Πυραυλοκινητήρας

Ο **πυραυλοκινητήρας** είναι ένας κινητήρας αντίδρασης, ο οποίος παράγει ώση σύμφωνα με τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα, εκτοξεύοντας **μάζα αντίδρασης** προς τα πίσω. Αυτή η μάζα είναι συνήθως ένας πίδακας αερίου υψηλής ταχύτητας και θερμοκρασίας, ο οποίος παράγεται από την καύση προωθητικών υλικών που αποθηκεύονται στο εσωτερικό του πυραύλου. Ωστόσο, υπάρχουν και μορφές χωρίς καύση, όπως οι προωθητές ψυχρού αερίου και οι πυρηνικοί θερμικοί πύραυλοι. Τα πυραυλοκίνητα οχήματα μεταφέρουν το δικό τους οξειδωτικό, σε αντίθεση με τους περισσότερους κινητήρες καύσης, επομένως οι πυραυλοκινητήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο κενό και να επιτύχουν μεγάλες ταχύτητες, πέρα από την **[[ταχύτητα διαφυγής]]**. Οχήματα που προωθούνται συνήθως από πυραυλοκινητήρες περιλαμβάνουν βλήματα, βλήματα πυροβολικού, βαλλιστικούς πυραύλους, πυροτεχνήματα και διαστημόπλοια.

Σε σύγκριση με άλλους τύπους κινητήρων τζετ, οι πυραυλοκινητήρες είναι οι ελαφρύτεροι και έχουν την υψηλότερη ώση, αλλά είναι οι λιγότερο αποδοτικοί ως προς την κατανάλωση προωθητικού (έχουν τη χαμηλότερη ειδική ώση). Στους θερμικούς πυραύλους, το καθαρό υδρογόνο (το ελαφρύτερο από όλα τα στοιχεία) δίνει την υψηλότερη ταχύτητα εξαγωγής, αλλά οι πρακτικοί χημικοί πύραυλοι παράγουν ένα μείγμα βαρύτερων στοιχείων, μειώνοντας την ταχύτητα αυτή.

## Ορολογία
Στο παρόν κείμενο, ο όρος «πύραυλος» χρησιμοποιείται συχνά ως συντομογραφία για τον «πυραυλοκινητήρα».

Οι **θερμικοί πύραυλοι** χρησιμοποιούν ένα αδρανές προωθητικό, το οποίο θερμαίνεται από ηλεκτρισμό (ηλεκτροθερμική προώθηση) ή από έναν πυρηνικό αντιδραστήρα.

Οι **χημικοί πύραυλοι** τροφοδοτούνται από εξώθερμες αντιδράσεις οξειδοαναγωγής του προωθητικού:

* **Πύραυλοι στερεού καυσίμου** (ή κινητήρες στερεού προωθητικού): Χημικοί πύραυλοι που χρησιμοποιούν προωθητικό σε στερεά κατάσταση.
* **Πύραυλοι υγρού προωθητικού:** Χρησιμοποιούν ένα ή περισσότερα προωθητικά σε υγρή κατάσταση, τα οποία τροφοδοτούνται από δεξαμενές.
* **Υβριδικοί πύραυλοι:** Χρησιμοποιούν ένα στερεό προωθητικό στον θάλαμο καύσης, στο οποίο προστίθεται ένα δεύτερο υγρό ή αέριο οξειδωτικό για να επιτραπεί η καύση.
* **Μονοπροωθητικοί πύραυλοι:** Χρησιμοποιούν ένα μόνο προωθητικό το οποίο αποσυντίθεται μέσω ενός καταλύτη. Τα πιο κοινά μονοπροωθητικά είναι η υδραζίνη και το υπεροξείδιο του υδρογόνου.

## Αρχή λειτουργίας

Οι πυραυλοκινητήρες παράγουν ώση μέσω της εκβολής ενός ρευστού εξαγωγής, το οποίο έχει επιταχυνθεί σε υψηλή ταχύτητα μέσα από ένα **προωθητικό ακροφύσιο**. Το ρευστό είναι συνήθως ένα αέριο που δημιουργείται από την καύση υπό υψηλή πίεση (10 έως 300 bar) στερεών ή υγρών προωθητικών, τα οποία αποτελούνται από καύσιμο και οξειδωτικό, εντός ενός θαλάμου καύσης. Καθώς τα αέρια διαστέλλονται μέσω του ακροφυσίου, επιταχύνονται σε πολύ υψηλή (υπερηχητική) ταχύτητα, και η αντίδραση σε αυτό ωθεί το όχημα προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Η καύση χρησιμοποιείται συχνότερα στους πρακτικούς πυραύλους, καθώς οι νόμοι της θερμοδυναμικής (συγκεκριμένα το Θεώρημα του Καρνό) επιτάσσουν ότι οι υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις είναι επιθυμητές για την καλύτερη θερμική απόδοση. Οι πυρηνικοί θερμικοί πύραυλοι έχουν τη δυνατότητα για υψηλότερες αποδόσεις, αλλά παρουσιάζουν χαμηλή ώση λόγω της χαμηλής μάζας των προωθητικών που χρησιμοποιούνται, καθώς και περιβαλλοντικά προβλήματα που αποκλείουν τη συνήθη χρήση τους εντός της ατμόσφαιρας της Γης.

Για τον πυραυλομοντελισμό, μια εναλλακτική λύση αντί της καύσης είναι ο **πύραυλος νερού**, ο οποίος συμπιέζεται από πεπιεσμένο αέρα, διοξείδιο του άνθρακα, άζωτο ή οποιοδήποτε άλλο διαθέσιμο αδρανέ αέριο.

## Προωθητικό
Το προωθητικό του πυραύλου είναι μάζα που αποθηκεύεται, συνήθως σε κάποια μορφή δεξαμενής ή μέσα στον ίδιο τον θάλαμο καύσης, προτού εκτοξευθεί από έναν πυραυλοκινητήρα με τη μορφή πίδακα ρευστού για την παραγωγή ώσης.

Τα χημικά προωθητικά πυραύλων είναι τα πλέον συχνά χρησιμοποιούμενα. Αυτά υφίστανται εξώθερμες χημικές αντιδράσεις παράγοντας έναν θερμό πίδακα αερίου για προώθηση. Εναλλακτικά, μια χημικά αδρανής **μάζα αντίδρασης** μπορεί να θερμανθεί από μια πηγή ισχύος υψηλής ενέργειας μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας αντί για θάλαμο καύσης.

Τα προωθητικά των **στερεών πυραύλων** παρασκευάζονται ως ένα μείγμα καυσίμου και οξειδωτικών συστατικών που ονομάζεται «γόμωση» (grain), και το περίβλημα αποθήκευσης του προωθητικού γίνεται ουσιαστικά ο θάλαμος καύσης.

## Έγχυση
Οι **πύραυλοι υγρού προωθητικού** ωθούν ξεχωριστά το καύσιμο και το οξειδωτικό στον θάλαμο καύσης, όπου αναμιγνύονται και καίγονται. Οι **υβριδικοί πυραυλοκινητήρες** χρησιμοποιούν έναν συνδυασμό στερεών και υγρών ή αέριων προωθητικών. Τόσο οι πύραυλοι υγρού όσο και οι υβριδικοί πύραυλοι χρησιμοποιούν *εγχυτήρες* (injectors) για την εισαγωγή του προωθητικού στον θάλαμο. Αυτοί είναι συχνά μια διάταξη απλών οπών (μπεκ) μέσω των οποίων το προωθητικό διαφεύγει υπό πίεση, αλλά μερικές φορές μπορεί να είναι πιο περίπλοκα ακροφύσια ψεκασμού. Όταν εγχέονται δύο ή περισσότερα προωθητικά, οι πίδακες συνήθως προκαλούν σκόπιμα τη σύγκρουση των προωθητικών, καθώς αυτό διασπά τη ροή σε μικρότερα σταγονίδια που καίγονται πιο εύκολα.

## Θάλαμος καύσης
Για τους χημικούς πυραύλους, ο θάλαμος καύσης είναι συνήθως κυλινδρικός και δεν απαιτούνται «συγκρατητές φλόγας» (flame holders) που χρησιμοποιούνται για τη διατήρηση μέρους της καύσης σε ένα τμήμα βραδύτερης ροής. Οι διαστάσεις του κυλίνδρου είναι τέτοιες ώστε το προωθητικό να μπορεί να καεί πλήρως. Διαφορετικά προωθητικά απαιτούν διαφορετικά μεγέθη θαλάμου καύσης για να επιτευχθεί αυτό.

