Tàu con thoi (Space Shuttle) của NASA được thiết kế với hệ thống bảo vệ nhiệt (Thermal Protection System - TPS) để chịu được nhiệt độ cực cao, lên đến hàng ngàn độ C, khi tái nhập khí quyển Trái Đất. Nhiệt độ này có thể đạt khoảng 1.650°C đến 3.000°C ở một số khu vực do ma sát với khí quyển. Tuy nhiên, phi hành đoàn bên trong vẫn an toàn nhờ các vật liệu đặc biệt và thiết kế cách nhiệt thông minh. Dưới đây là các vật liệu chính được sử dụng và cơ chế hoạt động:
1. Vật liệu chính trong hệ thống bảo vệ nhiệt (TPS)
Hệ thống TPS của tàu con thoi bao gồm nhiều loại vật liệu khác nhau, được sử dụng tùy thuộc vào khu vực và mức độ tiếp xúc với nhiệt độ:
- Gạch cách nhiệt silica (Reinforced Carbon-Carbon - RCC):
- Vị trí: Mũi tàu, mép cánh trước (leading edges) – những khu vực chịu nhiệt cao nhất (lên đến 1.650°C hoặc hơn).
- Thành phần: Gạch silica siêu nhẹ, làm từ sợi silica tinh khiết với độ tinh khiết 99,9%, phủ một lớp carbon gia cố để tăng độ bền và chịu nhiệt.
- Đặc điểm:
- Trọng lượng nhẹ (khoảng 1,4 g/cm³), giúp giảm tải trọng tàu.
- Chịu được nhiệt độ cực cao mà không bị nóng chảy.
- Cách nhiệt hiệu quả, giữ nhiệt độ bên trong tàu ở mức an toàn (dưới 150°C).
- Cơ chế: Gạch silica có cấu trúc xốp, chứa tới 90% không khí, giúp cách nhiệt cực tốt. Nhiệt độ bên ngoài có thể lên đến 1.650°C, nhưng mặt trong của gạch chỉ khoảng 120°C.
- Gạch ceramic cách nhiệt (High-Temperature Reusable Surface Insulation - HRSI):
- Vị trí: Phần bụng tàu, khu vực chịu nhiệt từ 650°C đến 1.260°C.
- Thành phần: Gạch ceramic làm từ sợi silica, phủ lớp men borosilicate để chống thấm và tăng khả năng chịu nhiệt.
- Đặc điểm:
- Gồm khoảng 24.000 gạch riêng lẻ, mỗi gạch được thiết kế riêng để phù hợp với hình dạng tàu.
- Khả năng chịu nhiệt cao, dẫn nhiệt thấp, bảo vệ cấu trúc bên trong.
- Cơ chế: Gạch ceramic phản xạ nhiệt và phân tán năng lượng nhiệt, ngăn nhiệt truyền vào khung tàu.
- Vật liệu cách nhiệt tái sử dụng nhiệt độ thấp (Low-Temperature Reusable Surface Insulation - LRSI):
- Vị trí: Các khu vực ít chịu nhiệt hơn (dưới 650°C), như phần thân trên.
- Thành phần: Tương tự HRSI nhưng mật độ thấp hơn, phù hợp với nhiệt độ thấp hơn.
- Cơ chế: Tương tự gạch HRSI, nhưng tối ưu cho các khu vực ít nóng hơn.
- Nỉ cách nhiệt tái sử dụng (Felt Reusable Surface Insulation - FRSI):
- Vị trí: Các khu vực chịu nhiệt rất thấp (dưới 400°C), như khoang chở hàng.
- Thành phần: Vải nỉ Nomex phủ lớp polymer cách nhiệt.
- Đặc điểm: Nhẹ, linh hoạt, dễ lắp đặt, phù hợp cho các khu vực không tiếp xúc trực tiếp với nhiệt độ cao.
- Hợp kim nhôm và thép:
- Vị trí: Khung chính của tàu (bên dưới lớp TPS).
