Công nghệ vũ khí siêu thanh là trung tâm của một cuộc chạy đua vũ trang mới. Hiện nay, Mỹ, Trung Quốc, và Nga đều đang cạnh tranh nhằm phát triển ra những loại tên lửa siêu thanh tầm xa hiệu quả nhất. Một báo cáo mới đây tiết lộ rằng Triều Tiên cũng đã thử nghiệm thành công một tên lửa siêu thanh vào ngày 5/1/2022, và đây là lần thử nghiệm tên lửa siêu thanh thứ hai được công bố của quốc gia này.
Lý do khiến những cường quốc hàng đầu thế giới có hứng thú đặc biệt với công nghệ tên lửa siêu thanh nằm ở chỗ, những hệ thống vũ khí tiên tiến này có khả năng tấn công từ khoảng cách rất xa mà không thể bị phát hiện bởi các hệ thống phòng thủ như radar và lá chắn tên lửa. Hơn nữa, tên lửa siêu thanh có thể di chuyển với vận tốc hơn 3.850 mph (hơn 6.195 km/h), biến nó trở thành một công nghệ cực kỳ tiềm năng, ít nhất là về mặt lý thuyết. Nhưng liệu chúng ta có thể dễ dàng đạt được con số đó trong thực tế?
Siêu thanh nghĩa là gì?
Đường bay phi parabol của tên lửa siêu thanh
Siêu thanh, khi nói về tên lửa, ám chỉ các tên lửa có thể bay những quãng đường dài xuyên qua khí quyển ở tốc độ gấp 5 lần vận tốc âm thanh, hay nhanh hơn vận tốc Mach 5.
Trong khí động lực học, vận tốc của các vật thể thường được tính toán trong mối tương quan với vận tốc âm thanh, và các tiếp đầu ngữ khác nhau như “sub” (hạ), “super” (vượt), “hyper” (siêu) được dùng để chỉ những dải vận tốc cụ thể. Vận tốc âm thanh thay đổi tuỳ theo môi trường nó di chuyển và nhiệt độ của môi trường đó. Nhiệt độ phụ thuộc vào độ cao; đối với những mục đích thông thường, nếu chúng ta giả dụ độ cao ở mực nước biển, không khí khô ráo, và nhiệt độ là 20 độ C, thì vận tốc âm thanh là khoảng 761 mph (khoảng 1.224 km/h). Vận tốc này được gọi là vận tốc âm thanh cục bộ, hay Mach 1.
Số Mach là tỉ lệ giữa vận tốc của một vật thể so với vận tốc của âm thanh, do đó vận tốc 1.522 mph sẽ tương đương Mach 2, và nó sẽ được gọi là vận tốc Mach 2. Các trạng thái bay được xác định dựa trên số Mach (Ma), tức là hạ thanh đồng nghĩa Ma < 1, cận thanh đồng nghĩa Ma = 1, dải vận tốc giữa Mach 1 và Mach 3 là vượt thanh, và vận tốc trên Mach 5 là siêu thanh.
Điều gì khiến tên lửa siêu thanh bay nhanh đến thế?
Bất kỳ tên lửa nào di chuyển ở vận tốc lớn hơn Mach 5 (hay gấp 5 lần vận tốc âm thanh) đều được gọi là tên lửa siêu thanh. Có hai loại tên lửa siêu thanh chính - tên lửa hành trình siêu thanh, sử dụng động cơ trong suốt chuyến bay, và tên lửa siêu thanh quỹ đạo dạng tàu lượn (hay còn gọi là “máy bay liệng”), vốn là loại tên lửa được phóng lên đến vận tốc siêu thanh bởi tên lửa đẩy và sau đó lượn qua khí quyển để đến mục tiêu nhờ cơ chế nâng đẩy của luồng không khí.