Αυτό οδηγεί σε έναν αριθμό που ονομάζεται L^*, το **χαρακτηριστικό μήκος**:
:L^* = \frac {V_c} {A_t}
όπου:
* V_c είναι ο όγκος του θαλάμου
* A_t είναι η επιφάνεια του λαιμού του ακροφυσίου.
Το L^* κυμαίνεται συνήθως στην περιοχή των 64–152 εκατοστών.

Οι θερμοκρασίες και οι πιέσεις που επιτυγχάνονται συνήθως σε έναν θάλαμο καύσης πυραύλου προκειμένου να επιτευχθεί πρακτική **θερμική απόδοση** είναι ακραίες σε σύγκριση με έναν αεροστροβιλοκινητήρα χωρίς μετάκαυση. Δεν υπάρχει ατμοσφαιρικό άζωτο για να αραιώσει και να ψύξει την καύση, επομένως το μείγμα προωθητικό μπορεί να φτάσει σε πραγματικές **στοιχειομετρικές** αναλογίες. Αυτό, σε συνδυασμό με τις υψηλές πιέσεις, σημαίνει ότι ο ρυθμός αγωγής θερμότητας μέσω των τοιχωμάτων είναι πολύ υψηλός.

Προκειμένου το καύσιμο και το οξειδωτικό να ρέουν στον θάλαμο, η πίεση των προωθητικών που εισέρχονται στον θάλαμο καύσης πρέπει να υπερβαίνει την πίεση στο εσωτερικό του ίδιου του θαλάμου. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με διάφορες σχεδιαστικές προσεγγίσεις, συμπεριλαμβανομένων των **στροβιλοαντλιών** (turbopumps) ή, σε απλούστερους κινητήρες, μέσω επαρκούς πίεσης δεξαμενής (pressure-fed) για την προώθηση της ροής του ρευστού. Η πίεση της δεξαμενής μπορεί να διατηρηθεί με διάφορα μέσα, συμπεριλαμβανομένου ενός συστήματος πίεσης ηλίου υψηλής πίεσης, κοινό σε πολλούς μεγάλους πυραυλοκινητήρες, ή σε ορισμένα νεότερα πυραυλικά συστήματα, με την εξαέρωση αερίου υψηλής πίεσης από τον κύκλο του κινητήρα για την **αυτογενή πίεση** των δεξαμενών προωθητικού.Για παράδειγμα, το σύστημα αυτοπίεσης αερίου του SpaceX Starship αποτελεί κρίσιμο μέρος της στρατηγικής της SpaceX για τη μείωση των ρευστών του οχήματος εκτόξευσης από πέντε στην οικογένεια Falcon 9 σε μόλις δύο στο Starship, εξαλείφοντας όχι μόνο το ήλιο αλλά και όλα τα αυτοαναφλεγόμενα (hypergolic) προωθητικά καθώς και το άζωτο για τους προωθητές του συστήματος ελέγχου αντίδρασης (RCS).

## Ακροφύσιο

Το θερμό αέριο που παράγεται στον θάλαμο καύσης διαφεύγει μέσω ενός στενού περάσματος, που ονομάζεται **λαιμός** (throat), προκειμένου να αυξηθεί η ταχύτητά του μέχρι να φτάσει τα Mach 1. Στη συνέχεια, διέρχεται από ένα αποκλίνον τμήμα εκτόνωσης. Όταν παρέχεται επαρκής πίεση στο ακροφύσιο (περίπου 2,5–3 φορές την πίεση περιβάλλοντος), η ροή στο ακροφύσιο «στραγγαλίζεται» (chokes) και σχηματίζεται ένας υπερηχητικός πίδακας, ο οποίος επιταχύνει δραματικά το αέριο, μετατρέποντας το μεγαλύτερο μέρος της θερμικής ενέργειας σε κινητική ενέργεια. Οι ταχύτητες εξαγωγής ποικίλλουν ανάλογα με τον **λόγο εκτόνωσης** για τον οποίο έχει σχεδιαστεί το ακροφύσιο, αλλά δεν είναι ασυνήθιστες ταχύτητες εξαγωγής έως και δέκα φορές υψηλότερες από την ταχύτητα του ήχου στον αέρα σε επίπεδο θάλασσας. Περίπου η μισή ώση του πυραυλοκινητήρα προέρχεται από τις μη ισορροπημένες πιέσεις στο εσωτερικό του θαλάμου καύσης και η υπόλοιπη από τις πιέσεις που ασκούνται στο εσωτερικό του ακροφυσίου. Καθώς το αέριο διαστέλλεται (αδιαβατικά), η πίεση στα τοιχώματα του ακροφυσίου ωθεί τον πυραυλοκινητήρα προς μία κατεύθυνση, ενώ επιταχύνει το αέριο προς την άλλη.

Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο ακροφύσιο είναι το **ακροφύσιο de Laval**, ένα ακροφύσιο σταθερής γεωμετρίας με υψηλό λόγο εκτόνωσης. Η μεγάλη επέκταση του ακροφυσίου σε σχήμα καμπάνας ή κώνου μετά τον λαιμό δίνει στον πυραυλοκινητήρα το χαρακτηριστικό του σχήμα.

Η στατική πίεση εξόδου του πίδακα καυσαερίων εξαρτάται από την πίεση του θαλάμου και τον λόγο της επιφάνειας εξόδου προς την επιφάνεια του λαιμού του ακροφυσίου. Καθώς η πίεση εξόδου διαφέρει από την πίεση του περιβάλλοντος (ατμοσφαιρική), ένα στραγγαλισμένο ακροφύσιο λέγεται ότι είναι:
* **Υπο-εκτονωμένο** (under-expanded): η πίεση εξόδου είναι μεγαλύτερη από την πίεση περιβάλλοντος.
* **Τέλεια εκτονωμένο** (perfectly expanded): η πίεση εξόδου είναι ίση με την πίεση περιβάλλοντος.
* **Υπερ-εκτονωμένο** (over-expanded): η πίεση εξόδου είναι μικρότερη από την πίεση περιβάλλοντος (σχηματίζονται διαμάντια κρούσης έξω από το ακροφύσιο).
* **Έντονα υπερ-εκτονωμένο** (grossly over-expanded): σχηματίζεται ένα κρουστικό κύμα στο εσωτερικό της επέκτασης του ακροφυσίου.

Στην πράξη, η τέλεια εκτόνωση είναι επιτεύξιμη μόνο με ακροφύσιο μεταβλητής διατομής εξόδου (καθώς η πίεση περιβάλλοντος μειώνεται με την αύξηση του υψομέτρου) και δεν είναι δυνατή πάνω από ένα ορισμένο υψόμετρο, καθώς η πίεση περιβάλλοντος προσεγγίζει το μηδέν. Εάν το ακροφύσιο δεν είναι τέλεια εκτονωμένο, παρατηρείται απώλεια απόδοσης. Τα έντονα υπερ-εκτονωμένα ακροφύσια χάνουν λιγότερη απόδοση, αλλά μπορεί να προκαλέσουν μηχανικά προβλήματα στο ακροφύσιο. Τα ακροφύσια σταθερής επιφάνειας γίνονται προοδευτικά ολοένα και πιο υπο-εκτονωμένα καθώς αυξάνεται το υψόμετρο. Σχεδόν όλα τα ακροφύσια de Laval θα είναι στιγμιαία έντονα υπερ-εκτονωμένα κατά την εκκίνηση εντός της ατμόσφαιρας.

Η απόδοση του ακροφυσίου επηρεάζεται από τη λειτουργία στην ατμόσφαιρα επειδή η ατμοσφαιρική πίεση μεταβάλλεται με το υψόμετρο. Ωστόσο, λόγω των υπερηχητικών ταχυτήτων του αερίου που εξέρχεται από έναν πυραυλοκινητήρα, η πίεση του πίδακα μπορεί να είναι είτε χαμηλότερη είτε υψηλότερη από την πίεση περιβάλλοντος, και η ισορροπία μεταξύ των δύο δεν επιτυγχάνεται σε όλα τα υψόμετρα.

#### Αντιπίεση και βέλτιστη εκτόνωση
Για βέλτιστη απόδοση, η πίεση του αερίου στην έξοδο του ακροφυσίου πρέπει να είναι ακριβώς ίση με την πίεση του περιβάλλοντος. Εάν η πίεση των καυσαερίων είναι χαμηλότερη από την πίεση περιβάλλοντος, τότε το όχημα θα επιβραδυνθεί από τη διαφορά πίεσης μεταξύ του επάνω μέρους του κινητήρα και της εξόδου. Από την άλλη πλευρά, εάν η πίεση εξόδου είναι υψηλότερη, τότε η πίεση που θα μπορούσε να είχε μετατραπεί σε ώση δεν αξιοποιείται και η ενέργεια σπαταλάται.

