เครื่องยนต์จรวด

คำศัพท์

จรวดเคมี (Chemical rockets)  คือจรวดที่ขับเคลื่อนโดยปฏิกิริยาทางเคมีที่เกิดจากการคายความร้อน (exothermic) ของเชื้อเพลิงจรวด
เครื่องยนต์จรวด (Rocket motor) (หรือเครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงแข็ง) เป็นคำที่ตรงกันกับเครื่องยนต์ที่มักจะหมายถึงเครื่องยนต์จรวดที่เป็นของแข็ง
จรวดของเหลว (Liquid rockets) (หรือเครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงเหลว) ใช้เชื้อเพลิงเหลวจำนวนหนึ่งหรือมากกว่านั้นที่เก็บไว้ในถังก่อนที่จะมีการเผาไหม้
จรวดไฮบริด (Hybrid rockets) ที่มีเครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงที่เป็นของแข็งในห้องเผาไหม้และเป็นของเหลวที่สองหรือเครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงก๊าซจะถูกเพิ่มเติมเข้าไปและยอมให้มีการเผาไหม้มัน
จรวดความร้อน (Thermal rockets) คือ จรวดที่ถูกกระตุ้นด้วยแรงเฉื่อยจากความร้อน แต่เป็นความร้อนโดยใช้แหล่งพลังงานต่างๆ เช่นพลังงานแสงอาทิตย์หรือพลังงานนิวเคลียร์หรือการเปล่งลำพลังงานรังสี (beamed energy) อื่น ๆ
จรวดเชื้อเพลิงเดี่ยว (Monopropellant rockets) เป็นจรวดที่ใช้เพียงหนึ่งเชื้อเพลิง,  สลายตัวไปด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst)  เชื้อเพลิงเดี่ยวที่พบมากที่สุดคือไฮดราซีน (hydrazine) และไฮโดรเจนเพอร์ออกไซด์ (hydrogen peroxide)

หลักการทำงาน

เครื่องยนต์จรวดสร้างแรงขับดันโดยการเผาไหม้เชื้อเพลิงเหลวให้กลายเป็นของไหลไอเสียที่มีอัตราเร็วสูง ของเหลวนี้เกือบจะเป็นแก๊สได้ตลอดเวลา ซึ่งสร้างแรงดันสูง (10 – 200 บาร์) จากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงแข็งหรือเชื้อเพลิงเหลว อันประกอบไปด้วยส่วนประกอบของเชื้อเพลิงและตัวอ๊อกซิไดส์ (ตัวช่วยในการเผาไหม้) ภายในห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์
ของไหลไอเสียนั้นจะถูกส่งผ่านไปยังหัวฉีดแรงขับ  (propelling nozzle)ด้วยอัตราเร็วเหนือเสียงที่ใช้พลังงานความร้อนของก๊าซเพื่อเร่งไอเสียให้มีอัตราเร็วที่สูงมากและแรงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นนี้จะผลักดันเครื่องยนต์ไปในทิศทางตรงกันข้าม 
ในเครื่องยนต์จรวด อุณหภูมิและความดันสูงคือสิ่งที่ต้องการสูงสุดสำหรับสมรรถนะที่ดีที่ยอมให้มีหัวฉีดขนาดยาวได้ถูกติดตั้งเข้ากับเครื่องยนต์ ซึ่งจะให้ไอเสียที่มีอัตราเร็วสูงและมีค่าสัมประสิทธิ์ทางอุณหพลศาสตร์ที่ดีกว่า