Tên lửa hành trình siêu thanh được trang bị động cơ phản lực tĩnh siêu âm đặc biệt, hiễn vẫn đang được tích cực phát triển. Động cơ phản lực tĩnh siêu âm vận hành bằng cách đốt nhiên liệu trong một luồng khí vượt thanh nén bởi vận tốc hướng tới của máy bay, và không như động cơ phản lực truyền thống, động cơ phản lực tĩnh siêu âm không có thành phần di chuyển nào. Đến nay, các quốc gia đã thử nghiệm thành công động cơ phản lực tĩnh siêu âm bao gồm Nga (mẫu 3M22 Zircon), Mỹ (mẫu HAWC), Ấn Độ (HSTDV), và Trung Quốc.
Tên lửa siêu thanh quỹ đạo dạng tàu lượn (máy bay liệng siêu thanh) được đặt bên trên bộ phận đẩy của tên lửa đạn đạo, hoặc một hệ thống tên lửa đẩy tầm ngắn, và được đẩy lên vận tốc cao nhất là Mach 20. Sau đó chúng tách ra và bay ở vận tốc siêu thanh, lướt và điều hướng trong khí quyển bằng lực nâng đẩy tạo ra bởi luồng không khí. Loại tên lửa siêu thanh này phổ biến hơn so với tên lửa hành trình siêu thanh); hệ thống lượn siêu thanh DF-ZF của Trung Quốc và Avangard của Nga hiện đã được đưa vào hoạt động, trong khi Quân đội Mỹ thì đang phát triển hệ thống C-HGB của riêng mình.
Lược sử tên lửa siêu thanh
Các vật thể nhân tạo bay ở vận tốc siêu thanh không phải là công nghệ mới mẻ. Vào cuối thập niên 1930, kỹ sư người Áo là Eugen Sanger cùng nhà vật lý học người Đức là Irene Bredt đã cùng nhau thiết kế nên một máy bay liệng siêu thanh gọi là Silbervogel, nhưng chưa bao giờ biến nó thành hiện thực.
Tên lửa Bumper hai tầng, vốn được người Mỹ lắp ráp vào năm 1949 từ một chiếc German V-2 thu giữ được (được trang bị tên lửa nghiên cứu WAC) đã đạt được vận tốc siêu thanh trong một thời gian ngắn khi quay trở lại khí quyển trước khi phát nổ.
Năm 1961 đánh dấu lần đầu tiên một con người - cụ thể là Yuri Gagarin - đạt được vận tốc siêu thanh trong chuyến bay lịch sử lên quỹ đạo Trái đất. Hai người khác - Alan Shepherd và Robert White - cũng làm được điều tương tự cùng năm đó. Tuy nhiên, tất cả bọn họ đều di chuyển với vận tốc siêu thanh trong những quãng thời gian rất ngắn. Năm 1959, Mỹ ký hợp đồng thiết kế máy bay liệng siêu thanh Dyna-Soar với Boeing, nhưng năm 1963, chính phủ lại huỷ bỏ dự án này vì nhiều lý do chưa rõ. Nghiên cứu về những chuyến bay siêu thanh được tiếp tục, nhưng thử thách phải vượt qua về mặt kỹ thuật là cực kỳ khó khăn.
Vào ngày 20/8/1998, Hải quân Mỹ biết được trùm khủng bố Osama bin Laden (người đánh bom toà đại sứ Mỹ tại Kenya và Tanzania vào ngày 7/8 năm đó) đang lẩn trốn tại một trại al Qaeda ở Afghanistan. Tàu của Hải quân nhanh chóng phóng đi những tên lửa hành trình về phía trại của Bin Laden từ Biển Ả-rập. Dù tiêu diệt được trại, Bin Laden vẫn sống sót. Một lý do biện hộ cho điều này có lẽ là vì tên lửa mất đến 2 tiếng mới đến được mục tiêu, vốn nằm cách điểm phóng 1.100 dặm (hơn 1.770 km). Sau đó, bin Laden đã gây ra vụ tấn công 11/9 kinh hoàng tại Mỹ, gây sốc cho toàn thế giới. Không lâu sau vụ tấn công, Tổng thống Mỹ George W. Bush đã cân nhắc, nhưng sau đó lại huỷ bỏ, dự án phát triển tên lửa siêu thanh truyền thống cho hệ thống Promp Global Strike của nước này. Đồng thời, Mỹ cũng rút khỏi hiệp ước Chống Tên lửa Đạn đạo và bắt đầu phát triển hệ thống lá chắn phòng thủ chống tên lửa đạn đạo. Nga và Trung Quốc, lo ngại những lá chắn này sẽ gây nguy hại cho khả năng phòng thủ, lập tức bắt đầu phát triển nhiều biện pháp để đánh bại lá chắn, bao gồm cả sử dụng tên lửa siêu thanh.