Για να διατηρηθεί αυτή η ιδανική ισότητα μεταξύ της πίεσης εξόδου και της πίεσης περιβάλλοντος, η διάμετρος του ακροφυσίου θα έπρεπε να αυξάνεται ανάλογα με το υψόμετρο, δίνοντας στην πίεση ένα μακρύτερο ακροφύσιο για να δράσει (μειώνοντας ταυτόχρονα την πίεση και τη θερμοκρασία εξόδου). Αυτή η αύξηση είναι δύσκολο να επιτευχθεί με ελαφρύ τρόπο, αν και γίνεται τακτικά σε άλλους τύπους κινητήρων τζετ. Στην πυραυλική, χρησιμοποιείται γενικά ένα ελαφρύ ακροφύσιο «συμβιβασμού» και παρατηρείται κάποια μείωση της ατμοσφαιρικής απόδοσης όταν χρησιμοποιείται σε υψόμετρο διαφορετικό από το «υψόμετρο σχεδιασμού» ή κατά τη ρύθμιση της ισχύος (throttling). Για τη βελτίωση αυτού, έχουν προταθεί διάφορα εξωτικά σχέδια ακροφυσίων, όπως το **ακροφύσιο με βύσμα** (plug nozzle), τα **κλιμακωτά ακροφύσια** (stepped nozzles), το **επεκτεινόμενο ακροφύσιο** και ο **κινητήρας aerospike**, καθένα από τα οποία παρέχει έναν τρόπο προσαρμογής στη μεταβαλλόμενη ατμοσφαιρική πίεση.

Όταν η εκτόνωση γίνεται σε πολύ χαμηλή πίεση περιβάλλοντος (κενό), προκύπτουν αρκετά ζητήματα. Το ένα είναι το καθαρό βάρος του ακροφυσίου — πέρα από ένα ορισμένο σημείο, το επιπλέον βάρος αντισταθμίζει οποιοδήποτε κέρδος στην απόδοση. Δεύτερον, καθώς τα καυσαέρια εκτονώνονται αδιαβατικά μέσα στο ακροφύσιο, ψύχονται και τελικά ορισμένες χημικές ουσίες μπορεί να παγώσουν, παράγοντας «χιόνι» μέσα στον πίδακα. Αυτό προκαλεί αστάθειες και πρέπει να αποφεύγεται.

Σε ένα ακροφύσιο De Laval, η αποκόλληση της ροής των καυσαερίων θα συμβεί σε ένα έντονα υπερ-εκτονωμένο ακροφύσιο. Καθώς το σημείο αποκόλλησης δεν θα είναι ομοιόμορφο γύρω από τον άξονα του κινητήρα, μπορεί να ασκηθεί μια πλευρική δύναμη στον κινητήρα, οδηγώντας σε προβλήματα ελέγχου του οχήματος εκτόξευσης.

Προηγμένα σχέδια **αντιστάθμισης υψομέτρου**, όπως ο κινητήρας aerospike, προσπαθούν να ελαχιστοποιήσουν τις απώλειες απόδοσης προσαρμόζοντας τον λόγο εκτόνωσης ανάλογα με το μεταβαλλόμενο υψόμετρο.

### Αποδοτικότητα προωθητικού

Για να είναι ένας πυραυλοκινητήρας αποδοτικός ως προς το προωθητικό, είναι σημαντικό να δημιουργούνται οι μέγιστες δυνατές πιέσεις στα τοιχώματα του θαλάμου και του ακροφυσίου από μια συγκεκριμένη ποσότητα προωθητικού, καθώς αυτή είναι η πηγή της ώσης. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί μέσω:

* Της θέρμανσης του προωθητικού στην υψηλότερη δυνατή θερμοκρασία (χρησιμοποιώντας καύσιμα υψηλής ενέργειας που περιέχουν υδρογόνο και άνθρακα, ή μερικές φορές μέταλλα όπως το αλουμίνιο, ή ακόμη και με χρήση πυρηνικής ενέργειας).
* Της χρήσης αερίου χαμηλής ειδικής πυκνότητας (όσο το δυνατόν πιο πλούσιο σε υδρογόνο).
* Της χρήσης προωθητικών που είναι, ή αποσυντίθενται σε, απλά μόρια με λίγους βαθμούς ελευθερίας για τη μεγιστοποίηση της μεταφορικής ταχύτητας.

Η ταχύτητα με την οποία το προωθητικό εγκαταλείπει τον θάλαμο είναι η **ταχύτητα εξαγωγής**. Μετά τις διορθώσεις για παράγοντες που μπορούν να τη μειώσουν, η **πραγματική ταχύτητα εξαγωγής** είναι μία από τις πιο σημαντικές παραμέτρους ενός πυραυλοκινητήρα.

Για αεροδυναμικούς λόγους, η ροή γίνεται ηχητική («στραγγαλίζεται») στο στενότερο μέρος του ακροφυσίου, τον «λαιμό». Επειδή η ταχύτητα του ήχου στα αέρια αυξάνεται με την τετραγωνική ρίζα της θερμοκρασίας, η χρήση θερμών καυσαερίων βελτιώνει σημαντικά την απόδοση. Ενδεικτικά, σε θερμοκρασία δωματίου η ταχύτητα του ήχου στον αέρα είναι περίπου 340 m/s, ενώ στα θερμά αέρια ενός πυραυλοκινητήρα μπορεί να ξεπεράσει τα 1700 m/s. 

Η εκτόνωση στο ακροφύσιο πολλαπλασιάζει περαιτέρω την ταχύτητα, συνήθως μεταξύ 1,5 και 2 φορές, παράγοντας έναν υπερηχητικό πίδακα. Η αύξηση της ταχύτητας καθορίζεται κυρίως από τον λόγο εκτόνωσης της επιφάνειας — τον λόγο της επιφάνειας εξόδου προς την επιφάνεια του λαιμού. Ακροφύσια με μεγαλύτερο λόγο είναι πιο βαριά, αλλά μπορούν να εξαγάγουν περισσότερη θερμότητα από τα αέρια καύσης, αυξάνοντας την ταχύτητα εξαγωγής.

### Κατεύθυνση ώσης (Thrust vectoring)
Τα οχήματα συνήθως απαιτούν την αλλαγή της κατεύθυνσης της συνολικής ώσης κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του κινητήρα. Έχουν χρησιμοποιηθεί διάφοροι τρόποι για να επιτευχθεί αυτό:

* Ολόκληρος ο κινητήρας είναι τοποθετημένος σε μια άρθρωση ή **ανάρτηση gimbal** (gimbal), και οι γραμμές τροφοδοσίας προωθητικού φτάνουν στον κινητήρα μέσω εύκαμπτων σωλήνων χαμηλής πίεσης ή περιστροφικών συνδέσμων.
* Μόνο ο θάλαμος καύσης και το ακροφύσιο αναρτώνται σε gimbal, ενώ οι αντλίες παραμένουν σταθερές και οι τροφοδοσίες υψηλής πίεσης συνδέονται στον κινητήρα.
* Χρησιμοποιούνται πολλαπλοί κινητήρες (συχνά υπό ελαφρά γωνία), αλλά η ισχύς τους ρυθμίζεται (throttling) για να δώσουν το επιθυμητό συνολικό διάνυσμα, με πολύ μικρή απώλεια απόδοσης.
* Πτερύγια ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες προεξέχουν μέσα στα καυσαέρια και μπορούν να πάρουν κλίση για να εκτρέψουν τον πίδακα.

## Συνολική απόδοση
Η τεχνολογία των πυραύλων μπορεί να συνδυάζει ταυτόχρονα πολύ υψηλή ώση (σε μεγα-νιούτον), πολύ υψηλές ταχύτητες εξαγωγής (περίπου 10 φορές την ταχύτητα του ήχου στον αέρα σε επίπεδο θάλασσας) και πολύ υψηλούς λόγους ώσης προς βάρος (>100), ενώ παράλληλα επιτρέπει τη λειτουργία εκτός ατμόσφαιρας και τη χρήση ελαφρών δομών και δεξαμενών χαμηλής πίεσης.

### Ειδική ώση
Το πιο σημαντικό μέτρο για την αποδοτικότητα ενός πυραυλοκινητήρα είναι η ορμή ανά μονάδα προωθητικού, η οποία ονομάζεται **ειδική ώση** (συνήθως γράφεται ως I_{sp}). Αυτή μετράται είτε ως ταχύτητα (η *πραγματική ταχύτητα εξαγωγής* v_{e} σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο) είτε ως χρόνος (δευτερόλεπτα). 

