉnh sửa những chi tiết cuối cùng của vệ tinh Sputnik 1 vào mùa thunăm 1957, chuẩn bị cho sự kiện trọng đại đưa nó lên vũ trụ Tên lửa đẩy được lựa chọn làloại R-7, cải biến từ hỏa tiễn hạt nhân của Liên Xô khi đó Vệ tinh nhân tạo đầu tiên của loàingười có trọng lượng 83,6 kg Sputnik 1 bay một vòng quanh trái đất theo quỹ đạo hình elipmất 96 phút Sputnik 1 là một quả cầu nhôm có đường kính 58 cm, bên trong chứa đầyNitrogen và bay cách trái đất 900 km

Sự kiện phóng vệ tinh này của Liên Xô đã khiến người Mỹ sửng sốt và lập tức cho rađời Cơ quan hàng không vũ trụ quốc gia (NASA) để chạy đua vào không gian với đối thủ.Sputnik 1 có 4 chiếc ăng ten "râu" xòe ra xung quanh

Hình mở vỏ Sputnik 1

3.4 Vệ tinh lớn nhất hiện nay trên thế giới

Trạm vũ trụ Quốc tế (International Space Station, viết tắt: ISS) là một tổ hợp công

trình nhằm 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 thiếukinh phí để có thể thực hiện riêng biệt là Trạm vũ trụ Tự do (Freedom) của Hoa Kỳ và Trạm

vũ trụ Hòa Bình 2 (Mir-2) của Nga Ngoài các mô-đun của Hoa Kỳ và của Nga đã được lên

kế hoạch, các mô-đun Columbus của Châu Âu và Mô-đun thí nghiệm của Nhật Bản cũng sẽđược ghép vào trạm Cơ quan không gian Brasil (AEB, Brasil) tham gia dự án này thôngqua một hợp đồng riêng với NASA Cơ quan Không gian Ý cũng có vài hợp đồng tương tựcho nhiều hoạt động, nằm ngoài khuôn khổ các nhiệm vụ của ESA trong dự án ISS Cóthông tin cho rằng, Trung Quốc cũng thể hiện sự quan tâm của họ đối với dự án, đặc biệtnếu họ được phép hợp tác với RKA, tuy nhiên Trung Quốc vẫn chưa được mời tham gia

ISS di chuyển trong không gian với vận tốc trung bình là 27.743,8 km/giờ, ứng với15,79 lần bay quanh Trái Đất mỗi ngày Theo kế hoạch, Trạm vũ trụ Quốc tế sẽ hoàn thànhvào năm 2011 và sẽ hoạt động đến năm 2016 Từ năm 2007, ISS đã trở thành vệ tinh nhântạo 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 trực, thực hiện các công việc nghiên cứu

Các bộ phận của Trạm vũ trụ Quốc tế : Zarya; Unity (Node 1); Zvezda; Destiny;

Quest Joint Airlock; Gian nối Pirs; Harmony (Node 2); Columbus; Kibō (PM, ELM-PS);

Integrated Truss Structure

 Cấu trúc giàn tích hợp (Integrated Truss Structure)

Hệ thống này gồm các giàn thành phần được lắp ghép với nhau để tạo thành một hệthống giàn chính trải dài tới hơn 300 feet Cấu trúc này là nơi lắp đặt các bộ phận quan trọng

để vận hành trạm vũ trụ quốc tế như các tấm thu năng lượng mặt trời, các lá tản nhiệt, hệthống bảo trì di động ("Mobile Servicing System" – MSS) Đây là nơi chứa các hệ thống

tối quan trọng của trạm như hệ thống xử lý và phân phối điện năng, hệ thống làm mát, hệthống thông tin liên lạc Hệ thống giàn này được coi là “xương sống” của trạm ISS.