Có hai yếu tố chính làm nóng trở lại cuộc đua tên lửa siêu thanh là tốc độ và khả năng kiểm soát của chúng. Theo Bob Strider, giám đốc bộ phận siêu thanh tại Lục quân Mỹ và Bộ Chỉ huy Phòng thủ Tên lửa, tên lửa siêu thanh được thiết kế để nhắm đến những khu vực cấm tiếp cận/cấm xâm nhập của một quốc gia, và ông tin rằng “nó đảm nhiệm vai trò phá cửa để các phương tiện khác xâm nhập”
Tên lửa đạn đạo xuyên lục địa truyền thống có khả năng bay ở vận tốc siêu thanh, nhưng chúng đi theo một đường bay parabol dự đoán trước được và dễ dàng bị theo dõi, cản phá. Tên lửa siêu thanh thì tiếp cận mục tiêu rất nhanh và bay ở độ cao thấp hơn, và do đó khó theo dõi hơn nhiều, và rất khó để triệt hạ.
Các chương trình phát triển công nghệ siêu thanh của Mỹ
Mỹ phóng thử nghiệm C-HGB
Dù ngừng chương trình Prompt Global Strike (PGS) vào năm 2003, Không quân Mỹ và DARPA đã mở ra Dự án FALCON nhằm phát triển thứ gọi là Common Aero Vehicle (CAV). CAV có khả năng hoạt động như một tên lửa đạn đạo truyền thống, cũng như phương tiện xâm nhập khí quyển siêu thanh, nhưng sau hai lần thử nghiệm thất bại vào năm 2010 và 2011, dự án này đã bị huỷ bỏ.
Năm 2008, tiếp theo chương trình FALCON, DARPA bắt đầu nghiên cứu Hypersonic Test Vehicle (HTV-2), sản phẩm thay thế cho CAV. Không như CAV có dạng khối cầu, HTV-2 giống hình cái nêm. Trong hai lần thử nghiệm khác nhau vào năm 2010 và 2011, dù phóng thành công, phân tách được động cơ đẩy và bắt đầu chuyến bay khí động lực học, máy bay liệng lại không thể hoàn thành chuyến bay. Cuối cùng, vào năm 2018, DOD công bố họ không tiến hành thêm bất kỳ cuộc thử nghiệm nào liên quan HTV-2 nữa.
Vào năm 2010, DARPA còn nghiên cứu một thiết kế mới trong khuôn khổ chương trình ArcLight, nhưng dự án này bị ngừng lại vào năm 2012. Cũng trong năm này, Mỹ thử nghiệm một loại tên lửa hành trình siêu thanh là Boeing X-51, sử dụng động cơ phản lực, nhưng chương trình này tiếp tục bị huỷ bỏ vào năm 2013 mà không mang lại kết quả khả quan nào.