Για παράδειγμα, εάν ένας κινητήρας που παράγει ώση 100 λιβρών λειτουργεί για 320 δευτερόλεπτα και καταναλώνει 100 λίβρες προωθητικού, τότε η ειδική ώση είναι 320 δευτερόλεπτα. Όσο υψηλότερη είναι η ειδική ώση, τόσο λιγότερο προωθητικό απαιτείται για την παροχή της επιθυμητής ώθησης. Η επιτεύξιμη ειδική ώση εξαρτάται κυρίως από το μείγμα των προωθητικών, αλλά οι πρακτικοί περιορισμοί στις πιέσεις του θαλάμου και στους λόγους εκτόνωσης του ακροφυσίου μειώνουν την τελική απόδοση.

### Καθαρή ώση
Παρακάτω παρατίθεται μια κατά προσέγγιση εξίσωση για τον υπολογισμό της καθαρής ώσης ενός πυραυλοκινητήρα:

:F_n = \dot{m} v_{e} = \dot{m} v_{e-opt} + A_{e}(p_{e} - p_{amb})

Όπου:
* \dot{m} = ρυθμός ροής μάζας καυσαερίων
* v_{e} = πραγματική ταχύτητα εξαγωγής
* v_{e-opt} = πραγματική ταχύτητα πίδακα όταν p_{amb} = p_{e}
* A_{e} = επιφάνεια ροής στο επίπεδο εξόδου του ακροφυσίου
* p_{e} = στατική πίεση στο επίπεδο εξόδου του ακροφυσίου
* p_{amb} = πίεση περιβάλλοντος (ατμοσφαιρική)

Σε αντίθεση με έναν κινητήρα τζετ, ένας συμβατικός πυραυλοκινητήρας δεν διαθέτει εισαγωγή αέρα, επομένως δεν υπάρχει «αντίσταση κρούσης» (ram drag) που πρέπει να αφαιρεθεί από τη συνολική ώση. Κατά συνέπεια, η καθαρή ώση ενός πυραυλοκινητήρα είναι ίση με τη συνολική ώση (εκτός από τη στατική αντιπίεση).

Ο όρος \dot{m} v_{e-opt} αντιπροσωπεύει την ώση ορμής, η οποία παραμένει σταθερή για μια δεδομένη ρύθμιση ισχύος, ενώ ο όρος A_{e}(p_{e} - p_{amb}) αντιπροσωπεύει την ώση πίεσης. Σε πλήρη ισχύ, η καθαρή ώση βελτιώνεται ελαφρώς με την αύξηση του υψομέτρου, επειδή καθώς η ατμοσφαιρική πίεση μειώνεται, ο όρος της ώσης πίεσης αυξάνεται. Στην επιφάνεια της Γης, η ώση πίεσης μπορεί να μειωθεί έως και 30%, ανάλογα με τον σχεδιασμό του κινητήρα.

Η μέγιστη απόδοση επιτυγχάνεται όταν p_{e} = p_{amb}. Δεδομένου ότι η πίεση περιβάλλοντος μεταβάλλεται με το υψόμετρο, οι περισσότεροι πυραυλοκινητήρες λειτουργούν ελάχιστα στην αιχμή της απόδοσής τους.

### Ειδική ώση στο κενό (Vacuum I<sub>sp</sub>)
Λόγω του ότι η ειδική ώση μεταβάλλεται ανάλογα με την πίεση, είναι χρήσιμο να υπάρχει μια ποσότητα που να είναι εύκολο να συγκριθεί και να υπολογιστεί. Επειδή οι πύραυλοι παρουσιάζουν «στραγγαλισμένη ροή» στον λαιμό, αποδεικνύεται ότι η πίεση στην έξοδο είναι ιδανικά ακριβώς ανάλογη με τη ροή του προωθητικού \dot{m}, υπό την προϋπόθεση ότι οι αναλογίες μείγματος και οι αποδόσεις καύσης διατηρούνται σταθερές. Έτσι, είναι σύνηθες να αναδιατάσσεται ελαφρώς η παραπάνω εξίσωση: Βλέπε Εξίσωση 3-33.

:F_{vac} = C_f \dot{m} c^*

Και έτσι ορίζεται η «ειδική ώση στο κενό» (vacuum Isp) ως:

:v_{evac} = C_f c^*

Όπου:
* c^* = η χαρακτηριστική ταχύτητα του θαλάμου καύσης.
* C_f = ο συντελεστής ώσης του ακροφυσίου (συνήθως περίπου 2).

Κατά συνέπεια:
:F_n = \dot{m} v_{evac} - A_{e} p_{amb}

### Ρύθμιση ισχύος (Throttling)
Η ισχύς των πυραύλων μπορεί να ρυθμιστεί ελέγχοντας τον ρυθμό καύσης του προωθητικού \dot{m}. Στους πυραύλους υγρών προωθητικών και στους υβριδικούς πυραύλους, η ροή ελέγχεται μέσω βαλβίδων. Στους πυραύλους στερεού καυσίμου, ο έλεγχος γίνεται μεταβάλλοντας την επιφάνεια καύσης στη «γόμωση» (grain).

Οι πύραυλοι μπορούν συνήθως να μειώσουν την ισχύ τους (throttle down) μέχρι η πίεση εξόδου να φτάσει περίπου το ένα τρίτο της πίεσης περιβάλλοντος και μέχρι ένα μέγιστο όριο που καθορίζεται από τη μηχανική αντοχή του κινητήρα.

Στην πράξη, οι περισσότεροι πύραυλοι μπορούν να ρυθμίσουν την ισχύ τους κατά έναν παράγοντα του 2 χωρίς δυσκολία. Ο τυπικός περιορισμός είναι η σταθερότητα της καύσης (αποφυγή chugging). Σύγχρονοι κινητήρες όπως ο BE-3 και ο Raptor, μπορούν να φτάσουν έως και το 18–20% της ονομαστικής τους ώσης.

### Ενεργειακή απόδοση

Τα ακροφύσια των πυραυλοκινητήρων είναι εκπληκτικά αποδοτικές θερμικές μηχανές, καθώς επιτυγχάνουν μια εξαιρετική προσέγγιση της αδιαβατικής εκτόνωσης. Αυτό επιτρέπει αποδόσεις που πλησιάζουν εκείνες του κύκλου Carnot, ξεπερνώντας το 60% στους χημικούς πυραύλους.

Για ένα *όχημα* που χρησιμοποιεί πυραυλοκινητήρα, η ενεργειακή απόδοση είναι βέλτιστη εάν η ταχύτητα του οχήματος πλησιάζει την ταχύτητα εξαγωγής. Σε μηδενική ταχύτητα, η ενεργειακή απόδοση είναι 0%, καθώς όλη η ενέργεια δαπανάται στην κίνηση των καυσαερίων.

### Λόγος ώσης προς βάρος
Οι πύραυλοι, ανάμεσα σε όλους τους κινητήρες τζετ —και ουσιαστικά όλους τους κινητήρες γενικότερα— διαθέτουν τον υψηλότερο λόγο ώσης προς βάρος. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τους πυραυλοκινητήρες υγρών προωθητικών.

Αυτή η υψηλή απόδοση οφείλεται στον μικρό όγκο των **δοχείων πίεσης** που αποτελούν τον κινητήρα (αντλίες, σωληνώσεις και θάλαμοι καύσης). Η έλλειψη αεραγωγού εισαγωγής και η χρήση πυκνού υγρού προωθητικού επιτρέπει στο σύστημα συμπίεσης να είναι μικρό και ελαφρύ, ενώ οι κινητήρες με αεραγωγούς πρέπει να διαχειριστούν τον αέρα, ο οποίος έχει περίπου τρεις τάξεις μεγέθους χαμηλότερη πυκνότητα.

Από τα χρησιμοποιούμενα υγρά καύσιμα, τη χαμηλότερη πυκνότητα έχει το υγρό υδρογόνο. Αν και η καύση υδρογόνου/οξυγόνου έχει την υψηλότερη ειδική ώση από οποιονδήποτε χημικό πύραυλο σε χρήση, η πολύ χαμηλή πυκνότητα του υδρογόνου (περίπου το 1/14 της πυκνότητας του νερού) απαιτεί μεγαλύτερες και βαρύτερες στροβιλοαντλίες και σωληνώσεις, γεγονός που μειώνει τον λόγο ώσης προς βάρος του κινητήρα (για παράδειγμα, ο RS-25) σε σύγκριση με εκείνους που δεν χρησιμοποιούν υδρογόνο (NK-33).

