극초음속 비행(Hypersonic flight)은 약 90km 고도 이하의 대기권 내에서 마하 5 이상의 속도로 비행하는 것을 의미한다. 마하 5는 음속의 약 5배에 해당하는 속도로, 대략 시속 6,000km 이상에 해당한다. 극초음속 비행은 초음속 비행(마하 1~5)과 구분되는 별도의 속도 영역으로 취급되는데, 이는 이 속도대에서 공기의 물리적·화학적 성질이 급격히 변화하기 때문이다.
극초음속 속도 영역에서는 다음과 같은 물리적 현상이 발생한다. 첫째, 비행체 주변의 공기가 강한 충격파에 의해 고압·고온으로 압축되면서 공기 분자의 해리(dissociation)와 이온화(ionization)가 일어나기 시작한다. 둘째, 공력가열(aerodynamic heating)로 인해 비행체 표면에 매우 높은 열 부하가 가해진다. 셋째, 충격파가 비행체 표면에 밀착되는 현상이 나타난다. 이러한 특성 때문에 극초음속 비행체는 열 차폐 및 내열 재료 기술이 필수적이다.
극초음속 비행은 주로 우주 재진입체, 극초음속 미사일, 극초음속 시험 비행체 등에서 구현되었다. 대표적인 사례로는 미국의 X-15 실험기, NASA의 X-43A, 보잉 X-51 웨이브라이더 등이 있다. X-43A는 2004년 스크램제트(scramjet) 엔진을 사용하여 마하 9.6의 속도에 도달한 바 있으며, X-51은 2013년 마하 5.1을 달성하였다. 우주 왕복선(Space Shuttle)과 같은 재진입체 역시 대기권 재진입 과정에서 극초음속 속도에 도달한다.
극초음속 비행의 핵심 기술 중 하나는 스크램제트 엔진이다. 스크램제트는 초음속 연소를 이용하는 공기흡입식 제트 엔진으로, 별도의 산화제를 탑재하지 않고 대기 중의 산소를 사용하여 극초음속에서 추진력을 얻는다. 다만 스크램제트는 정지 상태에서 자체적으로 시동할 수 없어, 로켓 부스터 등으로 가속된 이후에 작동이 가능하다.
극초음속 비행체는 비포물선 궤도로 대기를 통과하여 이동할 수 있으나, 이 과정에서 발생하는 공기역학적 열 부하를 반드시 관리해야 한다. 2020년 기준으로 열권 이하의 대기권에서는 마하 25 이상의 속도가 달성된 바 있다.
극초음속 비행은 군사 분야에서 극초음속 미사일(극초음속 활공체, 극초음속 순항 미사일) 개발과 연결되어 있으며, 민간 분야에서는 초고속 여객 운송 및 우주 발사체 기술과 관련하여 연구가 진행되고 있다.
