火箭发动机

火箭發動機是噴氣發動機的一種，將推進劑箱或運載工具內的反應物料（推進劑）變成高速射流，由於牛頓第三定律而產生推力。火箭發動機可用於太空飛行器推進，也可用於飛彈等地面應用。大部分火箭發動機都是內燃機，也有非燃燒形式的發動機。

工作原理

大部分發動機靠排出高溫高速尾氣來獲得推力，固體或液體推進劑（由氧化劑和燃料組成）在燃燒室中高壓（10-200 bar）燃燒產生尾氣。

向燃燒室供入推進劑

液體火箭通過泵將氧化劑和燃料分別泵入燃燒室，兩種推進劑成分在燃燒室混合併燃燒。而固體火箭的推進劑事先混合好放入儲存室，工作時儲存室就是燃燒室。固液混合火箭使用固體和液體混合的推進劑或氣體推進劑，也有使用高能電源將惰性反應物料送入熱交換機加熱，這就不需要燃燒室。
火箭推進劑在燃燒並排出產生推力前通常儲存在推進劑箱中。推進劑一般選用化學推進劑，在經歷放熱化學反應後產生高溫氣體用於火箭推進。

噴管

發動機的外形主要取決於膨脹噴管的外形：鐘罩形或錐形。在一個高膨脹比的漸縮漸闊噴管中，燃燒室產生的高溫氣體通過一個開孔（噴口）排出。
如果給噴管提供足夠高的壓力（高於圍壓的2.5至3倍），就會形成噴管阻流和超音速射流，大部分熱能轉化為動能，由此增加排氣的速度。在海平面，發動機排氣速度達到音速的十倍並不少見。
一部分火箭推力來自燃燒室內壓力的不平衡，但主要還是來自擠壓噴管內壁的壓力（如圖）。排出氣體膨脹（絕熱）時對內壁的壓力是火箭朝向一個方向運動，而尾氣向相反的方向。

反壓力和最佳膨脹

要獲得最佳性能，尾氣在噴管末端的壓力需要與圍壓相等。如果尾氣壓力小於圍壓，運載器就會因為發動機前端與末端的氣壓差而減速。而如果尾氣壓力大於圍壓，本該轉換成推力的尾氣壓力沒有轉換，能量被浪費。
為了維持尾氣壓力和圍壓的平衡，噴管直徑需要隨高度升高而增大，使尾氣有足夠長的距離作用於噴管，以降低壓力和溫度。而這增加了設計難度。實際設計中通常採用折衷的辦法，因而也犧牲了效率。有許多特殊噴管可以彌補這種缺陷，如塞式噴管、階狀噴管、擴散式噴管以及瓦形噴管。每種特殊噴管都能調整圍壓並讓尾氣在噴管中擴散更廣，在高空產生額外的推力。
當圍壓足夠低，如真空，就會出現一些問題：一個問題是噴管的剪重，在一些運載器中，噴管的重量也影響著發動機效率。第二個問題是尾氣在噴管中絕熱膨脹並冷卻，射流中某些化學物質會凝結產生「雪」，導致射流的不穩定，這是必須避免的。

發動機整體性能

火箭技術集合了高推力（百萬牛頓），高排氣速度（海平面音速的10倍），高推重比（>100）以及能在大氣層外工作的能力。而且往往可以通過削弱一種性能而使另一種性能更高。

比沖

衡量發動機性能的重要指標就是單位質量的推進劑產生的衝量，即比沖（通常寫作）。比沖可用速度（ 米每秒或英尺每秒）或時間（秒）度量。比沖大的發動機往往是性能極佳的。

節流

發動機可通過控制推進劑流量 （通常以kg/s或lb/s計）來達到節流的目的。
原則上，發動機可通過節流使出口壓力降至圍壓的三分之一（噴管流動分離）而上限可至發動機機械強制允許的最大值。
實際上發動機可節流的範圍要出入很大，但大部分火箭都可以輕易達到其機械上限，主要的限制因素就是燃燒穩定性。例如推進劑噴管需要一個最小壓力來避免引起破壞性振動（間歇性燃燒和燃燒不穩定），但噴管往往可以在更大的範圍內進行調整和測試。而且有必要保證噴管出口壓力不會低於圍壓太多，以避免流動分離問題。