## Μηχανικά ζητήματα
Οι θάλαμοι καύσης των πυραύλων λειτουργούν συνήθως σε αρκετά υψηλή πίεση, τυπικά 10–200 bar (1–20 MPa). Όταν λειτουργούν εντός σημαντικής ατμοσφαιρικής πίεσης, οι υψηλότερες πιέσεις θαλάμου καύσης δίνουν καλύτερη απόδοση, επιτρέποντας την τοποθέτηση μεγαλύτερου και πιο αποδοτικού ακροφυσίου χωρίς αυτό να είναι έντονα υπερ-εκτονωμένο.

Ωστόσο, αυτές οι υψηλές πιέσεις προκαλούν στο εξωτερικό μέρος του θαλάμου πολύ μεγάλες **περιφερειακές τάσεις** (hoop stresses) – οι πυραυλοκινητήρες είναι ουσιαστικά δοχεία πίεσης.

Επιπλέον, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών, τα υλικά που χρησιμοποιούνται τείνουν να έχουν σημαντικά μειωμένη αντοχή σε εφελκυσμό. Επίσης, δημιουργούνται σημαντικές θερμοκρασιακές διαβαθμίσεις στα τοιχώματα του θαλάμου και του ακροφυσίου, οι οποίες προκαλούν διαφορική διαστολή της εσωτερικής επένδυσης, δημιουργώντας εσωτερικές τάσεις.

### Απότομες εκκινήσεις (Hard starts)
Μια **απότομη εκκίνηση** (hard start) αναφέρεται σε μια κατάσταση υπερπίεσης κατά την εκκίνηση ενός πυραυλοκινητήρα κατά την ανάφλεξη. Στις χειρότερες περιπτώσεις, αυτό παίρνει τη μορφή έκρηξης, με αποτέλεσμα τη ζημιά ή την καταστροφή του κινητήρα.

Τα προωθητικά πρέπει να εισάγονται στον θάλαμο καύσης με τον σωστό ρυθμό ώστε να υπάρχει ελεγχόμενος ρυθμός παραγωγής θερμού αερίου. Μια "απότομη εκκίνηση" υποδηλώνει ότι η ποσότητα του καύσιμου προωθητικού που εισήλθε στον θάλαμο πριν από την ανάφλεξη ήταν πολύ μεγάλη. Το αποτέλεσμα είναι μια υπερβολική αιχμή πίεσης.

Η αποφυγή των hard starts περιλαμβάνει προσεκτικό συγχρονισμό της ανάφλεξης σε σχέση με τις βαλβίδες ή τη μεταβολή της αναλογίας του μείγματος.

## Ακουστικά ζητήματα
Οι ακραίες δονήσεις και το ακουστικό περιβάλλον στο εσωτερικό ενός πυραυλοκινητήρα έχουν ως αποτέλεσμα αιχμές τάσεων πολύ πάνω από τις μέσες τιμές, ειδικά παρουσία συντονισμών τύπου «αυλού οργάνου» και τύρβης αερίων.

### Αστάθειες καύσης
Η καύση μπορεί να παρουσιάσει ανεπιθύμητες αστάθειες, ξαφνικής ή περιοδικής φύσης. Η πίεση στον θάλαμο έγχυσης μπορεί να αυξηθεί μέχρι να μειωθεί η ροή του προωθητικού μέσω του εγχυτήρα. Μια στιγμή αργότερα η πίεση πέφτει και η ροή αυξάνεται, εγχέοντας περισσότερο προωθητικό το οποίο καίγεται και αυξάνει ξανά την πίεση, επαναλαμβάνοντας τον κύκλο.

Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε ταλαντώσεις πίεσης υψηλού πλάτους, συχνά σε υπερηχητικό εύρος, οι οποίες μπορεί να καταστρέψουν τον κινητήρα. Κατά την ανάπτυξη των πυραύλων Mercury και Atlas, η επίλυση της αστάθειας καύσης ήταν υψηλή προτεραιότητα, οδηγώντας στη χρήση εγχυτήρων με διαφράγματα (baffles) για τη διακοπή αυτών των κυμάτων πίεσης.

Το πρόβλημα που επηρέασε τα οχήματα Atlas ήταν κυρίως το φαινόμενο της «πίστας αγώνων» (racetrack), όπου το καιόμενο προωθητικό στροβιλίζεται κυκλικά με ολοένα αυξανόμενη ταχύτητα, παράγοντας τελικά δονήσεις αρκετά ισχυρές ώστε να διαρρήξουν τον κινητήρα. Το πρόβλημα λύθηκε με την προσθήκη αρκετών **διαφραγμάτων** (baffles) γύρω από την πρόσοψη του εγχυτήρα για τη διακοπή του στροβιλισμού.

Ακόμη πιο σημαντικό ήταν το πρόβλημα της αστάθειας καύσης στους κινητήρες **F-1** του Saturn V. Ορισμένες από τις πρώτες μονάδες εξερράγησαν κατά τη διάρκεια στατικών δοκιμών, γεγονός που οδήγησε στην προσθήκη διαφραγμάτων εγχυτήρα.

Στο σοβιετικό διαστημικό πρόγραμμα, η αστάθεια καύσης αποτέλεσε επίσης πρόβλημα σε κινητήρες όπως ο RD-107 και ο RD-216. Οι Σοβιετικοί μηχανικοί δεν επέλυαν ποτέ πλήρως την αστάθεια καύσης σε μεγάλους κινητήρες κηροζίνης (RP-1) / υγρού οξυγόνου (LOX). Για τον λόγο αυτό, ο κινητήρας RD-171 χρησιμοποιούσε τέσσερις μικρότερους θαλάμους ώσης που τροφοδοτούνταν από έναν κοινό μηχανισμό στροβιλοαντλίας.

Οι αστάθειες καύσης μπορούν να προκληθούν από υπολείμματα διαλυτών καθαρισμού, ανακλώμενα κρουστικά κύματα, εκρήξεις κοντά στο ακροφύσιο και πολλούς άλλους παράγοντες. Διακρίνονται τρεις διαφορετικοί τύποι ασταθειών:

#### Chugging (Χαμηλόσυχνη αστάθεια)
Μια ταλάντωση χαμηλής συχνότητας στην πίεση του θαλάμου, κάτω από τα 200 Hertz. Συνήθως προκαλείται από μεταβολές της πίεσης στις γραμμές τροφοδοσίας λόγω των μεταβολών στην επιτάχυνση του οχήματος. Το chugging μπορεί να προκαλέσει έναν φαύλο κύκλο ανατροφοδότησης, γνωστό ως «**φαινόμενο pogo**» (pogo oscillations), από το ομώνυμο παιχνίδι pogo stick. 

Στη χειρότερη περίπτωση, αυτό μπορεί να οδηγήσει σε ζημιά στο φορτίο ή στο όχημα. Αντιμετωπίζεται με την εγκατάσταση συσκευών απορρόφησης ενέργειας στις γραμμές τροφοδοσίας.

#### Buzzing (Μεσοσυχνη αστάθεια)
Μια ταλάντωση ενδιάμεσης συχνότητας μεταξύ 200 και 1000 Hertz. Συνήθως οφείλεται σε ανεπαρκή πτώση πίεσης στους εγχυτήρες. Αν και κυρίως ενοχλητική, μπορεί να προκαλέσει **κόπωση υλικού** και σε ακραίες περιπτώσεις εκρήξεις σε μονοπροωθητικά συστήματα.

#### Screeching (Υψηλόσυχνη αστάθεια)
Μια ταλάντωση υψηλής συχνότητας πάνω από 1000 Hertz. Είναι η πιο καταστροφική και η πιο δύσκολη στον έλεγχο. Οφείλεται σε ακουστικά φαινόμενα εντός του θαλάμου καύσης που συζευγνύονται με τις χημικές διαδικασίες της καύσης. Σύμφωνα με το κριτήριο του Λόρδου Rayleigh, οι στάσιμες ακουστικές ταλαντώσεις ενισχύονται εάν η καύση συμβαίνει πιο έντονα σε περιοχές όπου η πίεση του ακουστικού κύματος είναι μέγιστη.

Το screeching αντιμετωπίζεται με λεπτομερείς αλλαγές στους εγχυτήρες, αλλαγές στη χημεία του προωθητικού ή τη χρήση **αποσβεστήρων Helmholtz** (Helmholtz dampers) στο εσωτερικό του θαλάμου για την αλλαγή των ιδιοσυχνότητων του χώρου.

Η δοκιμή για την πιθανότητα εμφάνισης screeching γίνεται μερικές φορές με την πυροδότηση μικρών εκρηκτικών γομώσεων ("bomb test") έξω από τον θάλαμο καύσης για να προσδιοριστεί η **κρουστική απόκριση** του συστήματος. Μια γρήγορη ανάκαμψη υποδηλώνει ένα σταθερό σύστημα.

