Gạch gốm chịu nhiệt của tàu con thoi là những viên xốp làm từ sợi silica siêu tinh khiết, phần lớn thể tích là không khí, nên dẫn nhiệt cực kỳ chậm. Mặt ngoài có thể nóng khoảng 1.260 °C khi tàu trở lại khí quyển, trong khi lớp vỏ nhôm bên dưới chỉ cách vài centimet vẫn phải giữ dưới khoảng 175 °C. Mỗi tàu con thoi mang hơn 24.000 viên như thế, viên nào cũng có hình dạng riêng.
Bài toán: một chiếc máy bay phải xuyên qua lửa rồi bay lại
Khi một vật từ quỹ đạo lao về Trái Đất với tốc độ khoảng 7–8 km/s, không khí phía trước bị nén mạnh đến mức nóng rực. Phần lớn năng lượng chuyển động của con tàu phải được thải đi dưới dạng nhiệt. Bài toán là để nhiệt ấy ở bên ngoài.
Các khoang tàu thời Apollo giải bằng tấm chắn nhiệt ablative: một lớp nhựa composite cháy sém và bong dần, mang nhiệt đi theo. Cách này hiệu quả, nhưng tấm chắn chỉ dùng được một lần. Tàu con thoi, ra đời với mục tiêu tái sử dụng, cần một lớp vỏ quay về nguyên vẹn để bay chuyến sau. Lời giải là một vật liệu không cháy, không bong, chỉ đơn giản là truyền nhiệt chậm đến mức nhiệt không kịp xuyên qua trong vài chục phút nóng nhất.
Viên gạch nhẹ như xốp mà làm từ thuỷ tinh
Loại gạch phổ biến nhất trên tàu con thoi có mã LI-900. Con số 900 lấy từ khối lượng riêng 9 pound mỗi foot khối, tức khoảng 144 kg/m³, nhẹ hơn nước gần bảy lần. Viên gạch được làm từ sợi silica có độ tinh khiết rất cao, ép thành khối rồi nung kết, để lại một mạng sợi rỗng mà phần lớn thể tích, khoảng trên 90%, là không khí.
Ba đặc điểm giúp nó chịu nhiệt:
- Silica tinh khiết chịu nóng tốt và giãn nở rất ít khi nóng, nên không nứt vỡ khi nhiệt độ thay đổi đột ngột.
- Khung sợi mảnh, đầy khí làm nhiệt dẫn cực chậm, theo cùng ý tưởng với bông thuỷ tinh cách nhiệt nhưng ở mức tinh khiết và chính xác hơn nhiều.
- Lớp phủ thuỷ tinh đen ở mặt ngoài có độ phát xạ cao, nghĩa là nó toả nhiệt ra không gian rất tốt dưới dạng bức xạ. Mặt gạch nóng lên, nhưng cũng tự "phát sáng" thải nhiệt ra ngoài thay vì đẩy vào trong.
Bức ảnh cầm viên gạch đỏ rực bằng tay
Có một bức ảnh và đoạn phim nổi tiếng: người ta lấy viên gạch ra từ lò nung, tâm còn đỏ rực, rồi cầm vào cạnh viên gạch chỉ vài giây sau mà không bị bỏng. Điều này nghe như phép thuật nhưng giải thích được. Viên gạch nhẹ nên chứa rất ít nhiệt tổng cộng, và dẫn nhiệt quá chậm nên nhiệt ở lõi không chảy ra tay kịp. Cạnh và mặt ngoài nguội rất nhanh bằng bức xạ, trong khi lõi vẫn nóng. Đây là phép thử trình diễn trong phòng thí nghiệm của các kỹ sư, không ai nên bắt chước với vật liệu khác.
