Các nhà khoa học Nhật Bản đã phát triển một hệ thống thử nghiệm nhằm nghiên cứu phương pháp mới giúp tàu vũ trụ giảm nhiệt và tốc độ khi tái nhập khí quyển Trái Đất, sử dụng lực điện từ thay cho việc phụ thuộc hoàn toàn vào tấm chắn nhiệt.
Khi tàu vũ trụ trở lại khí quyển, phần không khí phía trước tàu bị nén và nóng lên dữ dội, chuyển thành một dạng plasma phát sáng và bị ion hóa yếu. Nhiệt lượng sinh ra trong quá trình này có thể khiến một phần vật liệu trên tàu bị phá hủy. Các hệ thống chắn nhiệt hiện nay được thiết kế để hấp thụ và tiêu tán lượng năng lượng khổng lồ đó.
Đây là một giải pháp hiệu quả nhưng có hạn chế. Tấm chắn nhiệt có thể cần được sửa chữa hoặc thay thế sau mỗi chuyến bay, kéo dài thời gian chuẩn bị cho lần phóng tiếp theo. Ngoài ra, hệ thống này làm tăng khối lượng tàu, đồng nghĩa với việc giảm phần khối lượng có thể dành cho hàng hóa.
Trong bối cảnh ngành hàng không vũ trụ ngày càng chú trọng tên lửa tái sử dụng và tối đa hóa tải trọng, các kỹ sư đang tìm kiếm những phương án khác để xử lý bài toán tái nhập khí quyển. Một trong những hướng được đánh giá nhiều triển vọng là phanh từ thủy động lực học (magnetohydrodynamic braking – MHD).
Nghiên cứu mới của các nhà khoa học tại Đại học Đô thị Tokyo, Nhật Bản, mô tả một hệ thống thử nghiệm được thiết kế để giúp các kỹ sư quan sát rõ hơn cách công nghệ MHD hoạt động trong những điều kiện mô phỏng quá trình tái nhập khí quyển.
Dùng từ trường để giảm nhiệt và tốc độ
Nguyên lý của hệ thống MHD dựa trên trạng thái plasma hình thành phía trước tàu khi phương tiện lao vào khí quyển với tốc độ rất cao.
Các nhà nghiên cứu sử dụng một từ trường được tạo ra bên trong tàu để tác động lên plasma. Thông qua một hiện tượng vật lý gọi là lực Lorentz, từ trường tạo ra một vùng tương tác điện từ giữa plasma và phương tiện.
Cơ chế này có thể mang lại hai tác dụng quan trọng. Thứ nhất, nó làm giảm lượng nhiệt tác động trực tiếp lên lớp bảo vệ nhiệt của tàu. Thứ hai, nó làm tăng lực cản khí động học, qua đó giúp tàu giảm tốc mà không cần phụ thuộc hoàn toàn vào ma sát khí quyển.
Về lý thuyết, đây là một phương pháp hấp dẫn đối với các phương tiện tái sử dụng. Tuy nhiên, việc kiểm chứng trong thực tế không đơn giản.
Một trong những hạn chế trước đây nằm ở loại nam châm được sử dụng để tạo từ trường. Nam châm neodymium vĩnh cửu phổ biến có cường độ từ trường tối đa khoảng 0,8 tesla. Mức này được cho là chưa đủ mạnh để tạo ra tác động đáng kể trong điều kiện phương tiện di chuyển với tốc độ cực cao khi tái nhập khí quyển. Ngoài ra, nam châm vĩnh cửu thường được chế tạo với hình dạng và cấu hình từ trường cố định, khiến chúng khó thích ứng với những hình dạng và cấu trúc khác nhau của tàu vũ trụ.
Hệ thống phóng xung điện công suất lớn
Để khắc phục hạn chế trên, nhóm nghiên cứu sử dụng một thiết bị gọi là mạng tạo xung điện (Pulse Forming Network – PFN), là một mạch điện gồm các tụ điện và cuộn cảm được bố trí xen kẽ. Hệ thống có thể tích trữ một lượng lớn năng lượng rồi giải phóng trong khoảng thời gian cực ngắn, tạo ra xung điện công suất rất cao.
