Trong giai đoạn từ năm 2022 đến 2025, công nghệ động cơ tên lửa đã chứng kiến sự chuyển mình mạnh mẽ nhờ vào các thành tựu mới trong lĩnh vực vật liệu tiên tiến và kỹ thuật chế tạo hiện đại. Các hệ thống động cơ nhiên liệu lỏng và nhiên liệu rắn – vốn là trụ cột trong các nhiệm vụ phóng không gian và ứng dụng quốc phòng – ngày càng được tối ưu để đạt hiệu suất cao hơn, khả năng tái sử dụng tốt hơn và chi phí sản xuất thấp hơn. Bài viết này tổng hợp và phân tích các đột phá đáng chú ý, tập trung vào ứng dụng của vật liệu chịu nhiệt độ cao, các hợp kim tối ưu cho môi trường đốt oxy hóa, vật liệu ablative (vật liệu bốc cháy bảo vệ) thế hệ mới, cũng như các phương pháp sản xuất tiên tiến như in 3D kim loại và hàn khuấy ma sát.

Thử nghiệm động cơ tên lửa tại Pangea Aerospace ARCOS vào tháng 10/2023

Động cơ tên lửa hiện đại đòi hỏi vật liệu có khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện áp suất có thể vượt quá 20 MPa và nhiệt độ cháy trên 3000°C. Đối với động cơ nhiên liệu lỏng, áp suất buồng đốt cao và chu kỳ nhiệt lớn đặt ra yêu cầu rất cao về khả năng chống oxy hóa, chịu ăn mòn và mỏi nhiệt của vật liệu cấu trúc. Trong khi đó, động cơ nhiên liệu rắn tuy đơn giản hơn về mặt kết cấu, nhưng vẫn phải chịu ứng suất cơ học lớn và tác động nhiệt mạnh khi cháy liên tục. Để đáp ứng các điều kiện này, các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp hàng không vũ trụ đã tập trung phát triển các vật liệu mới có khả năng chịu nhiệt và cơ học vượt trội, đồng thời tương thích với công nghệ chế tạo hiện đại.

Một trong những tiến bộ nổi bật là việc áp dụng vật liệu gốm ma trận tổ hợp (ceramic matrix composites – CMC) có nhiệt độ làm việc siêu cao, như tổ hợp zirconium diboride – silicon carbide (ZrB₂–SiC), trong các ứng dụng vòi phun tái sử dụng. Những vật liệu này không chỉ chống xói mòn và oxy hóa, mà còn có thể chịu được sốc nhiệt cực lớn khi động cơ hoạt động lặp lại nhiều lần [1]. Cùng với đó, các tổ hợp carbon–carbon và C/SiC – điển hình là vật liệu Carbeon C/SiC của Arceon – đã được sử dụng rộng rãi trong các bộ phận như phần mở rộng vòi phun và lớp lót chịu nhiệt cho động cơ tầng trên, nơi yêu cầu trọng lượng nhẹ và nhiệt độ làm việc cao trên 1500°C [1][7].

Trong nhóm vật liệu kim loại, các hợp kim siêu bền truyền thống tiếp tục được cải tiến để phù hợp hơn với công nghệ sản xuất bồi đắp (additive manufacturing – AM). NASA đã phát triển hợp kim HR-1 có khả năng chống giòn hydro, được thiết kế đặc biệt để tối ưu hóa quá trình in 3D kim loại [2]. Các hợp kim đồng như GRCop-42 và GRCop-84, với khả năng dẫn nhiệt tốt và chịu được ứng suất nhiệt cao, đã được áp dụng thành công trong việc in buồng đốt có hệ thống làm mát tái sinh tích hợp [6]. Tập đoàn SpaceX cũng đã phát triển các hợp kim riêng SX300 và SX500 để sử dụng trong động cơ Raptor, nhằm tối ưu hóa hiệu suất cho chu trình đốt phân tầng giàu oxy có áp suất buồng đốt siêu cao [3].

Song song với phát triển vật liệu, các tiến bộ trong kỹ thuật chế tạo – đặc biệt là công nghệ in 3D kim loại – đã làm thay đổi toàn diện cách thức sản xuất động cơ tên lửa. Công nghệ bồi đắp không chỉ giúp giảm đáng kể số lượng chi tiết và thời gian gia công, mà còn cho phép tạo ra những kết cấu có dạng hình học phức tạp như kênh làm mát xoắn, cấu trúc dạng mạng hoặc các bộ phận tích hợp nhiều chức năng. Điển hình là tên lửa Terran 1 của Relativity Space, có tới 85% khối lượng cấu thành được in 3D [5]. NASA cũng đã thử nghiệm in lớp lót vòi phun RS-25 kích thước đầy đủ bằng phương pháp Directed Energy Deposition (DED), trong khuôn khổ dự án RAMPT [6]. Các động cơ như Rutherford của Rocket Lab đã chứng minh tính khả thi và độ tin cậy cao của các buồng đốt và cụm bơm tua-bin in 3D trong môi trường bay thực tế.

Mặc dù công nghệ in 3D đang ngày càng phát triển mạnh mẽ, gia công CNC 5 trục vẫn giữ vai trò then chốt đối với các chi tiết đòi hỏi độ chính xác cao. Việc kết hợp giữa sản xuất bồi đắp và gia công truyền thống hiện đang trở thành xu hướng chính, đặc biệt trong các bộ phận tiếp xúc như mặt bích, vách ngăn và bề mặt lắp ghép. Ngoài ra, kỹ thuật hàn khuấy ma sát (friction stir welding – FSW) đã được ứng dụng thành công trong các cấu kiện nhôm như bình chứa nhiên liệu cryogenic và các ống góp, với ưu điểm là mối hàn có độ bền cao, ít biến dạng và phù hợp với vật liệu khó hàn theo phương pháp truyền thống [3].

