Phóng một kính thiên văn không gian là một nhiệm vụ trị giá hàng tỷ USD mà các kỹ sư hàng không vũ trụ không muốn mạo hiểm. Thay vào đó, trước tiên họ chế tạo một bản sao giống với phần cứng bay (flight hardware) thực tế và đưa nó qua một loạt thử nghiệm nghiêm ngặt, trong đó bản sao phải chịu tác động của âm thanh cường độ cực lớn, rung động mạnh và các chu kỳ nhiệt mô phỏng điều kiện trong quá trình phóng.

Quá trình thử nghiệm mô hình kết cấu tàu vũ trụ giúp xác định các điểm tập trung ứng suất và những dạng hư hỏng có thể xảy ra, từ đó giúp các kỹ sư có cơ sở chắc chắn hơn để tin rằng kính thiên văn thực tế có thể chịu được các điều kiện khắc nghiệt khi được phóng vào không gian.

Mô hình kết cấu là gì?
Mô hình kết cấu là một bản sao kích thước thực tế của phần cứng bay, được chế tạo riêng cho các thử nghiệm mà nếu tiến hành trực tiếp trên thiết bị vận hành thực tế có thể khiến thiết bị bị hư hỏng hoặc phá hủy. Các kỹ sư sử dụng bản sao này để xác minh tính toàn vẹn của thiết kế trước khi sản xuất tàu vũ trụ hoàn chỉnh, bảo đảm tái tạo chính xác các kết cấu chịu tải, phân bố khối lượng và các giao diện cơ khí thông qua quá trình thử nghiệm mô hình kết cấu tàu vũ trụ.

Sứ mệnh Ariel là một ví dụ điển hình về cách các mô hình này hỗ trợ quá trình phát triển kính thiên văn không gian hiện đại. Hơn 50 viện nghiên cứu thuộc 16 quốc gia thành viên Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) đang hợp tác cùng NASA, Cơ quan Thám hiểm Hàng không Vũ trụ Nhật Bản (JAXA) và Cơ quan Vũ trụ Canada (CSA) để phát triển đài quan sát ngoại hành tinh này. Những mối quan hệ hợp tác đó cung cấp chuyên môn cần thiết để chế tạo cả bản sao thử nghiệm của tàu vũ trụ lẫn phần cứng bay thực tế mà quá trình thử nghiệm này bảo vệ.

Trong suốt quá trình phát triển, các kỹ sư phân biệt ba phiên bản phần cứng quan trọng. Mô hình kết cấu được đưa qua các thử nghiệm có tính phá hủy nhằm xác định các điểm hư hỏng và xác nhận độ chính xác của các mô hình tính toán. Sau khi phân tích dữ liệu thu được, họ lắp ráp một mô hình kỹ thuật bao gồm toàn bộ thiết bị điện tử và các hệ thống con vận hành không có trên mô hình kết cấu, qua đó xác nhận rằng các hệ thống tích hợp hoạt động chính xác trong điều kiện mô phỏng trước khi mô hình bay chính thức bước vào giai đoạn sản xuất.

Tái tạo những điều kiện khắc nghiệt của một vụ phóng tên lửa
Các phòng thử nghiệm trên mặt đất tái tạo những tác động cơ học cực kỳ khắc nghiệt của quá trình phóng mà không cần rời khỏi khí quyển Trái Đất. Các kỹ sư đặt mô hình kết cấu trong những điều kiện tương đương hoặc khắc nghiệt hơn so với những gì tàu vũ trụ sẽ trải qua trong quá trình bay lên.

Nhờ đó, các nhóm kỹ thuật có thể đo lường phản ứng của phần cứng và xác nhận các tính toán trước khi kính thiên văn thực tế được chế tạo.

Phân tích âm thanh cường độ cao và rung động
Quá trình phóng tạo ra mức âm thanh rất lớn bên trong khoang bảo vệ tải trọng của tên lửa, với cường độ có thể đạt từ 162 đến 170 decibel hoặc cao hơn. Điều này tạo ra các sóng áp suất đủ mạnh để làm hư hỏng những bộ phận nhạy cảm. Các phương pháp thử nghiệm rung động hàng không vũ trụ tái tạo những điều kiện này bằng các buồng thử chuyên dụng được trang bị hệ thống loa công suất cực lớn hoặc các bàn rung, khiến phần cứng phải chịu toàn bộ dải lực mà nó có thể gặp trong thực tế.