Bộ áo nhiều mảnh: không phải chỗ nào cũng là gạch đen
Nhiệt độ trên vỏ tàu con thoi rất không đều. Mũi tàu và mép trước cánh hứng nóng nhất, mặt trên thân thì dịu hơn nhiều. Vì vậy hệ thống bảo vệ nhiệt gồm nhiều loại vật liệu:
| Vật liệu | Vị trí | Mức nhiệt tối đa (khoảng) |
|---|---|---|
| Carbon – carbon gia cường (RCC) | Mũi tàu, mép trước cánh | Trên 1.260 °C, chịu được khoảng 1.650 °C |
| Gạch nhiệt độ cao (HRSI), phủ đen | Bụng tàu, các vùng nóng | Khoảng 1.260 °C |
| Gạch nhiệt độ thấp (LRSI), phủ trắng | Hai bên thân, một số phần mặt trên | Khoảng 650 °C |
| Chăn sợi cách nhiệt và tấm nỉ | Mặt trên khoang chở hàng, cửa khoang | Vài trăm độ C |
Lớp phủ trắng của gạch nhiệt thấp có lý do riêng: khi tàu ở trên quỹ đạo, nó phản xạ ánh nắng Mặt Trời, giúp tàu không bị nóng quá trong lúc làm việc ngoài không gian.
Vì sao viên nào cũng khác nhau
Vỏ tàu cong theo nhiều hướng, nên mỗi viên gạch được cắt theo đúng vị trí của nó và mang một số hiệu riêng. Gạch không được dán thẳng lên vỏ nhôm. Nhôm co giãn theo nhiệt nhiều hơn silica rất nhiều, dán thẳng thì gạch sẽ nứt. Người ta đặt giữa chúng một tấm đệm nỉ sợi tổng hợp để hấp thụ chênh lệch co giãn, rồi dùng keo silicone gắn từng lớp. Khe giữa các viên được tính toán để không đóng kín khi nóng và không quá hở khi lạnh, có chỗ phải chèn thêm vật liệu lấp khe.
Những rắc rối không ai quảng cáo
Gạch LI-900 chịu nóng giỏi nhưng có nhiều điểm yếu mà đội kỹ thuật mặt đất phải chăm hằng ngày:
- Giòn và mềm. Một cú chạm móng tay có thể để lại vết lõm trên mặt gạch. Va chạm từ mảnh vụn khi phóng là mối lo thường trực.
- Hút nước như bọt biển. Gạch xốp nên có thể ngấm nước mưa, làm tàu nặng thêm và nước có thể đóng băng trong không gian. Sau mỗi chuyến bay, gạch phải được xử lý chống thấm lại.
- Bảo dưỡng tốn thời gian. Kiểm tra, thay thế, dán lại hàng trăm viên sau mỗi chuyến là công việc thủ công kéo dài nhiều tuần. Đây là một trong những lý do chi phí vận hành tàu con thoi cao hơn nhiều so với dự tính ban đầu.
Ngay chuyến bay đầu tiên của tàu Columbia tháng 4 năm 1981, một số viên gạch ở khu vực động cơ điều hướng phía sau đã bong ra. May là chúng nằm ở vùng không quá nóng.
Columbia 2003: bài học về mép cánh
Ngày 1 tháng 2 năm 2003, tàu Columbia vỡ tan khi trở lại khí quyển, bảy phi hành gia thiệt mạng. Ủy ban điều tra xác định nguyên nhân: lúc phóng, một mảng xốp cách nhiệt bong khỏi thùng nhiên liệu ngoài và đập vào mép trước cánh trái, làm thủng một tấm carbon – carbon gia cường. Khi trở về, khí nóng lọt qua lỗ thủng vào bên trong cấu trúc cánh nhôm.
Đáng chú ý là chỗ hỏng không phải gạch gốm đen mà là tấm RCC ở mép cánh. Mảng xốp nhẹ, nhưng va chạm ở vận tốc rất cao vẫn đủ phá vật liệu. Sau thảm hoạ, NASA bổ sung quy trình chụp ảnh, kiểm tra toàn bộ lớp bảo vệ nhiệt trên quỹ đạo bằng cần nối dài có cảm biến, và chuẩn bị phương án sửa chữa khi cần. Báo cáo của Ủy ban Điều tra Tai nạn Columbia (CAIB) cũng chỉ ra vấn đề văn hoá tổ chức: các vụ bong xốp từng xảy ra nhiều lần trước đó mà không gây hậu quả, nên dần bị coi là "bình thường".
