Cuộc đua Mỹ - Trung có thể được quyết định bởi một 'nắp kim loại'?

Tên lửa đẩy Trường Chinh-10B phóng lên từ bãi phóng tàu vũ trụ ở Văn Xương, tỉnh Hải Nam, miền nam Trung Quốc hôm 10/7. Ảnh: Tân Hoa Xã.

Trong cuộc cạnh tranh khốc liệt giữa Mỹ và Trung Quốc nhằm giành lợi thế trong ngành công nghiệp không gian, yếu tố quyết định có thể không phải là động cơ hay trí tuệ nhân tạo, mà là một linh kiện ít được biết đến: vòm bình chứa nhiên liệu tên lửa (propellant tank dome), theo SCMP.

Đây là bộ phận hình elip có đường kính vài mét nhưng chỉ dày vài milimet, được đặt ở hai đầu bình chứa nhiên liệu của tên lửa. Dù mỏng, chi tiết này phải chịu áp suất cực lớn cùng rung động và va đập trong suốt quá trình phóng. Chính vì yêu cầu kỹ thuật khắt khe, việc sản xuất hàng loạt vòm bình chứa luôn được xem là một trong những nút thắt lớn nhất của ngành chế tạo tên lửa.

Theo các chuyên gia, quốc gia nào có thể chế tạo bộ phận này nhanh hơn, rẻ hơn và ổn định hơn sẽ nắm lợi thế trong việc sản xuất hàng loạt các tên lửa tái sử dụng - nền tảng cho nền kinh tế không gian trong tương lai.

Trung Quốc hiện cho rằng họ đã tìm ra không chỉ một mà hai giải pháp để vượt qua "điểm nghẽn" này.

Hai công nghệ được kỳ vọng vượt SpaceX

Ngày 10/7, tên lửa Trường Chinh 10B (CZ-10B) của Trung Quốc đã đưa vệ tinh vào quỹ đạo trước khi hạ cánh thẳng đứng xuống một hệ thống lưới đệm khổng lồ đặt trên nền tảng thu hồi ngoài khơi.

Đây được xem là lần đầu tiên Trung Quốc thu hồi thành công một tên lửa tái sử dụng, đánh dấu bước tiến đáng chú ý trong chương trình phát triển công nghệ không gian của nước này.

Kết quả này cho thấy Tập đoàn Khoa học và Công nghệ Hàng không Vũ trụ Trung Quốc (CASC) đang từng bước thu hẹp khoảng cách với công nghệ tái sử dụng tên lửa - yếu tố đã giúp SpaceX của tỷ phú Elon Musk vươn lên dẫn đầu thị trường phóng tên lửa thương mại toàn cầu, Global Times cho biết.

Mục tiêu lâu dài của Bắc Kinh là phát triển các tầng đẩy có thể tái sử dụng nhiều lần, từ đó cắt giảm đáng kể chi phí đưa vệ tinh và tàu vũ trụ vào không gian. Theo CASC, tầng đẩy vừa được thu hồi có năng lực mang tải tương đương Falcon 9, dòng tên lửa chủ lực của SpaceX.

Khoảnh khắc tầng đẩy tên lửa Trường Chinh 10B đáp xuống biển Khoảng 6 phút sau khi tầng 1 và tầng 2 tách khỏi nhau, tầng đẩy thứ nhất của tên lửa Trường Chinh 10B đã hạ cánh thẳng đứng và được thu hồi bằng hệ thống lưới thu đặc biệt.

Tuy nhiên, điểm đáng chú ý của chuyến bay không chỉ nằm ở khả năng thu hồi, mà còn ở công nghệ chế tạo vòm bình chứa nhiên liệu. Theo Công ty Shanghai Top Numerical Control Technology, bộ phận này được sản xuất bằng dây chuyền sử dụng máy công cụ do Trung Quốc tự phát triển, với tiêu chuẩn kỹ thuật được đối chiếu theo dòng tên lửa Falcon của SpaceX, nhưng được kỳ vọng có tốc độ sản xuất cao hơn.

Theo doanh nghiệp Trung Quốc, quy trình chế tạo dựa trên hai công nghệ cốt lõi.

Đầu tiên là công nghệ gia công phay gương năm trục kép (dual five-axis mirror milling), cho phép gia công toàn khối vòm bình chứa trong khi vẫn giữ một lớp đỡ ở mặt sau để tránh biến dạng của vật liệu siêu mỏng dưới tác động của lực cắt. Nhờ đó, sản phẩm đạt độ chính xác cao mà vẫn rút ngắn thời gian gia công.

