Để bay nhanh gấp 5 lần vận tốc âm thanh, tên lửa siêu vượt âm cần một hệ thống tích hợp gồm vật liệu, lớp phủ, công nghệ làm mát, kết cấu và kế hoạch bay hiệu quả.

Theo Interesting Engineering, tên lửa siêu vượt âm có thể bay qua khí quyển ở Mach 5 (6.174 km/h), dẫn tới bề mặt của phương tiện phải chịu nhiệt độ cao đến mức đủ phá hủy vật liệu máy bay thông thường. Để vượt qua nhiệt độ cực hạn đó, nó phải kết hợp vật liệu chịu nhiệt, lớp phủ bảo vệ, hình dạng khí động học tối ưu và hệ thống chủ động tản nhiệt.

Thách thức lớn nhất là khi bay với tốc độ Mach 5, không khí phía trước phương tiện bị nén mạnh đến mức nhiệt độ tăng lên hơn 1.300°C tại phần mũi, đủ nóng để làm tan chảy hầu hết kim loại. Mentis Science cho biết dòng nhiệt trên bề mặt phương tiện có thể cao gấp 3-7 lần so với bức xạ Mặt Trời. Chênh lệch nhiệt độ tại các cạnh rìa có thể từ -170 đến 3.000 độ C ở khoảng cách chỉ một cm. Loại áp lực nhiệt này không những kéo căng mà còn phá vỡ vật liệu.

NASA cho biết hệ thống chống nóng được thiết kế để ngăn nhiệt lượng truyền vào cấu trúc và linh kiện bên trong. Đối với vũ khí siêu thanh, các kỹ sư phải chế tạo phương tiện vừa chịu nhiệt độ cực cao, vừa có khả năng chống chọi áp lực cơ học khi bay ở tốc độ chóng mặt.

Vật liệu chịu nhiệt - lớp bảo vệ đầu tiên

Các vật liệu máy bay thông thường, bao gồm nhiều loại hợp kim, có thể kém bền khi đối mặt nhiệt độ cực hạn trong chuyến bay siêu thanh. Do đó, kỹ sư phải chuyển sang sử dụng vật liệu composite và gốm chuyên dụng.

Theo Science Direct, một lựa chọn phổ biến là composite carbon - carbon (CFC), tạo từ sợi carbon đúc trong nền carbon. Vật liệu này có thể chịu nhiệt độ gần 1.100 độ C mà không mất độ bền và biến dạng, nên rất lý tưởng để sản xuất đầu mũi và rìa cánh của phương tiện siêu thanh. Tuy nhiên, CFC có một điểm yếu là khi tiếp xúc với oxy ở nhiệt độ trên khoảng 500 độ C mà không có lớp bảo vệ, nó sẽ bị oxy hóa nhanh chóng và gần như tan rã. Vì vậy, nó cần lớp phủ silicon carbide, hafnium diboride hoặc zirconium diboride. Nhưng những lớp phủ đó rất phức tạp, tốn kém, có thể nứt hoặc bong tróc dưới áp lực nhiệt.

Thiết kế tên lửa tự hủy

Không phải mọi phương tiện siêu vượt âm đều cần tái sử dụng nhiều lần. Một số loại có thể dùng hệ thống bảo vệ nhiệt kiểu hao mòn. Với công nghệ này, lớp vật liệu bên ngoài sẽ dần dần phân hủy, cháy sém, nóng chảy hoặc mòn đi, mang theo nhiệt lượng và bảo vệ cấu trúc bên trong.

Thay vì ngăn chặn toàn bộ thiệt hại trên bề mặt, hệ thống kiểm soát quá trình hao mòn vật liệu để bảo vệ cấu trúc quan trọng bên trong. NASA cũng áp dụng loại lá chắn nhiệt tự tiêu hao cho tàu vũ trụ bay trở lại khí quyển Trái Đất. Tuy nhiên, do lớp bảo vệ bị mài mòn và thay đổi bề mặt trong quá trình hoạt động, phương pháp như vậy chỉ dành cho tên lửa dùng một lần, không phù hợp với phương tiện cần giữ nguyên hình dáng khí động học qua nhiều nhiệm vụ liên tiếp.

Công nghệ làm mát chủ động loại bỏ nhiệt trước khi tích tụ

Một số thiết kế tiên tiến ứng dụng công nghệ làm mát chủ động, trong đó chất lỏng tuần hoàn qua đường dẫn bên trong cấu trúc để đưa nhiệt ra khỏi khu vực dễ bị ảnh hưởng. Nhiên liệu có thể đóng vai trò như chất làm mát trước khi đi vào động cơ, hấp thụ nhiệt trong lúc truyền qua các kênh thiết kế đặc biệt. Khi kết hợp với lớp cách nhiệt, công nghệ này cho phép bề mặt bên ngoài chịu được nhiệt độ cao trong khi hạn chế truyền nhiệt vào phương tiện.

Một nghiên cứu công bố năm 2026 trên tạp chí Applied Thermal Engineering kiểm tra cấu trúc kết hợp sử dụng cách nhiệt gốm và kênh làm mát. Kết quả mô phỏng cho thấy làm mát bằng dầu hỏa hàng không có thể cải thiện hiệu quả bảo vệ nhiệt của hệ thống.

Nhà thiết kế tên lửa phải cân bằng hiệu quả khí động học với quản lý nhiệt. Các cạnh sắc có thể cải thiện hiệu suất khí động học ở một số chế độ bay, nhưng cũng tập trung nhiệt. Hình dạng tù hơn có thể phân tán nhiệt trên khu vực lớn hơn, dù làm tăng lực cản. Các kỹ sư cũng phải tính thời gian phương tiện ở trong bầu khí quyển dày đặc, đường bay và cách nhiệt phân bố trên bề mặt của nó.

An Khang tổng hợp