### Θόρυβος εξάτμισης
Για όλα τα μεγέθη εκτός από τα πολύ μικρά, η εξάτμιση του πυραύλου σε σύγκριση με άλλους κινητήρες είναι γενικά πολύ θορυβώδης. Καθώς η υπερηχητική εξάτμιση αναμιγνύεται με τον αέρα του περιβάλλοντος, σχηματίζονται κρουστικά κύματα. Το Διαστημικό Λεωφορείο παρήγαγε θόρυβο άνω των 200 (A) γύρω από τη βάση του. Για τη μείωση αυτού του θορύβου και του κινδύνου πρόκλησης ζημιάς στο φορτίο ή τραυματισμού του πληρώματος, η πλατφόρμα εκτόξευσης διέθετε ένα **Σύστημα Καταστολής Ήχου** που ψέκαζε 1,1 εκατομμύρια λίτρα νερού γύρω από τη βάση του πυραύλου σε 41 δευτερόλεπτα κατά την εκτόξευση. Με τη χρήση αυτού του συστήματος, τα επίπεδα θορύβου στο χώρο του φορτίου διατηρούνταν στα 142 dB.

Η ένταση του ήχου από τα κρουστικά κύματα εξαρτάται από το μέγεθος του πυραύλου και την ταχύτητα εξαγωγής. Αυτά τα κύματα ευθύνονται για τους χαρακτηριστικούς ήχους "κροταλίσματος" που παράγουν οι μεγάλοι πύραυλοι. Για μεγάλους πυραύλους σε κοντινή απόσταση, οι ακουστικές επιδράσεις θα μπορούσαν ακόμη και να σκοτώσουν.

Το νερό που χρησιμοποιείται στις εκτοξεύσεις αλλάζει τις ακουστικές ιδιότητες του αέρα και μειώνει ή εκτρέπει την ηχητική ενέργεια μακριά από τον πύραυλο. Γενικά, ο θόρυβος είναι πιο έντονος όταν ο πύραυλος βρίσκεται κοντά στο έδαφος, καθώς ο ήχος αντανακλάται σε αυτό.

## Ανάπτυξη πυραυλοκινητήρων
### Ηνωμένες Πολιτείες
Η ανάπτυξη της βιομηχανίας πυραυλοκινητήρων στις ΗΠΑ διαμορφώθηκε από ένα σύνθετο πλέγμα σχέσεων μεταξύ κυβερνητικών υπηρεσιών, ιδιωτικών εταιρειών και ερευνητικών ιδρυμάτων. 

Σε αντίθεση με άλλες χώρες όπως η Ρωσία ή η Κίνα, όπου μόνο κυβερνητικοί οργανισμοί δραστηριοποιούνται σε αυτόν τον τομέα, η κυβέρνηση των ΗΠΑ βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στην ιδιωτική βιομηχανία. Από το 1940 έως το 2000, τουλάχιστον 14 αμερικανικές εταιρείες συμμετείχαν στον σχεδιασμό και την κατασκευή κινητήρων υγρών προωθητικών (LPRE). Συνήθως, η εταιρεία που αναπτύσσει τον κινητήρα αναλαμβάνει και το συμβόλαιο παραγωγής.

Η ζήτηση για νέους κινητήρες προέρχεται συνήθως από τη NASA ή το Υπουργείο Άμυνας. Σημαντικό ρόλο παίζουν επίσης τα πανεπιστήμια (όπως το Princeton, το Purdue και το Caltech) και τα κυβερνητικά εργαστήρια (όπως το JPL, το Marshall Space Flight Center και το Stennis Space Center).

Ωστόσο, πολλά προγράμματα LPRE στις ΗΠΑ ακυρώθηκαν ακόμη και μετά από επενδύσεις εκατομμυρίων δολαρίων, όπως ο κινητήρας M-1, ο Titan I και ο aerospike RS-2200. Οι ακυρώσεις αυτές συνήθως δεν οφείλονταν στην απόδοση των κινητήρων, αλλά στην ακύρωση των προγραμμάτων των οχημάτων για τα οποία προορίζονταν ή σε περικοπές του προϋπολογισμού.

### ΕΣΣΔ
Η Ρωσία και η πρώην Σοβιετική Ένωση υπήρξαν και παραμένουν το κορυφαίο έθνος στον κόσμο στην ανάπτυξη και κατασκευή πυραυλοκινητήρων. Από το 1950 έως το 1998, οι οργανισμοί τους ανέπτυξαν και έθεσαν σε λειτουργία μεγαλύτερο αριθμό και ποικιλία σχεδίων κινητήρων υγρών προωθητικών (LPRE) από οποιαδήποτε άλλη χώρα. Περίπου 500 διαφορετικοί LPRE αναπτύχθηκαν πριν από το 2003 (για σύγκριση, οι ΗΠΑ ανέπτυξαν λίγο περισσότερους από 300). Έως το τέλος του 1998, οι Σοβιετικοί είχαν εκτοξεύσει επιτυχώς 2.573 δορυφόρους με LPRE, δηλαδή σχεδόν το 65% του παγκόσμιου συνόλου.

#### Ιδρύματα και φορείς
Σε αντίθεση με άλλες χώρες, η Σοβιετική Ένωση ίδρυσε πολυάριθμα εξειδικευμένα Σχεδιαστικά Γραφεία (OKB), τα οποία ανταγωνίζονταν για συμβόλαια ανάπτυξης. Αυτά τα γραφεία ("Konstruktorskoye Buro" ή KB) ήταν κρατικοί οργανισμοί υπεύθυνοι για την έρευνα, την ανάπτυξη και τη δημιουργία πρωτοτύπων.

Τα Σχεδιαστικά Γραφεία που ειδικεύονταν σε πυραυλοκινητήρες διέθεταν το απαραίτητο προσωπικό και εγκαταστάσεις για εργαστηριακές δοκιμές και στατικές πυροδοτήσεις. Η προσπάθεια ανάπτυξης έφτασε στην αιχμή της τη δεκαετία του 1970, κατά τη διάρκεια του Ψυχρού Πολέμου. Όταν οριζόταν μια νέα αποστολή, ανατιθέταν σε ένα γραφείο η επίβλεψη ολόκληρου του πυραύλου και, αν χρειαζόταν νέος κινητήρας, γινόταν ανάθεση σε ένα εξειδικευμένο OKB. Συχνά, δύο παράλληλα προγράμματα υποστηρίζονταν ταυτόχρονα για να επιλεγεί ο καλύτερος κινητήρας, μια πολυτέλεια επιλογής που δεν ήταν διαθέσιμη σε άλλα έθνη.

Ωστόσο, αυτό οδηγούσε και σε σπατάλη πόρων. Για παράδειγμα, για τον γιγαντιαίο πύραυλο N-1 που προοριζόταν για τη Σελήνη, αναπτύχθηκαν τουλάχιστον δύο κινητήρες για κάθε ένα από τα έξι στάδια. Μετά την ακύρωση του προγράμματος λόγω των αποτυχιών στις δοκιμές και της επιτυχίας των ΗΠΑ, η Σοβιετική Ένωση έμεινε με ένα πλεόνασμα εξελιγμένων κινητήρων χωρίς σαφή σκοπό.

#### Ατυχήματα
Η ανάπτυξη πυραυλοκινητήρων στην ΕΣΣΔ σημαδεύτηκε από σημαντικά επιτεύγματα, αλλά και από πολυάριθμα ατυχήματα και θανάτους. Η ΕΣΣΔ κατέχει το θλιβερό προνόμιο να έχει βιώσει τους περισσότερους τραυματισμούς και θανάτους από ατυχήματα LPRE παγκοσμίως.

Η πιο γνωστή καταστροφή συνέβη το 1960 (γνωστή ως **Καταστροφή του Νεντέλιν**), όταν ο βαλλιστικός πύραυλος R-16 εξερράγη στην εξέδρα εκτόξευσης στο Μπαϊκονούρ. Το δυστύχημα προκάλεσε τον θάνατο 124 μηχανικών και στρατιωτικών, συμπεριλαμβανομένου του Στρατάρχη Μ.Ι. Νεντέλιν. Η έκρηξη προκλήθηκε από την πρόωρη ανάφλεξη του κινητήρα του δεύτερου σταδίου, η οποία πυροδότησε τα υπεργολικά προωθητικά (νιτρικό οξύ και UDMH). Η μυστικότητα γύρω από αυτά τα ατυχήματα, τα οποία παρέμειναν αδημοσίευτα για τρεις δεκαετίες, εγείρει ηθικά ερωτήματα σχετικά με τη διαφάνεια και την ιεράρχηση του εθνικού γοήτρου έναντι της ανθρώπινης ζωής κατά τη διάρκεια του Ψυχρού Πολέμου.