Các bộ phận có kích thước lớn nhưng trọng lượng nhẹ đặc biệt dễ bị ảnh hưởng trong giai đoạn này. Các gương phản xạ và tấm pin Mặt Trời có thể rung dữ dội khi sóng âm tác động đúng vào tần số cộng hưởng của chúng, tương tự hiện tượng một chiếc ly thủy tinh có thể vỡ khi chịu âm thanh ở tần số thích hợp.

Các kỹ sư có thể xác định những điểm yếu này và thiết kế các hệ thống giúp giảm nguy cơ phơi nhiễm tiếng ồn đối với phi hành đoàn trong các sứ mệnh không gian có người lái, đồng thời bảo vệ các thiết bị nhạy cảm.

Các cảm biến được lắp đặt trên toàn bộ phần cứng ghi nhận phản ứng của kết cấu đồng thời tại hàng trăm vị trí. Các kỹ sư so sánh những phép đo này với các dự đoán từ mô hình máy tính, sau đó điều chỉnh các phép tính hoặc thay đổi thiết kế khi phản ứng thực tế khác với dự kiến.

Thử nghiệm toàn diện về tải trọng và ứng suất kết cấu
Các thử nghiệm nhiệt độ đặt thiết bị trong những điều kiện nhiệt cực đoan mà chúng sẽ gặp trong không gian, nhằm xác minh khả năng hoạt động từ môi trường nhiệt độ rất cao đến cực lạnh. Các kỹ thuật viên chuyên môn cao theo dõi hiện tượng giãn nở vật liệu, suy giảm chất lượng của các bộ phận làm kín và sự trôi thông số của linh kiện điện tử – những yếu tố có thể ảnh hưởng đến sứ mệnh.

Một vòng phân tích nhiệt khác xác nhận rằng phần cứng có thể duy trì các điều kiện vận hành an toàn bằng cách đặt thiết bị trong các buồng chân không mô phỏng môi trường không gian. Những năng lực chuyên môn tương tự cũng đóng vai trò thiết yếu khi điều tra các hiện tượng bất thường trên quỹ đạo, giúp các nhóm điều hành sứ mệnh giải quyết vấn đề từ xa khi kính thiên văn đã ở cách Trái Đất hàng triệu km.

Các thử nghiệm lực mô phỏng gia tốc trong quá trình phóng và các thao tác cơ động trên quỹ đạo. Chẳng hạn, các xi lanh thủy lực tác dụng lực đẩy và kéo lên các điểm lắp đặt trong khi cảm biến đo mức độ biến dạng của kết cấu, qua đó xác nhận rằng kết cấu có thể chịu được mức ứng suất lớn hơn dự kiến trong chuyến bay thực tế.

Chuyển kết quả thử nghiệm thành những cải tiến thiết kế
Gia tốc kế theo dõi các dạng rung động, trong khi cảm biến đo biến dạng cho biết vị trí lực tập trung và cảm biến nhiệt xác định sự phân bố nhiệt trên toàn bộ phần cứng. Những phép đo này ghi nhận các phản ứng mà riêng mô hình máy tính không thể dự đoán đầy đủ, cung cấp cho kỹ sư dữ liệu thực tế cần thiết để xác nhận thiết kế trước khi chuyển sang chế tạo phần cứng bay.

Một bộ phận có thể bắt đầu rung ở mức ứng suất thấp hơn dự đoán, hoặc những thay đổi nhiệt độ có thể khiến vật liệu xuống cấp nhanh hơn dự kiến. Việc phát hiện những vấn đề này trong quá trình thử nghiệm trên mặt đất cho phép các kỹ sư thiết kế lại giá đỡ, thay đổi vật liệu hoặc điều chỉnh hệ thống bảo vệ nhiệt mà không phải đánh đổi bằng rủi ro đối với một sứ mệnh thực tế.

Các nhóm kỹ thuật sử dụng mọi kết quả ngoài dự kiến để tinh chỉnh các công cụ tính toán, giúp mỗi thiết kế tàu vũ trụ trở nên đáng tin cậy hơn. Mô hình kết cấu có thể hư hỏng trong phòng thử nghiệm để kính thiên văn thực tế ít có khả năng gặp sự cố ngoài không gian.