Một ưu điểm của PFN là dù có thể cung cấp công suất lớn trong thời gian ngắn, hệ thống chỉ hoạt động trong một phần nhỏ của một giây nên không cần hệ thống làm mát riêng.
Các nhà nghiên cứu đã xây dựng một cơ sở thử nghiệm dạng ống giãn dài 8 m, được gọi là MX-6.0, để tạo ra các sóng xung kích tương tự những gì tàu vũ trụ phải chịu khi tái nhập khí quyển. Tốc độ của dòng khí trong thử nghiệm có thể đạt tới 7,7 km/giây.
Nhóm sau đó chế tạo hai mô-đun thử nghiệm có đường kính 20 mm, với đặc tính từ trường khác nhau, nhằm đánh giá khả năng hoạt động của từng thiết kế trong môi trường mô phỏng này.
Mô hình thứ nhất có dạng một khối trụ đầu tù với phần mũi được bo cong nhẹ. Thiết kế này tạo ra mật độ từ thông khoảng 1,24 tesla, cao hơn khoảng 50% so với mức tối đa của nam châm neodymium.
Mô hình thứ hai được phát triển dựa trên thiết kế của tàu vũ trụ MUSES-C, tiền thân của sứ mệnh Hayabusa thu thập mẫu vật tiểu hành tinh của Nhật Bản. Mô hình sử dụng một cuộn dây có kích thước tương tự để tạo ra từ trường 1,58 tesla.
Tín hiệu từ trường kéo dài hơn thời gian thử nghiệm
Khi được đưa vào buồng thử nghiệm, PFN đã đồng bộ thành công với các xung sóng xung kích đi vào và tạo ra một từ trường ổn định trong khoảng 110–148 microgiây. Khoảng thời gian này chỉ tương đương vài phần triệu giây, nhưng vẫn dài hơn gấp đôi thời gian thử nghiệm hiệu quả của hệ thống.
Các camera tốc độ cao được bố trí quanh thiết bị đã ghi nhận những thay đổi đáng chú ý trong hoạt động của hai mô hình.
Ở mô hình thứ nhất, vùng phát sáng do sóng xung kích tạo ra tăng khoảng 15,7%. Trong khi đó, độ dày vùng phát sáng của mô hình thứ hai tăng 16,2%.
Theo các nhà nghiên cứu, những thay đổi này có liên quan trực tiếp đến khả năng tạo ra vùng tương tác giữa plasma và từ trường, từ đó ảnh hưởng đến lực cản khí động học mà hệ thống MHD có thể tạo ra.
Kết quả cho thấy phương pháp tạo từ trường bằng xung điện có thể là một hướng đáng nghiên cứu cho các hệ thống phanh MHD trong tương lai.
Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu nhấn mạnh rằng hệ thống thử nghiệm này chưa được thiết kế để lắp trực tiếp lên một tàu vũ trụ kích thước đầy đủ. Mục tiêu của thiết bị là phục vụ các thử nghiệm trong môi trường đường hầm khí động học.
Việc hệ thống hoạt động thành công trong thử nghiệm quy mô nhỏ có thể mở đường cho những nghiên cứu tiếp theo về phanh MHD. Nếu công nghệ được chứng minh đủ hiệu quả ở quy mô lớn hơn, nó có thể trở thành một phương án bổ sung cho các hệ thống chắn nhiệt truyền thống, đặc biệt đối với những phương tiện vũ trụ cần tái sử dụng nhiều lần.
Trong dài hạn, khả năng sử dụng từ trường để vừa giảm nhiệt vừa tăng lực cản khí động học có thể giúp giảm yêu cầu đối với tấm chắn nhiệt, qua đó hạn chế khối lượng “chết” của tàu và dành thêm tải trọng cho thiết bị hoặc hàng hóa.
Dù còn cách xa việc ứng dụng trên tàu vũ trụ thực tế, hệ thống MX-6.0 cung cấp cho các kỹ sư một công cụ mới để kiểm tra công nghệ phanh MHD trong điều kiện mô phỏng tốc độ tái nhập khí quyển.
Hình minh họa nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh từ thủy động lực học (MHD) khi tàu vũ trụ tái nhập khí quyển. Ảnh: Universe Today