## Δοκιμές
Οι πυραυλοκινητήρες υποβάλλονται συνήθως σε στατικές δοκιμές σε ειδικές εγκαταστάσεις δοκιμών πριν τεθούν σε παραγωγή. Για κινητήρες που προορίζονται για λειτουργία σε υψηλό υψόμετρο (κενό), είτε χρησιμοποιείται κοντύτερο ακροφύσιο για τις δοκιμές στο έδαφος, είτε ο πύραυλος δοκιμάζεται σε έναν μεγάλο θάλαμο κενού.
## Ασφάλεια
Οι πύραυλοι έχουν τη φήμη αναξιόπιστων και επικίνδυνων συστημάτων, ειδικά λόγω των θεαματικών καταστροφικών αποτυχιών. Ωστόσο, με προσεκτικό σχεδιασμό, οι πύραυλοι μπορούν να γίνουν εξαιρετικά αξιόπιστοι. Στις στρατιωτικές εφαρμογές η αξιοπιστία είναι υψηλή, αλλά στις τροχιακές εκτοξεύσεις η ανάγκη για ελαχιστοποίηση του βάρους καθιστά δύσκολη την ταυτόχρονη επίτευξη μέγιστης ασφάλειας και χαμηλού βάρους.

### Οικογένεια Saturn (1961–1975)
* Ο κινητήρας **H-1**, που χρησιμοποιήθηκε σε ομάδες των οκτώ στο πρώτο στάδιο των πυραύλων Saturn I και Saturn IB, δεν είχε καμία καταστροφική αποτυχία σε 152 πτήσεις κινητήρων.
* Ο κινητήρας **RL10** δεν παρουσίασε καμία καταστροφική αποτυχία σε 36 πτήσεις στο πρόγραμμα Saturn.
* Ο κινητήρας **F-1** του Saturn V δεν είχε καμία αποτυχία σε 65 πτήσεις κινητήρων.
* Ο κινητήρας **J-2** δεν είχε καμία καταστροφική αποτυχία σε 86 πτήσεις κινητήρων.

### Διαστημικό Λεωφορείο (1981–2011)
* Οι **Πύραυλοι Στερεών Προωθητικών (SRB)** προκάλεσαν μία διάσημη καταστροφική αποτυχία (την Καταστροφή του Τσάλεντζερ) σε 270 πτήσεις κινητήρων.
* Ο κύριος κινητήρας **RS-25 (SSME)** πραγματοποίησε συνολικά 405 πτήσεις κινητήρων χωρίς καμία καταστροφική αποτυχία εν πτήσει. Μια μεμονωμένη βλάβη κατά την αποστολή STS-51-F δεν επηρέασε τους στόχους ή τη διάρκεια της αποστολής.

## Ψύξη
Οι πύραυλοι λειτουργούν με θερμοκρασίες καύσης που μπορεί να φτάσουν τους 3.300°C (6.000°F). Οι θερμοκρασίες αυτές υπερβαίνουν κατά πολύ τα σημεία τήξης των περισσότερων υλικών κατασκευής (π.χ. ο χαλκός λιώνει στους 1.085°C).

Οι μέθοδοι ψύξης που χρησιμοποιούνται είναι:

* **Αναγεννητική ψύξη (Regenerative cooling):** Το προωθητικό κυκλοφορεί μέσα από σωληνώσεις γύρω από τον θάλαμο καύσης και το ακροφύσιο πριν καεί. Είναι η πιο διαδεδομένη μέθοδος.
* **Ψύξη εξάχνωσης (Ablative cooling):** Τα εσωτερικά τοιχώματα επενδύονται με υλικό που απορροφά τη θερμότητα καθώς εξατμίζεται και απομακρύνεται με τα καυσαέρια.
* **Ψύξη φιλμ (Film cooling):** Επιπλέον προωθητικό εγχέεται από μικρές οπές στα εσωτερικά τοιχώματα, δημιουργώντας ένα προστατευτικό στρώμα ατμού που μονώνει το μέταλλο.
* **Ψύξη ακτινοβολίας (Radiative cooling):** Το ακροφύσιο κατασκευάζεται από πυρίμαχα υλικά (όπως το νιόβιο) που πυρακτώνονται και εκπέμπουν τη θερμότητα ως ακτινοβολία στο περιβάλλον.
* **Διαπνοή (Transpiration cooling):** Το προωθητικό περνά μέσα από ένα πορώδες τοίχωμα, αν και η μέθοδος αυτή δεν έχει δει ακόμη ευρεία πρακτική εφαρμογή λόγω πολυπλοκότητας.

Σε όλες τις περιπτώσεις, η διατήρηση ενός λεπτού **οριακού στρώματος** (boundary layer) ψυχρότερων αερίων στα τοιχώματα είναι ζωτικής σημασίας. Αν αυτό το στρώμα διαταραχθεί από αστάθειες καύσης, το τοίχωμα μπορεί να αποτύχει σε κλάσματα δευτερολέπτου.
## Χημεία
Τα πυραυλικά προωθητικά απαιτούν υψηλή ενέργεια ανά μονάδα μάζας (ειδική ενέργεια), η οποία πρέπει να εξισορροπείται με την τάση των εξαιρετικά ενεργών ουσιών να εκρήγνυνται αυθόρμητα. Η διαδικασία της καύσης απελευθερώνει τεράστια ποσά θερμότητας, ένα σημαντικό μέρος της οποίας μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια στο ακροφύσιο του κινητήρα.

Ιδανικά, όλη η ενέργεια της αντίδρασης θα έπρεπε να εμφανίζεται ως κινητική ενέργεια των καυσαερίων, καθώς η ταχύτητα εξαγωγής είναι η πιο σημαντική παράμετρος απόδοσης. Ωστόσο, τα πραγματικά καυσαέρια αποτελούνται από μόρια που διαθέτουν μεταφορικούς, δονητικούς και περιστροφικούς τρόπους (modes) δαπάνης ενέργειας. Από αυτούς, μόνο η μετάφορα παράγει ωφέλιμο έργο για το όχημα.

Όσο περισσότερους χημικούς δεσμούς έχει ένα μόριο καυσαερίου, τόσο περισσότερους περιστροφικούς και δονητικούς τρόπους διαθέτει. Κατά συνέπεια, είναι επιθυμητό τα είδη της εξάτμισης να είναι όσο το δυνατόν απλούστερα. Ιδανικό είναι ένα διατομικό μόριο αποτελούμενο από ελαφρά άτομα, όπως το H2. Ωστόσο, στους χημικούς πυραύλους, το υδρογόνο είναι αντιδρών και όχι προϊόν· πρέπει να εισαχθεί ένας οξειδωτικός παράγοντας (συνήθως οξυγόνο), ο οποίος προσθέτει μάζα και χημικούς δεσμούς στα προϊόντα.

Το υγρό υδρογόνο (LH2) και το υγρό οξυγόνο (LOX) είναι τα πιο αποτελεσματικά προωθητικά που χρησιμοποιούνται ευρέως σήμερα. Υπάρχουν προγράμματα ηλεκτρονικών υπολογιστών που προβλέπουν την απόδοση των προωθητικών με βάση τη χημική ισορροπία, με σημαντικότερο το CEA (Chemical Equilibrium with Applications) της NASA.

## Ανάφλεξη

Στους πυραύλους υγρών και υβριδικών προωθητικών, η άμεση ανάφλεξη των ουσιών καθώς εισέρχονται στον θάλαμο καύσης είναι απαραίτητη.

Αποτυχία ανάφλεξης εντός χιλιοστών του δευτερολέπτου προκαλεί τη συσσώρευση υπερβολικής ποσότητας υγρού προωθητικού στον θάλαμο. Αν η ανάφλεξη συμβεί τότε, η ποσότητα του θερμού αερίου που δημιουργείται μπορεί να υπερβεί τη μέγιστη πίεση σχεδιασμού, προκαλώντας καταστροφική έκρηξη. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται **απότομη εκκίνηση** (hard start).