能量效率

火箭發動機是一種效率極高的熱力發動機，產生高速射流，結果如同卡諾循環一樣產生高燃燒室溫度和高壓縮比。如果運載工具的速度達到或略微超過排氣速度（相對於運載器），那麼能量效率是很高的。而在零速度下，能量效率也為零。（所有噴氣推進都是如此）

機械問題

火箭燃燒室工作在高壓下，通常是10-200 bar （1--20 MPa），壓力越高，通常性能也越好（因為可以使用更高效的噴管） 。這使燃燒室外部處於很大的圓周應力之下。也由於高溫工作環境，結構材料的抗張強度顯著降低。

聲學問題

火箭發動機內的極端振動和聲學環境導致其峰值應力遠高於平均值，尤其是類風琴管共振和氣流擾動的問題。

排氣噪音

火箭發動機（特小型除外）比起其他發動機，其噪音十分大。特超音速尾氣與周圍空氣混合，形成衝擊波。衝擊波的聲音強度取決於火箭的尺寸。
農神五號發射時，在離其發射點很遠處的地震儀檢測了這一噪音。產生的聲音強度依賴於火箭尺寸和排氣速度。在現場聽到的衝擊波特徵音主要是爆裂音。這種噪音的峰值超過了傳音器和音頻電子設備的許可上限，因此在錄音或廣播音頻回放中這種噪音被削弱或消失了。大型火箭發射時的噪音可以直接致死周圍的人。 太空梭起飛時基地周圍的噪音超過200 dB(A)。
通常火箭在地面附近的噪音最大，因為噪音從羽流中輻射出去，並被地面反射。還有當運載器緩慢上升時，只有很少的推進劑能量轉換成運載器動能（ 有用功P轉移到運載器，F是推力，V是速度），因此大部分能量被分散到尾氣中，再與周圍空氣相互作用，產生噪音。這種噪音可通過有頂火焰隔離槽，向羽流噴水，偏轉羽流角度等方法消減。

試車

發動機在投產前通常要在火箭發動機試車台上進行靜態測試。對於高空發動機，則需要縮短噴管或在大型真空室中進行測試。

安全性

火箭給人的印象是不可靠、危險、災難性事故。軍事用途的火箭可靠性都很高。但火箭的一個主要非軍事用途：軌道發射，為了提高有效載荷重量就必須降低自重，而可靠性和降低自重是無法同時滿足的。而且如果運載器飛行次數很少，那麼由設計，操作或製造引發事故的概率就很高。其實現在所有運載器發射都是基於宇航標準資料下的飛行測試。
X-15火箭飛機的失誤率只有0.5%，只在一次地面測試中發生了故障。太空梭主發動機已在超過350次飛行中無事故發生。

化學問題

火箭推進劑要求使用高比能（能量每單位質量）物質，因為在理想情況下所有反省物質全部轉化為廢氣動能。除了不可避免的損失和發動機設計缺陷，不完全燃燒等因素
，根據熱力學定律，一部分能量轉化為分子的動能，無法產生推力。單原子氣體如氦氣只有三個自由度，相當於一個三維空間坐標 {x,y,z}，只有這種球形對稱分子沒有這種損失。二原子分子如H₂可以繞連接方向的軸和垂直這個方面的軸旋轉，按照統計力學的均分定律，有效能量會均分給各個自由度，因此這種分子在熱平衡中有3/5的能量轉化為單向運動，2/5轉化為旋轉運動。三原子分子如水分子有六個自由度。大多數化學反應都是第三種情況。噴管的功能就是將自由熱能轉化為單向分子運動產生推力，只要廢氣在膨脹時保持平衡狀態，擴散型噴管足夠大，而讓廢氣充分膨脹和冷卻，損失的旋轉能能最大限度地恢復為動能。
雖然推進劑比能起關鍵作用，低平均分子質量的反應產物在決定尾氣速度上作用依然明顯。因為發動機工作在極高溫度下，而溫度與分子能量成正比，一定溫度一定定量的能量分配給更多的低質量的分子最終可以獲得更高的尾氣速度。因此使用低原子質量元素更優。液氫（LH2）液氧（LOX或LO2）是目前廣泛使用的相對尾氣速度而言效率最高的推進劑。其他物質如硼，液態臭氧在理論上效率更高，但付諸使用任存在許多問題。

