Mỗi lần SpaceX phóng Starship, những thước phim quay cận cảnh ngọn lửa phụt ra từ 33 động cơ Raptor đồng loạt hoạt động khiến hàng triệu người xem trên toàn thế giới choáng ngợp. Luồng khí xả dài hơn 300 mét, rung động lan ra hàng kilomet xung quanh bệ phóng, và nhiệt độ bên trong buồng đốt mỗi động cơ đạt từ 3.500 đến 3.650 độ C, nóng hơn bề mặt của nhiều ngôi sao. Câu hỏi tự nhiên xuất hiện trong đầu bất kỳ ai xem những thước phim đó: camera ở đó để làm gì và tại sao nó không tan chảy?
Thách thức kỹ thuật đặt ra là cực kỳ nghiêm trọng. Nhôm tan ở 660 độ C. Thép thông thường mất đi độ bền kết cấu ở khoảng 400 độ C. Hầu hết các loại nhựa và vật liệu điện tử tiêu dùng tan chảy hoặc bốc cháy ở dưới 200 độ C. Một chiếc camera thông thường đặt gần bệ phóng sẽ không tồn tại được quá vài giây sau khi động cơ kích hoạt, chưa kể đến việc ghi lại hình ảnh sắc nét.
Giải pháp bắt đầu từ lớp bảo vệ ngoài cùng. Camera được đặt bên trong một vỏ thép không gỉ đánh bóng với thiết kế hai buồng riêng biệt, tạo ra một lớp cách nhiệt giữa môi trường bên ngoài và thiết bị bên trong. Mặt ngoài của vỏ được đánh bóng để phản xạ lại một phần nhiệt bức xạ thay vì hấp thụ. Đây là nguyên lý tương tự như những tấm chắn nhiệt trên tàu vũ trụ khi tái nhập khí quyển.
Phần đáng chú ý nhất là cửa sổ mà camera nhìn qua. Kính thông thường sẽ nứt vỡ ngay lập tức vì sốc nhiệt, tức là hiện tượng các phần khác nhau của vật liệu giãn nở không đều khi nhiệt độ thay đổi đột ngột. Thay vào đó, các hệ thống này sử dụng kính sapphire tổng hợp hoặc thạch anh, loại vật liệu chịu được nhiệt độ môi trường lên đến 400 độ C mà không bị biến dạng hay nứt.
Đây chính là vật liệu được dùng làm mặt kính đồng hồ cao cấp và kính bảo vệ màn hình Apple Watch vì độ cứng và khả năng chống trầy xước vượt trội của nó. Trong môi trường tên lửa, ưu điểm quan trọng hơn là khả năng chịu sốc nhiệt cực đoan trong khi vẫn giữ được độ trong suốt quang học để camera ghi lại hình ảnh sắc nét.
Nhưng vỏ thép và kính đặc biệt vẫn chưa đủ. Hệ thống làm mát chủ động mới là thứ cho phép camera hoạt động liên tục. Nước lạnh ở nhiệt độ dưới 20 độ C được bơm liên tục qua các kênh dẫn bên trong vỏ với lưu lượng khoảng 6,5 lít mỗi phút.
Kết quả là dù nhiệt độ môi trường bên ngoài lên đến 400 độ C, nhiệt độ bên trong vỏ chỉ dao động ở mức 44 độ C, đủ mát để thiết bị điện tử hoạt động bình thường. Nguyên lý này không khác nhiều so với hệ thống tản nhiệt nước trong máy tính hiệu năng cao, chỉ khác về quy mô và mức độ khắc nghiệt của môi trường.
Thách thức thứ hai là rung động. Khi 33 động cơ Raptor kích hoạt đồng thời, lực rung lan ra môi trường xung quanh với cường độ có thể gây hỏng thiết bị điện tử chính xác. Camera được đặt trên bệ chống rung giảm thiểu phần lớn dao động cơ học. Bên cạnh đó, các hệ thống này thường dùng global shutter camera, loại cảm biến ghi lại toàn bộ khung hình trong cùng một thời điểm thay vì quét từng dòng, tránh hiện tượng hình ảnh bị méo do rung động. Phần còn lại được xử lý trong hậu kỳ bằng phần mềm ổn định hình ảnh.
Một yếu tố tình cờ giúp những thước phim của SpaceX trở nên rõ nét hơn so với các tên lửa khác là lựa chọn nhiên liệu. Động cơ Raptor dùng methane thay vì kerosene như nhiều tên lửa thế hệ cũ. Methane cháy gần như hoàn toàn, tạo ra luồng khí xả gần trong suốt với màu xanh nhạt thay vì cột khói đen dày đặc. Điều này cho phép camera ghi lại chi tiết của ngọn lửa và cấu trúc luồng khí xả mà ở các tên lửa dùng kerosene sẽ bị che khuất hoàn toàn.
Nguyễn Hải