การส่งเชื้อเพลิงขับดันสู่ห้องเผาไหม้

เชื้อเพลิงขับเคลื่อนจรวดคือ มวลสารที่ได้ถูกเก็บไว้ มักจะอยู่ในรูปแบบของถังเก็บเชื้อเพลิง ก่อนที่จะถูกพ่นออกมาจากเครื่องยนต์ในรูปแบบของเปลวไอพ่นซึ่งจะทำให้เกิดแรงผลักดัน
เชื้อเพลิงขับเคลื่อนจรวดเคมีเป็นสิ่งที่ถูกใช้กันโดยทั่วไปมากที่สุด ซึ่งต้องประสบสิ่งผิดปกติธรรมดากับปฏิกิริยาทางเคมีซึ่งจะสร้างแก๊สร้อนให้กับจรวดสำหรับแรงขับเคลื่อนตามที่ต้องการ
ทางเลือกหนึ่ง คือ มวลแห่งปฏิกิริยาความเฉื่อยทางเคมีสามารถสร้างให้เกิดความร้อนขึ้นได้โดยการใช้แหล่งกำเนิดกำลังพลังงานสูงโดยผ่านทางตัวแลกเปลี่ยนความร้อน และดังนั้นจึงไม่ต้องใช้งานห้องเผาไหม้แต่อย่างใด
เชื้อเพลิงของจรวดเชื้อเพลิงแข็งถูกตระเตรียมให้อยู่ในรูปของส่วนผสมของเชื้อเพลิงและตัวอ๊อกซิไดซ์เรียกว่า “เม็ด หรือ เมล็ดเชื้อเพลิง” (grain) และเชื้อเพลิงที่ถูกบรรจุไว้ภายในสิ่งหุ้มห่อนี้ได้กลายมาเป็นห้องเผาไหม้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ  จรวดเชื้อเพลิงเหลว จะใช้เครื่องปั๊มแยกส่วนกันระหว่างเชื้อเพลิงเหลวและตัวอ๊อกซิไดซ์ อันจะเป็นส่วนประกอบกันภายในห้องเผาไหม้ ที่ซึ่งพวกมันจะผสมรวมตัวกันและเกิดการเผาไหม้ เครื่องยนต์จรวดไฮบริด (Hybrid rocket engine) ใช้เชื้อเพลิงผสมกันระหว่างของแข็งและของเหลว หรือก๊าซ  ทั้งจรวดของเหลวและจรวดไฮบริด ใช้หัวจ่ายเชื้อเพลิงเป็นตัวจ่ายเชื้อเพลิงจรวดส่งผ่านไปสู่ห้องเผาไหม้  นี่คือพลังไอพ่น อย่างง่าย ๆ ที่มักจะทำให้เกิดช่องว่างทะลุผ่านซึ่งเชื้อเพลิงจะหลีกพ้นผ่านไปได้ภายใต้ความกดดัน แต่บางครั้งก็อาจจะมีปัญหาซับซ้อนมากกว่านั้น เมื่อหัวฉีดเชื้อเพลิงตั้งแต่สองอันหรือมากกว่านั้นมักจะเกิดการพุ่งมาชนกันของเชื้อเพลิงทำให้เกิดการเผาไหม้ได้ยาก ทางแก้คือ การทำให้หัวฉีด ๆ เชื้อเพลิงให้เป็นฝอยขนาดเล็กทำให้เผาไหม้ได้ง่ายขึ้น

หัวฉีดจรวด

ดูบทความหลัก : หัวฉีดเครื่องยนต์จรวด Rocket engine nozzle
รูปร่างลักษณะรูปทรงระฆังขนาดใหญ่หรือหัวฉีดที่มีรูปร่างทรงกรวยจะมีผลต่อการขยายตัวขณะเกิดการสันดาปของเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์จรวด
ในจรวด ก๊าซร้อนที่ผลิตได้ในห้องเผาไหม้จะได้รับอนุญาตที่จะหนีออกจากห้องเผาไหม้ผ่านช่องเปิด ("ลำคอ"),  ภายในหัวฉีดนั้น จะมีอัตราส่วนการขยายตัว 'เดลีวาล'  ที่สูง  (high expansion-ratio 'de Laval' nozzle)  
ความดันที่เพียงพอที่มีให้กับหัวฉีด (ประมาณ 2.5 ถึง 3 เท่าของบรรยากาศ) โช้กหัวฉีด (nozzle chokes) และเจ็ตความเร็วเหนือเสียงจะเกิดขึ้น,  ก๊าซจะถูกเร่งให้มีความเร็วอย่างรวดเร็ว, ส่วนใหญ่จะถูกแปลงจากพลังงานความร้อนให้กลายเป็นพลังงานจลน์
อัตราเร็วของไอเสียแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับอัตราส่วนการขยายตัวในหัวฉีดที่ถูกออกแบบขึ้น,  แต่อัตราเร็วของไอเสียสูงถึงสิบเท่าของอัตราเร็วเสียงในอากาศที่ระดับน้ำทะเล (speed of sound of sea level air) อย่างไม่ได้ผิดปกติแต่อย่างใด
ประมาณครึ่งหนึ่งของแรงผลักดันในเครื่องยนต์จรวดมาจากความดันที่ไม่สมดุลภายในห้องเผาไหม้และส่วนที่เหลือมาจากความดันที่กระทำอยู่ภายในหัวฉีด (ดูแผนภาพ)  โดยที่ก๊าซที่ขยายตัวออก เรียกว่า กระบวนการแอเดียแบติก (adiabatically) เกิดเป็นความดันที่กระทำกับผนังหัวฉีดของแรงในเครื่องยนต์จรวดในทิศทางหนึ่งขณะที่มีความเร่งของก๊าซในทิศทางอื่น ๆ