Hiện trên thế giới chỉ có ba doanh nghiệp sở hữu công nghệ này, gồm Dufieux (Pháp), M. Torres (Tây Ban Nha) và Shanghai Top Numerical. Công ty Trung Quốc khẳng định thiết bị của họ có ưu thế về độ chính xác, chu kỳ sản xuất cũng như chi phí.

Công nghệ thứ hai là hàn ma sát khuấy (friction-stir welding) dành cho mối nối giữa vòm và thân bình chứa nhiên liệu có đường kính khoảng 5 m.

Phương pháp này sử dụng đầu khuấy quay với tốc độ cao để tạo nhiệt ma sát, làm mềm kim loại và trộn vật liệu với nhau thay vì nung chảy như hàn truyền thống. Kết quả là mối hàn gần như không có khuyết tật, đồng thời khả năng chịu mỏi cao hơn nhiều lần, đáp ứng yêu cầu của các tên lửa có thể tái sử dụng nhiều lần.

Shanghai Top Numerical cho biết sự kết hợp giữa hai công nghệ trên chính là nền tảng sản xuất đã giúp tên lửa Falcon của SpaceX đạt độ tin cậy cao khi thu hồi. Theo doanh nghiệp này, quy trình mới còn giúp giảm gần 400 kg khối lượng của vòm bình chứa trên mỗi tên lửa so với phương pháp chế tạo truyền thống, trong khi nhiều chỉ tiêu kỹ thuật đã vượt các tiêu chuẩn quốc tế hiện nay.

Đột phá mới: Ép tạo hình ở nhiệt độ -196 độ C

Song song với hướng tiếp cận trên, các nhà khoa học Trung Quốc còn công bố một công nghệ hoàn toàn mới có thể rút ngắn đáng kể thời gian chế tạo.

Theo China Science Daily, nhóm nghiên cứu của Đại học Công nghệ Đại Liên từ năm 2018 đã phát triển kỹ thuật tạo hình nguyên khối ở nhiệt độ siêu thấp đối với hợp kim nhôm.

Một quy trình tạo hình liền khối ở nhiệt độ cực thấp độc quyền dành cho mái vòm bồn chứa giúp rút ngắn thời gian sản xuất từ hơn một tuần xuống chỉ còn vài giờ. Ảnh: CCTV.

Bước đột phá đến từ một phát hiện bất ngờ. Trái với quan niệm phổ biến rằng kim loại trở nên giòn và yếu hơn khi nhiệt độ giảm sâu, nhóm nghiên cứu phát hiện hợp kim nhôm ở một số điều kiện cực lạnh lại đồng thời tăng cả độ dẻo lẫn khả năng hóa bền.

Dựa trên hiện tượng này, họ phát triển quy trình đưa tấm hợp kim nhôm dày 4 mm vào buồng làm lạnh ở -196 độ C, sau đó ép tạo hình chỉ trong một lần để tạo ra vòm bình chứa liền khối, bề mặt nhẵn, không cần gia công hoặc hàn thêm trước khi đưa vào sử dụng.

So với phương pháp truyền thống - chế tạo từng mảnh rồi hàn lại - công nghệ mới nâng tỷ lệ sử dụng vật liệu lên hơn 85%, đồng thời rút ngắn thời gian sản xuất từ hơn một tuần xuống chỉ còn vài giờ, tương đương giảm trên 90% thời gian chế tạo.

Đã sản xuất hàng loạt

Nhóm nghiên cứu đã phối hợp với Học viện Công nghệ Tên lửa Trung Quốc (CALT) để đưa các vòm bình chứa mới lên tên lửa Trường Chinh 12 và Trường Chinh 7A Y14, đều ghi nhận kết quả thành công.

Bên cạnh đó, Đại học Công nghệ Đại Liên cùng Công ty Tianjin Harbin Gongda Yongxing Technology đã xây dựng dây chuyền chuyên sản xuất vòm bình chứa nguyên khối đường kính 4 m tại Khu phát triển kinh tế Jizhou (Thiên Tân).

Lô sản phẩm sản xuất hàng loạt đầu tiên đã xuất xưởng vào tháng 5 vừa qua. Nhà máy hiện có công suất hơn 1.000 vòm bình chứa mỗi năm, đủ để lắp ráp trên 100 tên lửa.

China Science Daily cho biết mục tiêu tiếp theo của nhóm nghiên cứu là phát triển công nghệ cho các kết cấu tên lửa có đường kính trên 5 m và cường độ vượt 1.000 MPa, qua đó giúp Trung Quốc chế tạo tên lửa với chi phí thấp hơn, tốc độ nhanh hơn và quy mô lớn hơn, tạo thêm lợi thế trong cuộc đua không gian với Mỹ.

Phương Linh