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

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 nhiệt độ lên
3
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
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
5
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:
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.
7
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.
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:
8
• 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
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
.
9
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
Ngày 4/10/1957, lịch sử thế giới đánh dấu một cột mốc mới bằng việc Liên Xô phóng
vệ tinh đầu tiên lên vũ trụ. Sự kiện này mở màn cuộc chạy đua vào không gian giữa hai 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 thu
năm 1957, chuẩn bị cho sự kiện trọng đại đưa nó lên vũ trụ. Tên lửa đẩy được lựa chọn là loại
R-7, cải biến từ hỏa tiễn hạt nhân của Liên Xô khi đó. Vệ tinh nhân tạo đầu tiên của loài
người có trọng lượng 83,6 kg. Sputnik 1 bay một vòng quanh trái đất theo quỹ đạo hình elip
mất 96 phút. Sputnik 1 là một quả cầu nhôm có đường kính 58 cm, bên trong chứa đầy
Nitrogen và bay cách trái đất 900 km.
10
Sự kiện phóng vệ tinh này của Liên Xô đã khiến người Mỹ sửng sốt và lập tức cho ra
đời 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
11