ความดันย้อนกลับและการขยายตัวที่ดีที่สุด

เพื่อสมรรถนะของเครื่องยนต์จรวดที่ดีที่สุด ความดันของก๊าซที่ปลายของหัวฉีดนั้นก็ควรจะเท่ากับความดันบรรยากาศ: ถ้าความดันไอเสียมีค่าต่ำกว่าความดันบรรยากาศ, แล้วยานพาหนะจะชะลอความเร็วลงจากความแตกต่างของความดันระหว่างด้านบนของเครื่องยนต์และทางออกของไอเสีย; ในอีกแง่หนึ่ง ถ้าความดันไอเสียมีค่าสูงกว่าแล้ว ความดันไอเสียที่ควรจะได้รับการแปลงเป็นแรงผลักดันจะไม่ถูกแปลงและพลังงานจะสูญเสียไปเปล่า
เพื่อรักษาอุดมคติของความเท่าเทียมกันระหว่างความดันไอเสียทางออกและความดันบรรยากาศนี้, เส้นผ่าศูนย์กลางของหัวฉีดจะต้องเพิ่มขึ้นตามระดับความสูงในชั้นบรรยากาศ, โดยการให้ความดันแก่หัวฉีดต่อไปอีก (และการลดความดันทางออกและอุณหภูมิลง) การเพิ่มขึ้นของเส้นผ่าศูนย์กลางของหัวฉีดนี้เป็นเรื่องยากจะจัดการให้อยู่ในรูปแบบลักษณะที่จะทำให้ตัวเครื่องยนต์นั้นมีน้ำหนักที่เบาได้ถึงแม้ว่าจะกระทำได้อย่างจำเจกับรูปแบบอื่น ๆ ของเครื่องยนต์เจ็ทก็ตาม ในวิทยาการที่เกี่ยวกับจรวด, หัวฉีดที่พอจะอนุโลมได้ว่ามีน้ำหนักเบานั้นโดยทั่วไปแล้วก็จะถูกนำมาใช้งานและก็โดยการลดประสิทธิภาพการทำงานในชั้นบรรยากาศบางอย่างลง ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อนำมาใช้ในงานอย่างอื่นนอกเหนือจาก ' การออกแบบตามระดับความสูง ' หรือเมื่อมีการผ่อนคันเร่ง

ประสิทธิภาพโดยรวมของเครื่องยนต์จรวด

เทคโนโลยีจรวดสามารถผสมผสานแรงผลักดันที่มีค่าสูงมากได้ (ขนาดเมกกะนิวตัน), ความเร็วไอเสียที่สูงมาก (ประมาณ 10 เท่าของความเร็วของเสียงในอากาศที่ระดับน้ำทะเล) และอัตราส่วนแรงผลักดัน/น้ำหนักที่มีค่าสูงมาก (> 100) พร้อม ๆ กันไปกับความสามารถในการทำงานนอกชั้นบรรยากาศได้, และในขณะที่อนุญาตให้ใช้ความดันต่ำและด้วยเหตุนี้จึงใช้ตัวถังและโครงสร้างที่มีน้ำหนักเบา
จรวดสามารถถูกปรับแต่งการทำงานเพิ่มเติมได้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานที่สุดขั้วได้มากยิ่งขึ้นตามจำนวนแนวแกนของจรวดขับดันที่ใช้ที่มีจำนวนหนึ่งแนวแกนหรือมากกว่านั้นโดยที่มีค่าใช้จ่ายที่เพิ่มมากขึ้นตามไปด้วยเป็นเงาตามตัว