Vai trò then chốt của thử nghiệm mô hình kết cấu tàu vũ trụ
Thử nghiệm mô hình kết cấu tàu vũ trụ giúp xác định liệu phần cứng đã sẵn sàng cho chuyến bay hay chưa. Các mô hình máy tính có thể dự đoán cách kết cấu phản ứng trước các lực phát sinh trong quá trình phóng, nhưng chỉ thử nghiệm vật lý mới có thể xác nhận những dự đoán đó và phát hiện các vấn đề mà mô phỏng có thể bỏ sót. Đây là cơ sở tạo ra mức độ tin cậy cần thiết để chuyển sang giai đoạn sản xuất.

Các phép đo chính xác về tổng khối lượng của tải trọng, vị trí trọng tâm và các đặc tính quay được đưa trực tiếp vào quá trình xác nhận này. Những thông số đó quyết định cách tàu vũ trụ phản ứng khi các động cơ đẩy hoạt động – các phép tính trở nên đặc biệt quan trọng khi lập kế hoạch quỹ đạo và thiết kế hệ thống điều khiển cho những sứ mệnh gần như không có dư địa cho sai sót.

Kính thiên văn Ariel phải di chuyển tới vị trí hoạt động cách Trái Đất khoảng 1,5 triệu km. Không có sứ mệnh sửa chữa nào có thể dễ dàng tiếp cận một khoảng cách như vậy, vì thế thử nghiệm trên mặt đất là cơ hội duy nhất để phát hiện các vấn đề trước khi phóng.

Từ mô phỏng trên mặt đất đến vận hành thành công trên quỹ đạo
Quá trình chuyển từ phân tích trong phòng thí nghiệm sang triển khai vận hành thực tế phụ thuộc vào những bài học rút ra từ các sứ mệnh trước đây và việc liên tục hoàn thiện các quy trình thử nghiệm. Mô phỏng ảo và nguyên mẫu vật lý cho phép các nhóm kỹ thuật thử nghiệm các bộ phận trước khi quá trình sản xuất bắt đầu, qua đó giảm nguy cơ phải thực hiện những thay đổi thiết kế tốn kém ở các giai đoạn phát triển sau.

Wide Field Camera 3 (*) trên Kính viễn vọng Không gian Hubble là một ví dụ về lượng kiến thức tích lũy được qua nhiều thập kỷ phát triển. Thiết bị này đã trải qua những thay đổi đáng kể về thiết kế và chế tạo qua nhiều phiên bản kế tiếp nhau, cung cấp khả năng chụp ảnh trường rộng trên dải bước sóng từ tử ngoại đến hồng ngoại. Kênh hồng ngoại của thiết bị cung cấp độ phân giải 1 megapixel, so với 0,06 megapixel của thiết bị tiền nhiệm.
(*) Wide Field Camera 3 (WFC3) là camera quan sát trường rộng được lắp đặt trên Kính viễn vọng Không gian Hubble từ năm 2009, có khả năng ghi hình trên dải bước sóng từ tử ngoại, ánh sáng khả kiến đến cận hồng ngoại.

Các kỹ sư nghiên cứu dữ liệu hiệu suất thu được trong quá trình vận hành thực tế trên không gian và so sánh chúng với kết quả thử nghiệm trên mặt đất để tiếp tục tinh chỉnh các mô hình. Vòng phản hồi này liên tục cải thiện độ chính xác của các dự đoán trước khi phóng, đồng thời xác nhận hiệu quả của các phương pháp thử nghiệm và chỉ ra những lĩnh vực cần tiếp tục cải thiện.

Tương lai của công nghệ mô phỏng hàng không vũ trụ độ trung thực cao
Công nghệ bản sao kỹ thuật số (Digital Twin) đang làm thay đổi quá trình xác nhận kết cấu thông qua việc tạo ra các bản sao ảo có khả năng liên tục phát triển và cập nhật trong toàn bộ vòng đời của sứ mệnh.

Đồng thời, các phương pháp thử nghiệm rung động hàng không vũ trụ tiên tiến hiện đang tích hợp những hệ thống điều khiển thích ứng có khả năng phản ứng theo dữ liệu phản hồi từ kết cấu. Cam kết của ngành hàng không vũ trụ đối với hoạt động thử nghiệm toàn diện trên mặt đất đã thiết lập một tiêu chuẩn về giảm thiểu rủi ro có phạm vi ứng dụng vượt ra ngoài lĩnh vực khám phá không gian.

Để xem các tin bài khác về “Kính thiên văn”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Industrial Technology