Η ανάφλεξη μπορεί να επιτευχθεί με διάφορες μεθόδους:
* **Πυροτεχνική γόμωση:** Μια μικρή εκρηκτική συσκευή μίας χρήσης.
* **Ηλεκτρικός σπινθήρας:** Παρόμοιος με τα μπουζί των αυτοκινήτων (χρησιμοποιείται π.χ. στον κινητήρα Raptor).
* **Υπεργολικά προωθητικά:** Ουσίες που αναφλέγονται αυθόρμητα με την επαφή (π.χ. υδραζίνη και τετροξείδιο του αζώτου).
* **Χημική ανάφλεξη:** Η χρήση μιας μικρής ποσότητας υπεργολικών υγρών για την εκκίνηση μη υπεργολικών καυσίμων (συνηθισμένο σε ρωσικούς κινητήρες).

Τα αέρια προωθητικά γενικά δεν προκαλούν hard starts, καθώς διαφεύγουν γρήγορα από τον λαιμό του ακροφυσίου πριν προλάβει να αναπτυχθεί επικίνδυνη πίεση. Τα στερεά προωθητικά αναφλέγονται συνήθως με πυροτεχνικούς μηχανισμούς και η καύση συνεχίζεται μέχρι την πλήρη κατανάλωσή τους.

Μόλις ξεκινήσει η καύση, ο θάλαμος είναι αυτοσυντηρούμενος και οι αναφλεκτήρες δεν χρειάζονται πλέον. Πολλοί κινητήρες δεν μπορούν να επανακινηθούν χωρίς συντήρηση (π.χ. αντικατάσταση της πυροτεχνικής γόμωσης), εκτός αν έχουν σχεδιαστεί ειδικά για πολλαπλές ανάφλεξεις.

## Φυσική της φλόγας (Jet physics)

Η εμφάνιση της φλόγας ενός πυραύλου ποικίλλει ανάλογα με τον τύπο του κινητήρα, το υψόμετρο, την ώση και άλλους παράγοντες.

Οι εξανθρακωμένες εξατμίσεις από καύσιμα με βάση την κηροζίνη (όπως το RP-1) έχουν συχνά πορτοκαλί χρώμα λόγω της ακτινοβολίας μέλανος σώματος των άκαυστων σωματιδίων. Οι πύραυλοι υδρογόνου/οξυγόνου παράγουν κυρίως υδρατμούς και η φλόγα τους είναι σχεδόν αόρατη στο γυμνό μάτι, αλλά λάμπει έντονα στο υπεριώδες και το υπέρυθρο φάσμα. Οι πύραυλοι στερεών προωθητικών είναι ιδιαίτερα ορατοί, καθώς συχνά περιέχουν μέταλλα όπως αλουμίνιο, που καίγεται με λαμπρή λευκή-πορτοκαλί φλόγα.

Στο επίπεδο της θάλασσας, το ακροφύσιο είναι συνήθως υπερ-εκτονωμένο και η εξάτμιση μπορεί να παρουσιάσει ορατά διαμάντια κρούσης(Shock diamonds), ένα φαινόμενο που προκαλείται από την ανάκλαση κρουστικών κυμάτων εντός της φλόγας.
## Τύποι πυραυλοκινητήρων

### Φυσικής ισχύος

### Χημικής ισχύος

### Ηλεκτρική ισχύς

### Θερμική προώθηση

#### Ηλιακή θερμική
Ο ηλιακός θερμικός πύραυλος χρησιμοποιεί την ηλιακή ενέργεια για να θερμάνει απευθείας το προωθητικό (συνήθως υδρογόνο), χωρίς την ανάγκη γεννήτριας ηλεκτρικής ενέργειας. Χρησιμοποιεί συγκεντρωτές και κάτοπτρα για την εστίαση της ακτινοβολίας.
#### Προώθηση με δέσμη (Beamed thermal)
Το προωθητικό θερμαίνεται από μια δέσμη φωτός (laser) ή μικροκυμάτων που στοχεύει το σκάφος από απόσταση. Αυτό επιτρέπει στο σκάφος να είναι ελαφρύ, καθώς η πηγή ενέργειας παραμένει στη Γη ή σε τροχιά.

### Πυρηνική προώθηση
Η πυρηνική προώθηση περιλαμβάνει μεθόδους που χρησιμοποιούν πυρηνικές αντιδράσεις (σχάση ή σύντηξη) ως κύρια πηγή ισχύος.

## Ιστορία των πυραυλοκινητήρων

Σύμφωνα με τα συγγράμματα του Ρωμαίου Αύλου Γέλλιου, το παλαιότερο γνωστό παράδειγμα προώθησης με αεριώθηση (jet propulsion) χρονολογείται γύρω στο 400 π.Χ., όταν ο Έλληνας Πυθαγόρειος Αρχύτας ο Ταραντίνος προώθησε ένα ξύλινο περιστέρι κατά μήκος συρμάτων χρησιμοποιώντας ατμό. Ωστόσο, η συσκευή δεν ήταν αρκετά ισχυρή για να απογειωθεί αυτόνομα.

Η «**αιολόσφαιρα**» (aeolipile), που περιγράφηκε τον 1ο αιώνα π.Χ. και είναι γνωστή ως «μηχανή του Ήρωνα», αποτελούνταν από ένα ζεύγος ακροφυσίων ατμού τοποθετημένων σε ένα έδρανο. Αν και δημιουργήθηκε σχεδόν δύο χιλιετίες πριν από τη Βιομηχανική Επανάσταση, οι αρχές της δεν έγιναν πλήρως κατανοητές ώστε να αναπτυχθεί σε πρακτική πηγή ενέργειας.

Η ανακάλυψη της **μαύρης πυρίτιδας** από Κινέζους Ταοϊστές αλχημιστές τον 9ο αιώνα οδήγησε στα πρώτα «βέλη φωτιάς», τους πρώτους πυραυλοκινητήρες που κατάφεραν να εγκαταλείψουν το έδαφος. Κατά τον 13ο αιώνα, η τεχνολογία αυτή άρχισε να χρησιμοποιείται για στρατιωτικούς σκοπούς. Σημαντικό σταθμό αποτέλεσε η χρήση σιδερένιων πυραύλων από τον **Τίπου Σουλτάν** στο Βασίλειο του Μισόρ (Ινδία) κατά του βρετανικού στρατού τον 18ο αιώνα.

### Σύγχρονη πυραυλική
Στα τέλη του 19ου αιώνα, ο Ρώσος **[[Κονσταντίν Τσιολκόφσκι]]** διατύπωσε τις πρώτες θεωρίες για τους πυραυλοκινητήρες υγρών προωθητικών και ανέπτυξε την περίφημη «πυραυλική εξίσωση του Τσιολκόφσκι».

Οι σύγχρονοι κινητήρες στερεών και υγρών καυσίμων έγιναν πραγματικότητα στις αρχές του 20ού αιώνα χάρη στον Αμερικανό φυσικό **[[Ρόμπερτ Γκόνταρντ]]**. Ο Γκόνταρντ ήταν ο πρώτος που χρησιμοποίησε ένα **ακροφύσιο De Laval** σε πύραυλο στερεού καυσίμου, διπλασιάζοντας την ώση και αυξάνοντας την απόδοση κατά 25 φορές.

### Η εποχή των υγρών προωθητικών
Το 1926, ο Γκόνταρντ πραγματοποίησε την πρώτη παγκοσμίως εκτόξευση πυραύλου υγρών καυσίμων. Εισήγαγε καινοτομίες όπως οι ελαφρές δεξαμενές, οι μικρές στροβιλοαντλίες και η αναγεννητική ψύξη.

Κατά τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο, Γερμανοί επιστήμονες όπως ο **[[Βέρνερ φον Μπράουν]]** ανέπτυξαν τον πύραυλο **V-2** (A4), ο οποίος χρησιμοποιούσε στροβιλοαντλίες και αλκοόλη με υγρό οξυγόνο. Μετά τον πόλεμο, η τεχνολογία εξελίχθηκε ραγδαία:

* **Κύκλος σταδιακής καύσης (Staged combustion):** Προτάθηκε από τον Σοβιετικό Αλεξέι Ισάγιεφ το 1949 και χρησιμοποιήθηκε σε κινητήρες όπως ο NK-33.
* **Κινητήρες Υγρού Υδρογόνου:** Αναπτύχθηκαν στις ΗΠΑ (κινητήρας RL-10 το 1962). Ο κινητήρας **J-2** ήταν αυτός που επέτρεψε στον πύραυλο Saturn V να στείλει τον άνθρωπο στη Σελήνη.

Το 2016, η NASA έθεσε το ρεκόρ για τους περισσότερους κινητήρες σε μία πτήση πυραύλου (44 κινητήρες) σε έναν πύραυλο Black Brant.

## Σημειώσεις

Κατηγορία:Πύραυλοι
Κατηγορία:Κινητήριες μηχανές
Κατηγορία:Αεροδιαστημική μηχανική

## Παραπομπές