點火

點火可以採取多種途徑：火工裝藥，電漿體焰矩，電火花塞。一些燃料和氧化劑相遇燃燒，而對於非自燃燃料，可以在燃料管口填充自燃物質（俄羅斯發動機常用）。
對液體和固液混合火箭來說，推進劑進入燃燒室都必須立刻點火。液體推進劑進入燃燒室後點火延遲毫秒級時間，都會導致過量液體進入，點燃後產生的高溫氣體會超過燃燒室設計最大壓力，從而引起災難性後果。這叫做「硬啟動」。
氣體推進劑不會出現硬啟動，因為噴注口總面積小於噴管口面積，點火前即使燃燒室充滿氣體也不會形成高壓。固體推進劑通常使用一次性火工設備點燃。
點火後，燃燒室可以維持燃燒，點火器不再需要。發動機停機幾秒鐘後，燃燒室可以自動重點火。然而一旦燃燒室冷卻，許多發動機都不能再點火。

羽流物理

煤油的廢氣富含碳，根據其發射譜線羽流呈橙色。基於過氧化物氧化劑和氫燃料的火箭的羽流大部分是水蒸汽，肉眼幾乎不可見，但在紫外線和紅外線視野中呈亮色。固體火箭推進劑含有金屬元素如鋁，其燃燒發白光，因此其羽流高度可見。一些廢氣，尤其是酒精燃料的羽流呈鑽石型激波。
火箭的羽流形狀取決於設計高度，高度推力及其他因素。在高空所有火箭尾焰都呈超過度膨脹狀態，並在尾部收束。

火箭發動機歷史

據羅馬作家格利烏斯所述，公元前400年，一位名叫阿爾希塔斯的希臘畢達哥拉斯信徒用蒸汽推動一隻木鳥沿線前行。 然而因推力不足而無法離地。
公元一世紀古希臘人製造了汽轉球，實際由一台固定在軸承上的熱水發動機組成，它的誕生早於工業革命近兩千年。顯然汽轉球更像一個玩具，其原理是以蒸汽產生噴射動力，而其真正的價值數千年間都沒有被發掘。
使用黑火藥發射物體成為後來固體火箭的先驅，九世紀中國的道士在煉製長生不老藥中無意發明了火藥，這項意外發明導致世界上第一種離地火箭發動機「火炮」（震天雷之類）的誕生。
火箭發動機亦被邁索爾國王蒂普蘇丹引入使用。這些火箭尺寸不同，但都含有一個軟鍛鐵製造的管道，一端封閉，8英寸長，直徑1--3英寸。綁在一根4英尺長的竹筒上。鐵筒當做燃燒室並裝有約1磅火藥，可發射至千米遠處。此種「火箭」配上箭簇在離地幾米的空中做長距離飛行後刺向敵人。當時在對付英帝國時非常有效。
20世紀前，火箭技術都發展緩慢，直到康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基在他的著作中首次提到了液體燃料火箭。而將之變為現實應該歸功於羅伯特·戈達德，在他將漸縮漸闊噴管首次用於火箭，這加倍了推力並使工作效率成倍提高。
分級燃燒循環是阿列克謝· 伊薩耶夫在1949年首次提出的，伊薩耶夫的前助理梅爾尼科夫設計的用於蘇聯行星火箭的S1.5400發動機首次採用了這種循環。幾乎在同時，（1959年） 尼古拉· 庫茲涅佐夫開始為科羅廖夫的軌道洲際飛彈GR-1設計閉合循環發動機NK-9。庫茲涅佐夫後來根據此方案設計了工作在N1火箭上的NK-15和NK-33。在西方，首台實驗室分級燃燒發動機是由德國工程師路德維希·伯爾科（Ludwig Boelkow）於1963年製造的。
液氫發動機是首先在美國研製成功的，即在1962年試飛成功的RL-10。液氫發動機也成功服務於阿波羅計劃。
太空梭主發動機是目前在使用的比沖最高的發動機。