Tuy nhiên, sau hàng loạt thất bại, một dự án liên quan công nghệ siêu thanh của Mỹ đã đạt được thành công. Năm 2006, Quân đội Mỹ đã tiến hành nghiên cứu một loại máy bay liệng siêu thanh mới gọi là Advanced Hypersonic Weapon (AHW). Máy bay liệng này có thiết kế hình nón, và Quân đội Mỹ đã thử nghiệm sản phẩm thành công vào năm 2011. Dù AHW không đáp ứng được kỳ vọng trong lần thử nghiệm thứ hai do Bộ Quốc phòng chủ trì vào năm 2014, đợt thử nghiệm cuối cùng vào năm 2017 sử dụng một phiên bản mở rộng của AHW lại thành công. Năm 2018, AHW được đổi tên thành Common Hypersonic Glide Body (C-HGB). Lầu Năm Góc tiết lộ rằng nó có thể được triển khai cho Lục quân, Hải quân, và Không quân Mỹ.
Tại sao phát triển vũ khí siêu thanh lại phức tạp đến vậy?
Mấu chốt nằm ở việc phải làm sao để xử lý ma sát của khí quyển. Khi vũ khí bay xuyên không khí, nó chịu lực cản tương đương với vận tốc bay. Lực ma sát sẽ làm giảm vận tốc của vũ khí, và vấn đề này càng nghiêm trọng hơn đối với các máy bay liệng bởi chúng không hề sử dụng động cơ.
Lực ma sát còn làm tăng nhiệt độ của máy bay cũng như không khí xung quanh. Nhiệt này có thể rất cao ở vận tốc siêu thanh, đến nỗi khiến không khí xung quanh bị ion hoá và trở nên hoạt hoá. Không khí ion hoá này có thể ăn mòn bề mặt vũ khí. Chưa hết, một vật thể bay nhanh hơn vận tốc âm thanh sẽ sinh ra một lớp không khí đặc di chuyển gọi là sóng xung kích. Ở vận tốc âm thanh, sóng xung kích này tạo ra một góc rất hẹp với hướng di chuyển của vũ khí và gần như ôm trọn vũ khí, buộc không khí nhiệt độ cao bị hoạt hoá đến mức bất ổn định tiếp xúc gần với bề mặt vũ khí. Những yếu tố này đe doạ tính bền vững của vũ khí, gây ra những thách thức đáng kể cho việc thiết kế tên lửa siêu thanh.
Ngoài ra, dù khả năng điều khiển là một yêu cầu quan trọng đối với một vũ khí mạnh mẽ như tên lửa siêu thanh, lực nâng đẩy yếu và ma sát cao có thể làm giảm khả năng này. Điều đó có thể dẫn đến những hệ quả tốn kém, bởi thay đổi hướng đi của một vật thể bay ở vận tốc siêu thanh sẽ cần đến một lượng rất lớn động năng của vật thể, khiến nó bị chậm lại. Bob Strider giải thích rằng, “bất kỳ sự can thiệp nào cũng có thể làm giảm bớt năng lượng bởi bạn không sử dụng động cơ cho máy bay liệng, nên bạn phải cẩn thận trong việc tính toán điều khiển nó, để có thể đảm bảo năng lượng giúp nó đến được mục tiêu mong muốn”.
Những thách thức trong chế tạo tên lửa siêu thanh đồng nghĩa các quốc gia phát triển được những tên lửa siêu thanh chất lượng cao trước tiên sẽ có một khởi đầu cực kỳ thuận lợi trong cuộc chạy đua vũ trang thế hệ mới xoay quanh vũ khí siêu thanh. Tất cả những cường quốc trong cuộc chạy đua vũ khí này đều ít nhiều đã có những thành công trong phát triển tên lửa siêu thanh quỹ đạo dạng tàu lượn, cũng như thử nghiệm thành công công nghệ phản lực tĩnh siêu âm. Tuy nhiên, Trung Quốc, Hàn Quốc, Nga, và Mỹ là những quốc gia duy nhất thử nghiệm thành công tên lửa hành trình siêu thanh. Các quốc gia khác sẽ bắt kịp họ bằng cách nào, và liệu thế giới sẽ làm sao để ngăn chặn sự bùng nổ của tên lửa siêu thanh? Chúng ta chưa thể biết được.
Tham khảo: InterestingEngineering