- Thành phần: Hợp kim nhôm (như 2024-T6) và thép hợp kim cao cấp.
- Vai trò: Cung cấp cấu trúc chịu lực chính của tàu. Những vật liệu này không trực tiếp chịu nhiệt mà được bảo vệ bởi TPS.
2. Cơ chế bảo vệ phi hành đoàn
- Cách nhiệt hiệu quả:
- Hệ thống TPS hoạt động như một lá chắn, ngăn nhiệt độ cực cao từ ma sát khí quyển truyền vào bên trong tàu. Gạch silica và ceramic có độ dẫn nhiệt rất thấp, đảm bảo nhiệt độ bên trong khung tàu chỉ khoảng 120-150°C, trong khi bên ngoài có thể lên đến 1.650°C.
- Phi hành đoàn ngồi trong khoang áp suất (pressure cabin), được bao bọc bởi khung hợp kim nhôm và các lớp cách nhiệt bổ sung. Nhiệt độ trong khoang được duy trì ở mức thoải mái (khoảng 20-25°C) nhờ hệ thống kiểm soát nhiệt độ.
- Hệ thống làm mát chủ động:
- Tàu con thoi sử dụng hệ thống kiểm soát nhiệt (Thermal Control System), bao gồm các ống dẫn chất lỏng làm mát (như amoniac) để hấp thụ và phân tán nhiệt dư thừa.
- Quạt và hệ thống điều hòa không khí bên trong khoang đảm bảo môi trường sống ổn định cho phi hành đoàn.
- Thiết kế khí động học:
- Hình dạng của tàu con thoi được tối ưu để giảm ma sát và phân tán nhiệt khi tái nhập khí quyển. Góc tái nhập (angle of attack) được kiểm soát chính xác để đảm bảo nhiệt độ không vượt quá khả năng chịu đựng của TPS.
3. Tại sao phi hành đoàn không bị ảnh hưởng?
- Lớp cách nhiệt TPS: Ngăn gần như toàn bộ nhiệt lượng từ ma sát khí quyển truyền vào bên trong. Nhiệt độ bên ngoài có thể hàng ngàn độ C, nhưng bên trong khung tàu chỉ tăng nhẹ, không ảnh hưởng đến phi hành đoàn.
- Cấu trúc nhiều lớp: TPS, khung hợp kim nhôm, và khoang áp suất tạo thành nhiều lớp bảo vệ, đảm bảo cách ly hoàn toàn phi hành đoàn khỏi môi trường khắc nghiệt.
- Kiểm tra nghiêm ngặt: Mỗi gạch cách nhiệt được kiểm tra kỹ lưỡng trước và sau mỗi chuyến bay để đảm bảo không có hư hỏng. Vụ tai nạn tàu Columbia năm 2003 là một ví dụ khi TPS bị hư hại, dẫn đến nhiệt độ xâm nhập và phá hủy tàu.
4. So sánh với nhiệt độ "hàng ngàn độ C"
Nhiệt độ tái nhập khí quyển tối đa thực tế là khoảng 1.650°C đến 3.000°C ở các khu vực nóng nhất. Các vật liệu như gạch silica và RCC được thiết kế để chịu được mức nhiệt này mà không cần đến khả năng chịu nhiệt độ cao hơn.
Tàu con thoi sử dụng gạch cách nhiệt silica, gạch ceramic, và vật liệu composite carbon trong hệ thống bảo vệ nhiệt (TPS) để chịu được nhiệt độ lên đến 1.650°C hoặc hơn khi tái nhập khí quyển. Những vật liệu này có khả năng cách nhiệt vượt trội, kết hợp với thiết kế khí động học và hệ thống làm mát chủ động, đảm bảo phi hành đoàn bên trong khoang áp suất an toàn, với nhiệt độ duy trì ở mức bình thường. Khung tàu làm từ hợp kim nhôm và thép hợp kim cũng được bảo vệ hiệu quả bởi TPS, ngăn ngừa bất kỳ nguy cơ nóng chảy nào.