Thử độ bền cho thùng nhiêu liệu hệ thống phóng SLS

Vào ngày 9/12 vừa qua, tại trung tâm không gian Marshall ở Hunstville, bang Alabama, các kỹ sư của NASA đã thực hiện một thí nghiệm độc đáo đó là tìm cách phá hủy một chiếc "lon" khổng lồ bằng 1 lực lên đến 1 triệu pound (hơn 450 tấn). Thí nghiệm phá hủy là một phần của dự án thiết kế thùng nhiên liệu cho Space Launch System (SLS) - hệ thống sẽ được sử dụng để phóng tàu vũ trụ Orion lên quỹ đạo và thực hiện các sứ mạng không gian sâu.

Những tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng ban đầu được trang bị các thùng chứa lớn đặt trong thân. Tuy nhiên, vào những năm 1950, các kỹ sư đã nhận ra rằng thùng nhiên liệu là một sự phí phạm không cần thiết về trọng lượng cũng như tính linh hoạt của tên lửa. Câu trả lời của họ là chuyển toàn bộ phần thân của tên lửa thành thùng nhiên liệu. Đến những năm 1960, ý tưởng thiết kế thân tên lửa kiêm thùng nhiên liệu tiếp tục được phát huy trong giai đoạn chạy đua không gian (Space Race) với kết quả là những khoang hình trụ bằng kim loại khổng lồ chứa nhiên liệu, tích hợp với cấu trúc tên lửa.

Phương pháp tiếp cận này giải quyết được rất nhiều vấn đề những cũng làm phát sinh nhiều vấn đề khác. Thân tên lửa không chỉ bao bọc trang thiết bị bên trong mà còn phải chịu áp suất, kiểm soát tác động v.v... Vì vậy, phần thân cần phải đảm bảo độ vững chắc để duy trì cấu trúc tên lửa.

Thử nghiệm của NASA có tên Shell Buckling Knockdown Factor Project được thực hiện tại phòng thí nghiệm kỹ thuật động lực học và cấu trúc thuộc trung tâm không gian Marshall. Đây là cũng là địa điểm thử nghiệm của tên lửa Saturn V, tàu con thoi Space Shuttle và các thành phần của trạm không gian quốc tế ISS. Chiếc thùng nhiên liệu được thử nghiệm là một thành phần chưa được dùng đến của tàu con thoi. Thùng có đường kính 8,3m, được chế tạo bằng hợp kim nhôm-lithium và NASA cho biết cấu trúc của nó tương tự các thùng nhiên liệu của SLS.

Mục đích của cuộc thử nghiệm là kiểm tải của thùng nhiên liệu trong quá trình phóng SLS. Thùng được áp suất hóa để mô phỏng các điều kiện bay và quan sát khả năng chịu đựng đối với áp suất bên trong, lực nén và lực uốn cong có thể gây vặn xoắn cấu trúc.

Mark Hilburger - kỹ sư nghiên cứu tại bộ phận cơ học và ý tưởng cấu trúc thuộc trung tâm nghiên cứu Langley của NASA tại Hampton, bang Virginia cho biết: "Khi thùng bị uốn cong, chúng tôi nghe thấy tiếng nổ bang bang, gần giống như tiếng sấm và có thể thấy những chỗ bịcong lớn trên chủ thể thử nghiệm".

Tỉ lệ uốn cong được đo đạt bằng một kỹ thuật có tên Digital Image Correlation. Chiếc thùng được sơn 70.000 điểm hình quả trám màu đen và trắng không theo quy tắc. Xung quanh thùng là 22 camera tốc độ cao liên tục giám sát các điểm sơn và ghi lại mọi vết cong, rách hoặc kéo căng bằng cách đo đạt mọi sư dịch chuyển của các điểm sơn trên một khu vực lớn của thùng.

Mục tiêu của bài thử nghiệm là tìm ra một phương pháp để giảm trọng lượng của SLS xuống 20%. Điều này sẽ cho phép hệ thống đẩy mang được tải trọng nặng hơn và sứ mạng có thể đi xa hơn vào không gian sâu.

"Ngoài việc cung cấp dữ liệu cho đội ngũ thiết kế Space Launch System, những thử nghiệm trên sẽ là bước chuẩn bị cho các thử nghiệm tỉ lệ lớn hơn. Việc thực hiện các bài thử nghiệm về cấu trúc trên phần cứng với kích thước tương đương phần cứng của SLS sẽ mang lại nhiều lợi ích to lớn cho sự phát triển của tên lưa trong tương lai", Matt Cash - lãnh đạo nhóm kỹ sư thử nghiệm dự án Shell Buckling tại Marshall cho biết.

Từ khóa liên quan:

Shell Buckling Knockdown Factor Project

hệ thống phóng SLS

thùng nhiên liệu hệ thống phóng SLS

tên lửa kiêm thùng nhiên liệu

kỹ thuật Digital Image Correlation

Mark Hilburger