Hệ thống này gồm tất cả 12 giàn tất cả, trong đó có 11 giàn được kết hợp với nhau vàmột giàn Z1 nằm tách biệt Hệ thống 11 giàn kết hợp có giàn S0 nằm chính giữa, các giànS1, S3, S4, S5, S6 nằm về bên mạn phải và các giàn P1, P3, P4, P5, P6 nằm đối xứng về bênmạn trái Phần lớn cấu trúc này được làm từ nhôm

Columbus là phòng thí nghiệm không gian đầu tiên của châu Âu tồn tại dài hạn trongkhông gian, đây là đóng góp lớn nhất của châu Âu vào Trạm không gian quốc tế Đây làphòng 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 kính 4,5 m được hàn với hai đầu hìnhnón, khối lượng 10,3 tấn và thể tích là 75 m³ Sau khi được trang bị đầy đủ, Columbus sẽ cómột thể tích sinh hoạt khoảng 25 m³ Các cấu trúc chính cũng như cấu trúc phụ bên trongcủa phần thân Columbus đều làm bằng hợp kim nhôm Các lớp này được bao bọc bởi mộtlớp phủ cách nhiệt nhiều lớp giúp ổn định nhiệt và các tấm bảo vệ nặng 2 tấn làm từ hợpkim nhôm kết hợp với các lớp Kevlar và Nextel giúp bảo vệ phần bên trong khỏi các mảnhvụn bay lơ lửng không gian

Cấu trúc hóa học của KevlarKevlar là một loại sợi tổng hợp, là tên thương mại của poly-para-phenyleneterephthalamide, một loại polymer lỏng có thể se thành sợi và dệt thành vải, có thể được sửdụng như là một thành phần trong các hợp phần của vật liệu composite Tính chất củaKevlar là cực bền, nhẹ, đàn hồi tốt.

Destiny là một phòng thí nghiệm của Mỹ, được lắp ghép vào trạm ISS trong chuyếnbay STS-98 của tàu con thoi Atlantis vào năm 2001 Module này được coi là trung tâm củacác hoạt động nghiên cứu cũng như điều khiển trên trạm ISS Đây là phòng thí nghiệmkhông gian phức tạp và đa năng nhất từng được xây dựng Tính đa dụng này cho phép cácnhà nghiên cứu trên toàn thế giới trong một môi trường không gian không trọng lực độcnhất

Module bằng nhôm này dài 8,5 m, đường kính 4,3 m, khối lượng ban đầu là 14.515

kg, tính thêm tất cả các giá đựng và các thiết bị lắp đặt thêm là 24.023 kg Phòng thí nghiệmgồm có ba phần hình trụ và hai đầu hình nón với các cửa có thể kết nối với các bộ phận kháctrên trạm Lớp vỏ của phòng thí nghiệm được gia cố thêm bởi một lớp khuôn dài Phía bênngoài được bao phủ bởi một lớp phủ bảo vệ khỏi các vật thể lạ được làm từ loại vật liệugiống như loại dùng làm áo vest chống đạn Ngoài ra còn có một lớp nhôm mỏng bọc lênphía trên lớp phủ để tăng khả năng bảo vệ

Năm 1989, Allied Signal mới phát triển 1 chất mới gọi là Spectra Ban đầu, Spectrađược dùng trong vải buồm, về sau mới được dùng để dùng trong áo chống đạn thay thế/kếthợp với Kevlar Kevlar khi mới phát minh được sử dụng cho công nghệ chế tạo lốp xe Đến

1971, Lester Shubin mới đề xuất nó dùng để làm áo chống đạn Cấu tạo gồm 1 panel chấtdẻo cao cấp hợp bởi nhiều lớp Kevlar hay Spectra, hoặc ở 1 số nước là Twaron (tương tựnhư Kevlar) hay Bynema (tương tự Spectra) Các lớp dệt Kevlar được may với nhau, sửdụng chỉ Kevlar còn Spectra không dệt mà là phủ và liên kết với nhựa rồi bịt kín panel nàygiữa 2 lớp màng polyethylene