Ngày nay, trong thời đại 4.0, khi nghiên cứu phát triển sản phẩm mới, người ta nói nhiều đến công nghệ mô phỏng trên máy tính (numerical simulation, tính toán thiết kế có máy tính trợ giúp-computer-aided engineering-CAE), tuy nhiên…
Cách đây khoảng 10 năm có một nhóm bạn trẻ Việt Nam của Trường Đại học FPT đã đưa được vệ tinh CubeSat (vệ tinh pico 10x10x10 cm, nặng 1 kg- hình 1, hình 2) thả từ trạm vũ trụ quốc tế, bay vào quỹ đạo quanh Trái Đất, tuy nhiên không nhận được tín hiệu phát từ vệ tinh về mặt đất. Và dự án nhiều tỷ VND tan thành mây khói. Rất nhiều giả thuyết đặt ra để giải thích tại sao thiết bị liên lạc vô tuyến lại bị “tắt ngóm”. Tuy nhiên có một giả thuyết có vẻ thuyết phục hơn cả là nhiệt độ trên vệ tinh của nhóm bạn trẻ này chưa khẳng định được là có bình thường hay không, hay quá nóng hoặc quá lạnh? Tuy chưa thành công nhưng vệ tinh F-1 đã cho ta những bài học quý báu. Trong đó có bài học sau đây.
Như ta đều biết, các thiết bị vô tuyến – điên tử thường chỉ hoạt động được bình thường trong phạm vi nhiệt độ vào khoảng -15°C đến +50°C, trong khi đó bức xạ Mặt Trời trên cao rất mạnh (mật độ không khí = 0) lên tới hơn 1,3 kW/m2 có thể làm nóng phía bị chiếu sáng lên hàng mấy trăm °C (hãy tưởng tượng: mỗi m2 có đèn hơn 1300 W chiếu vào). Mặt khác, phía tối (bên không được Mặt Trời chiếu sáng) thì lại bị lạnh âm hàng trăm °C. Dù là vệ tinh rất nhỏ, mục đích chỉ là để học tập, cũng cần tính toán thiết kế kỹ càng và tiến hành thử nghiệm nghiêm túc. Theo tôi được biết, nhóm tác giả F-1 đã mô phỏng trường nhiệt độ bên trong vệ tinh bằng phần mềm ANSYS (các hình ảnh 3D xanh xanh đỏ đỏ rất đẹp), tuy nhiên chỉ thử nghiệm nhiệt rất sơ sài (dùng đèn công suất lớn chiếu vào F-1) và chắc chắn chưa thử trong buồng nhiệt-chân không. Ngày nay, trong thời đại 4.0, khi nghiên cứu phát triển sản phẩm mới, người ta nói nhiều đến công nghệ mô phỏng trên máy tính (numerical simulation, tính toán thiết kế có máy tính trợ giúp-computer-aided engineering-CAE), đang tiến dần đến chỗ có thể thay thế gần hết các công đoạn thử nghiệm trên mô hình vật lý và thử nghiệm tự nhiên (thử nghiệm hiện trường). Tuy mô phỏng bằng phần mềm ANSYS hiện đại (thử nghiệm số-numerical experiment, khá gần thực tế) cho phép giảm thiểu thử nghiệm bằng mô hình vật lý, tiết kiệm nhiều tiền của, thời gian và công sức, nhưng vẫn cần các thử nghiệm vật lý trong điều kiện rất gần với điều kiện thực tế. Trong các thử nghiệm này, khi nghiên cứu phát triển sản phẩm vũ trụ, có một bước thử nghiệm rất quan trọng là thử nghiệm chu kỳ nhiêt-chân không (thermal vacuum cicling test). Phần lớn các khiếm khuyết trong quá trình thiết kế và chế tạo được phát hiện trong thử nghiệm này.
Mặc dù nhóm tác giả F-1 đã thử nghiệm tổng hợp thành công bằng cách treo lên quả khinh khí cầu (như bóng khí tượng) và thả bay lên độ cao khoảng 20 km (mật độ không khí rất loãng, nhiệt độ khoảng -60°C, bức xạ Mặt Trời và bức xạ vũ trụ gần giống như trên quỹ đạo).