แรงดลจำเพาะ

ตัวชี้วัดประสิทธิภาพของเครื่องยนต์จรวดที่สำคัญที่สุดคือ แรงดลต่อหน่วยของเชื้อเพลิงจรวด สิ่งนี้เรียกว่าแรงดลจำเพาะ (specific impulse) (มักเขียนเป็น ) นี้คือการวัดทั้งเป็นความเร็ว (ประสิทธิภาพความเร็วไอเสีย  เมตร/วินาที หรือ ฟุต/วินาที) หรือเป็นทั้งเวลา (วินาที)  เครื่องยนต์ที่ให้แรงดลจำเพาะได้มากนั้นโดยปกติแล้วจะเป็นสิ่งที่พึงปรารถนาอย่างมาก
แรงดลจำเพาะที่สามารถบรรลุฟังก์ชันการทำงานส่วนใหญ่ของเชื้อเพลิงจรวดผสม (และในที่สุดจะมาเป็นตัวจำกัดแรงดลจำเพาะเอง), แต่ข้อจำกัดในทางปฏิบัติเกี่ยวกับความดันในห้องเผาไหม้และอัตราส่วนการขยายตัวของหัวฉีดจะเป็นตัวลดสมรรถนะการทำงานของเครื่องยนต์ที่สามารถจะทำได้

Isp สุญญากาศ

เนื่องจากแรงดลจำเพาะมีความแตกต่างกันที่ความดัน, เป็นปริมาณที่ง่ายต่อการเปรียบเทียบและคำนวณที่จะเป็นประโยชน์ยิ่งขึ้น เพราะโช้คจรวดที่ตรงส่วนคอคอดและเพราะก๊าซไอเสียความเร็วเหนือเสียงจะช่วยป้องกันไม่ให้ความดันภายนอกมีอิทธิพลต่อการเดินทางสวนกระแสกับก๊าซไอเสีย

การบีบอัดก๊าซไอเสีย

จรวดสามารถบีบอัดก๊าซไอเสียได้ โดยการควบคุมอัตราการเผาไหม้เชื้อเพลิงจรวด  (มักจะวัดในหน่วยกิโลกรัม/วินาที หรือปอนด์/วินาที) ในจรวดเชื้อเพลิงเหลวและจรวดไฮบริด, เชื้อเพลิงจรวดจะไหลเข้าสู่ห้องเผาไหม้ที่มีการควบคุมโดยการใช้วาล์ว, ในจรวดเชื้อเพลิงแข็งมันจะถูกควบคุมโดยการเปลี่ยนแปลงพื้นที่ของเชื้อเพลิงจรวดที่ถูกเผาไหม้และนี่สามารถถูกออกแบบให้เป็นแบบเม็ดเชื้อเพลิงจรวด (propellant grain) (และด้วยเหตุนี้จึงไม่สามารถควบคุมได้ในแบบเรียลไทม์)

อัตราส่วนแรงขับดันต่อน้ำหนัก

ในเครื่องยนต์จรวด, มันคือทั้งหมดทุก ๆ อย่างของเครื่องยนต์เจ็ท โดยแท้ที่จริงแล้วจัดว่าเป็นธรรมชาติของเครื่องยนต์ทุก ๆ ชนิด, ที่จะมีอัตราส่วนของแรงผลักดันต่อน้ำหนักที่สูงที่สุด นี่คือหลักความจริงโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับเครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงเหลว

การระบายความร้อน

เพื่อเหตุผลสำหรับประสิทธิภาพของการทำงานและเพราะความสามารถทางกายภาพของตัวเครื่องยนต์เองอีกด้วย, จรวดจะทำงานด้วยอุณหภูมิการเผาไหม้ที่สามารถทนได้ถึงประมาณ 3500 เคลวิน (หรือ 3227 องศาเซลเซียส หรือ 5840 องศาฟาเรนไฮต์)
เครื่องยนต์เจ็ทอื่น ๆ ส่วนใหญ่ จะมีกังหันก๊าซเทอร์ไบน์ (gas turbine) ติดตั้งอยู่ภายในไอเสียร้อน  เนื่องจากพื้นที่ผิวที่มีขนาดใหญ่ขึ้น, มันก็มีความยากที่จะสามารถทำการระบายความร้อนออกไปได้มากขึ้นเป็นเงาตามตัว และด้วยเหตุนี้จึงมีความจำเป็นที่จะต้องดำเนินการกระบวนการเผาไหม้ที่อุณหภูมิต่ำกว่ามาก, ทำให้เกิดการสูญเสียประสิทธิภาพ  นอกจากนี้, เครื่องยนต์แบบใช้ท่อ (duct engine) ใช้อากาศเป็นตัวออกซิแดนท์ (oxidant) ซึ่งประกอบไปด้วยไนโตรเจนที่ไม่มีปฏิกิริยาถึงเกือบ 78% เป็นส่วนใหญ่

เสียงดังที่เกิดจากไอเสีย

เกิดขึ้นได้กับเครื่องยนต์จรวดทุก ๆ เครื่องแต่มีขนาดความดังของเสียงที่เบามาก, เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์ชนิดอื่น ๆ โดยทั่วไปที่มีระดับเสียงที่ดังกว่ามาก

ฟิสิกส์ไอพ่น

ขนนกจรวด (rocket plume) คือ "จรวดช่วยพยุง" หรือ จรวดขับดันขนาดเล็กสำหรับการช่วยพยุงน้ำหนักหรือช่วยขับเคลื่อนตัวจรวดหรือยานอวกาศให้เคลื่อนที่ไปมาได้ภายใต้ชั้นบรรยากาศในระดับต่ำ ๆ ใกล้พื้นผิวของดาวเคราะห์ดวงนั้น ๆ  ซึ่งจะมีความแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับเครื่องยนต์จรวดแต่ละเครื่อง, การออกแบบตามระดับความสูงในชั้นบรรยากาศ, ระดับความสูงในชั้นบรรยากาศ, แรงขับดันและปัจจัยอื่น ๆ อีก
ไอเสียที่อุดมไปด้วยคาร์บอนจากเชื้อเพลิงน้ำมันก๊าดมักจะมีสีส้มเนื่องจากการแผ่รังสีจากวัตถุดำ (black body radiation) ของอนุภาคที่ถูกเผาไหม้, นอกเหนือไปจากแถบหงส์ (Swan band) สีน้ำเงิน  เปอร์ออกไซด์ (Peroxide) นั้น เป็นตัวออกซิไดซ์ หรือ ตัวช่วยในการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงขั้นพื้นฐานที่สุดของจรวดและขนนกจรวดไฮโดรเจน (hydrogen rocket plume) อันประกอบด้วยไอน้ำ (steam) ซะเป็นส่วนใหญ่และเกือบจะมองไม่เห็นได้ด้วยตาเปล่า แต่เปล่งประกายสว่างเจิดจ้าได้ในรังสีอัลตราไวโอเลตและรังสีอินฟราเรด  ไอพ่นจากจรวดเชื้อเพลิงแข็ง (solid rocket) ที่เชื้อเพลิงของจรวดมักจะประกอบไปด้วยธาตุที่เป็นโลหะอย่างเช่น อะลูมิเนียม เมื่อเวลาที่เชื้อเพลิงนั้นถูกเผาไหม้แล้ว จะปรากฏให้เห็นเป็นเปลวไฟสีส้ม-ขาว สามารถมองเห็นด้วยตาเปล่าได้อย่างชัดเจน และยังช่วยเพิ่มพลังงานให้กับกระบวนการเผาไหม้ได้อีกด้วย