Sau tàu con thoi: ablative quay lại, gạch gốm chưa biến mất
Chương trình tàu con thoi kết thúc năm 2011. Khoang Orion của NASA quay về dùng tấm chắn ablative, vì phải chịu tốc độ trở về cao hơn khi bay từ Mặt Trăng. Trong khi đó, một số tàu thế hệ mới thử nghiệm lại ý tưởng gạch gốm tái sử dụng với hình dạng và vật liệu được cải tiến, như các viên gạch lục giác trên tàu Starship của SpaceX. Hai trường phái vẫn cùng tồn tại vì mỗi bên có điểm mạnh riêng.
| Tiêu chí | Tấm chắn ablative | Gạch gốm tái sử dụng |
|---|---|---|
| Cơ chế | Cháy sém, bong dần, mang nhiệt đi | Dẫn nhiệt chậm, bức xạ nhiệt ra ngoài |
| Tái sử dụng | Không, hoặc rất hạn chế | Có, cần kiểm tra và sửa sau mỗi chuyến |
| Chịu tốc độ trở về cao | Rất tốt | Hạn chế hơn |
| Ví dụ | Apollo, Orion | Tàu con thoi, Buran, Starship |
Góc nhìn hôm nay: đến xem tận mắt và điều nên nhớ
Ba tàu con thoi còn lại đang được trưng bày: Discovery tại Trung tâm Steven F. Udvar-Hazy của Viện Smithsonian gần Washington, Atlantis tại Khu khách tham quan Trung tâm Vũ trụ Kennedy ở Florida, và Endeavour tại Trung tâm Khoa học California ở Los Angeles. Đứng dưới bụng tàu, bạn thấy rõ từng viên gạch đen với vệt cháy sém, mép gạch không đều màu, và những dãy số hiệu.
Bài học vật liệu đáng mang về: chịu nóng không có nghĩa là phải nặng và đặc. Đôi khi giải pháp tốt nhất là gần như không có gì, một khung rỗng giữ không khí lại và để nhiệt phải đi đường vòng thật dài. Còn bài học kỹ thuật: một vật liệu giỏi ở một việc luôn yếu ở việc khác. Gạch chịu được 1.260 °C nhưng sợ một cú chạm móng tay, và một hệ thống an toàn chỉ mạnh bằng mắt xích yếu nhất của nó.
Câu hỏi thường gặp
Gạch tàu con thoi làm bằng gì?
Phần lớn gạch làm từ sợi silica siêu tinh khiết, ép và nung kết thành khối xốp có trên 90% thể tích là không khí. Gạch vùng nóng được phủ một lớp thuỷ tinh đen để toả nhiệt tốt, gạch vùng mát phủ lớp trắng.
Gạch tàu con thoi chịu được bao nhiêu độ?
Gạch nhiệt độ cao ở bụng tàu chịu được khoảng 1.260 °C, gạch trắng ở vùng mát chịu khoảng 650 °C. Mũi tàu và mép trước cánh dùng carbon – carbon gia cường, chịu được khoảng 1.650 °C.
Tàu con thoi có bao nhiêu viên gạch chịu nhiệt?
Mỗi tàu con thoi mang hơn 24.000 viên gạch, hầu hết có hình dạng riêng và số hiệu riêng theo vị trí. Ngoài gạch còn có chăn cách nhiệt và các tấm carbon ở vùng nóng nhất.
Vì sao cầm được viên gạch vừa lấy ra khỏi lò?
Viên gạch rất nhẹ nên chứa ít nhiệt, và dẫn nhiệt cực chậm nên nhiệt ở lõi không kịp truyền ra tay. Mặt ngoài và cạnh nguội rất nhanh bằng bức xạ. Đây là trình diễn của kỹ sư với đúng loại vật liệu này, không nên bắt chước.
Tàu Columbia gặp nạn vì gạch chịu nhiệt bị hỏng phải không?
Không hẳn. Năm 2003, một mảng xốp từ thùng nhiên liệu đập thủng tấm carbon – carbon gia cường ở mép trước cánh trái lúc phóng. Khi trở về, khí nóng lọt vào bên trong cánh qua lỗ thủng đó.
Có thể xem tàu con thoi thật ở đâu?
Discovery ở Trung tâm Udvar-Hazy của Smithsonian gần Washington, Atlantis ở Trung tâm Vũ trụ Kennedy, Florida, và Endeavour ở Trung tâm Khoa học California, Los Angeles. Cả ba đều cho thấy rõ lớp gạch chịu nhiệt.