Như đã biết, vệ tinh trên quỹ đạo quanh Trái Đất bay một vòng mất khoảng 90 phút trong đó khoảng một nửa quỹ đạo là bị Mặt Trời chiếu sáng chói chang, phần còn lại thì đi vào vùng khuất của Trái Đất, nhiệt độ xuống rất thấp. Ngay khi ở nửa quỹ đạo sáng thì bản thân vệ tinh có 2 mặt đối lập: một bên rất nóng và bên kia thì rất lạnh. Rõ ràng, chế độ nhiệt trên độ cao 20 km vẫn chưa giống như trên quỹ đạo.
Trong buồng thử nghiệm chu kỳ nhiêt-chân không cần tái tạo gần đúng các yếu tố về nhiệt gần như trên quỹ đạo: chân không (bảo đảm hút khí chỉ còn vài chục mmHg, mô phỏng điều kiện truyền nhiệt, chỉ còn truyền nhiệt bằng bức xạ), bức xạ Mặt Trời theo chu kỳ (đèn chiếu, không chỉ đảm bảo cường độ bức xạ mà còn đảm bảo phổ của bức xạ vì các dải ánh sáng với bước sóng khác nhau tác động nhiệt khác nhau lên các loại vật liệu), khó nhất là mô phỏng bức xạ của môi trường vũ trụ trong buồng thử. Dưới góc độ nhiệt thì môi trường vũ trụ gần Trái Đất coi như không có nguồn bức xạ nào ngoài Măt Trời và Trái Đất (bức xạ Mặt Trăng và các vì sao không đáng kể), nghĩa là cần mô phỏng vỏ buồng thử nghiệm trên hầu hết diện tích là ở nhiệt độ O tuyệt đối (-273°C), khác với không gian bình thường xung quanh ta bao giờ cũng có bức xạ nhiệt (vì nhiệt độ thường > 0°C, lớn hơn nhiều nhiệt độ không tuyệt đối). Theo định luật Stefan–Boltzmann cường độ bức xạ tỷ lệ với T4, trong đó T là nhiệt độ K của vật, như vậy nếu muốn mô phỏng bức xạ nhiệt của không gian vũ trụ cần có nhiệt độ lạnh bằng độ 0 tuyệt đối trên hầu hết diện tích bên trong vỏ buồng thử nghiệm, trừ đèn mô phỏng bức xạ Mặt Trời (và thiết bị mô phỏng phản xạ – albedo + bức xạ của Trái Đất, nếu có thể). Rất may là cường độ bức xạ tỷ lệ với nhiệt độ K mũ 4, bức xạ nhiệt sẽ giảm đi 81 lần nếu ta giảm được nhiệt độ từ 300 K (gần 30°C) xuống còn 100 K (-173°C). Vì vậy để mô phỏng bức xạ của môi trường vũ trụ người ta thường sử dụng ni-tơ lỏng (liquid nitrogen ) có nhiệt độ -196°C (-77 K) cho vào giữa hai lớp vỏ của buồng thử (giảm cường độ bức xạ hơn 200 lần so với bức xạ ở nhiệt độ bình thường). Rõ ràng là nhóm tác giả F-1, tuy đã cố gắng nhiều nhưng vẫn còn khá xa môi trường nhiệt trên quỹ đạo. Đây chưa chắc đã là nguyên nhân duy nhất làm mất liên lạc với vệ tinh F-1 nhưng xác suất thiết bị vô tuyến-điện tử của F-1 bị hỏng do nhiệt độ quá nóng / quá lạnh là rất lớn.
Khi thử nhiệt-chân không theo chu kỳ 90 phút trong buồng thử này, không những xác định được khả năng hoạt động của các thiết bị vô tuyến-điện tử và các thiết bị khác trong môi trường nhiệt khắc nghiệt mà còn thử luôn cả độ bền nhiệt của các kết cấu cơ khí khi bị co giãn do nhiệt độ nóng lạnh rất khác nhau.
Tóm lại: môi trường vũ trụ gần Trái Đất vừa rất nóng lại vừa rất lạnh, khi chế tạo vệ tinh ngoài việc tính toán và mô phỏng trên máy tính nhất thiết phải thử trong các điều kiện nhiệt gần giống khi bay trong vũ trụ.
Tài liệu tham khảo
- https://en.wikipedia.org/wiki/F-1_(satellite)
- Trần Mạnh Tuấn, Nguyễn Đức Cương và nnk. Công nghệ vệ tinh, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2007.
- https://www.nasa.gov/msd
GS. TSKH Nguyễn Đức Cương, Phó Chủ tịch VASA
(biên soạn)