Các thành tựu kể trên đã được hiện thực hóa trong nhiều chương trình thiết kế, chế tạo động cơ tên lửa phục vụ mục đích dân dụng và quân sự. Trong lĩnh vực dân sự, động cơ Raptor của SpaceX là một ví dụ điển hình khi tích hợp thành công vật liệu hợp kim đặc chế, thiết kế làm mát tái sinh và các bộ phận in 3D nhằm đạt được hiệu suất đốt cao, tái sử dụng nhiều lần và giảm chi phí chế tạo [3]. Tổ chức Vũ trụ Châu Âu (ESA) cũng phát triển động cơ Prometheus sử dụng nhiên liệu methane với hơn 50% linh kiện được sản xuất bằng công nghệ in 3D, nhằm mục tiêu tái sử dụng và giảm chi phí phóng. Rocket Lab với động cơ Rutherford đã vận hành thành công hàng chục lần phóng với thiết kế buồng đốt in 3D và hệ thống bơm điện.

Trong lĩnh vực quốc phòng, chương trình tên lửa đạn đạo xuyên lục địa thế hệ mới (GBSD) của Northrop Grumman áp dụng vỏ động cơ rắn composite được quấn sợi, khuôn mô-đun tái sử dụng và quy trình thiết kế số hóa để tăng tốc độ sản xuất và giảm chi phí [4]. Các tên lửa siêu vượt âm và phương tiện lướt có vận tốc cao đã áp dụng các vật liệu ablative thế hệ mới, cũng như tổ hợp C/SiC cho vòi phun, giúp duy trì cấu trúc trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cực cao. Một ví dụ tiên tiến khác là dự án DRACO của DARPA/NASA về động cơ đẩy hạt nhân nhiệt, yêu cầu sản xuất các chi tiết chịu nhiệt cao từ hợp kim đặc biệt bằng công nghệ in 3D [2][6].

Mặc dù các ứng dụng thực tiễn đang ngày càng mở rộng, vẫn còn nhiều thách thức kỹ thuật tồn tại. Việc chứng nhận và kiểm định các vật liệu và linh kiện sản xuất bằng AM vẫn đang trong quá trình phát triển, đòi hỏi các dữ liệu thực nghiệm lâu dài về độ bền, khả năng chịu mỏi và ứng xử trong môi trường oxy hóa cao. Bên cạnh đó, việc tích hợp vật liệu khác loại – ví dụ như kim loại với composite gốm – đặt ra vấn đề về ứng suất nội tại, độ giãn nở nhiệt không đồng đều và độ bền mối nối. Ngoài ra, một số vật liệu tiên tiến có giá thành cao hoặc phụ thuộc vào nguồn cung giới hạn, khiến khả năng mở rộng sản xuất còn hạn chế. Công nghệ kiểm tra không phá hủy và tiêu chuẩn hóa quy trình sản xuất AM cũng cần được hoàn thiện hơn để đảm bảo chất lượng và độ lặp lại trong sản xuất hàng loạt.

Triển vọng đến năm 2030 cho thấy ngành chế tạo động cơ tên lửa sẽ ngày càng tích hợp các yếu tố thiết kế tối ưu hóa bằng AI, kỹ thuật in đa vật liệu và quy trình quản lý sản xuất số hóa. Các vật liệu mới như hợp kim entropy cao, tổ hợp gốm nhiệt độ siêu cao thế hệ kế tiếp, cùng với các cấu trúc composite nhẹ và linh hoạt, sẽ đóng vai trò trung tâm trong thế hệ động cơ mới. Những cải tiến này không chỉ hỗ trợ các sứ mệnh không gian dài hạn như định cư Mặt Trăng hoặc thám hiểm Sao Hỏa, mà còn nâng cao khả năng đáp ứng nhanh, độ tin cậy và hiệu quả kinh tế của các hệ thống tên lửa hiện đại trong lĩnh vực quốc phòng.

Tài liệu tham khảo

[1] A. Sciti et al., “Design and Hot Testing of Ultra High Temperature Ceramic Matrix Composite Nozzles,” J. Eur. Ceram. Soc., vol. 43, pp. 72–85, 2023.
[2] M. Dunn et al., “NASA HR-1: A New Superalloy for Additive Manufacturing,” NASA/TM-2023-000045, 2023.

[3] T. Blakeney, “Advanced Manufacturing for Liquid Rocket Engines,” Aerospace Manufacturing Review, vol. 29, no. 4, pp. 15–23, 2024.
[4] B. Smith and K. Jameson, “Filament Wound Composite Rocket Motor Cases,” Proc. 2024 Solid Rocket Motor Tech Conf., 2024.
[5] Relativity Space, “Terran 1 Technical Overview,” 2023. [Online]. Available: https://www.relativityspace.com
[6] NASA, “GRCop-42 AM Progress,” NASA Glenn Research Center, 2022.
[7] S. Haque and L. Zhou, “3D-Printed C/SiC Nozzles for Reusable Engines,” Acta Astronautica, vol. 207, pp. 89–98, 2023.

Dương Minh Đức