เครื่องยนต์จรวด

เครื่องยนต์จรวด คือ เครื่องยนต์ไอพ่นชนิดหนึ่ง  ที่ใช้มวลเชื้อเพลิงจรวดที่ถูกเก็บไว้โดยเฉพาะสำหรับการสร้างแรงขับดันไอพ่น (jet propulsion) อัตราเร็วสูง เครื่องยนต์จรวดคือ เครื่องยนต์แห่งแรงปฏิกิริยา (reaction engine) และได้รับแรงผลักดันที่สอดคล้องกับกฎข้อที่สามของนิวตัน  เนื่องจากพวกมันไม่จำเป็นต้องใช้วัสดุภายนอกในรูปแบบเครื่องยนต์ไอพ่น  (เช่น  อากาศที่ใช้ในการเผาไหม้ในชั้นบรรยากาศ  แต่มีก๊าซอ๊อกซิเจนที่เป็นของเหลวบรรทุกติดตัวจรวดไปด้วย)  เครื่องยนต์จรวดสามารถนำไปใช้ได้กับการขับเคลื่อนยานอวกาศและใช้เกี่ยวกับภาคพื้นโลก เช่น ขีปนาวุธ เครื่องยนต์จรวดส่วนใหญ่เป็นเครื่องยนต์สันดาปภายใน แม้ว่าจะไม่ใช่รูปแบบของการสันดาปหลัก ๆ อย่างที่มีอยู่ก็ตาม

เครื่องยนต์จรวดเป็นกลุ่มของเครื่องยนต์ที่มีไอเสียที่มีอัตราเร็วสูง โดยที่มีน้ำหนักเบามาก, และมีประสิทธิภาพของพลังงานสูงสุด (สูญเสียพลังงานน้อยที่อัตราความเร็วที่สูงมาก) ของชนิดของเครื่องยนต์ไอพ่นทุกชนิด อย่างไรก็ดี แรงผลักดันที่ให้ออกมาทำให้เกิดไอเสียที่มีความเร็วสูง และมีอัตราสัมพัทธ์ของพลังงานจำเพาะของเชื้อเพลิงที่ใช้ขับเคลื่อนจรวดต่ำ มันเผาผลาญเชื้อเพลิงให้หมดไปภายในระยะเวลาอันรวดเร็ว

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

ห้องเผาไหม้

สำหรับจรวดเคมี  ห้องเผาไหม้ปกติเป็นเพียงทรงกระบอกธรรมดา และมีกระป๋องเปลวไฟ (flame holder)  เป็นสิ่งที่ถูกใช้ที่ไม่ธรรมดา รูปทรงของห้องเผาไหม้ที่เป็นรูปทรงกระบอกนั้น เป็นสิ่งที่ทำให้เชื้อเพลิงขับดันจรวดสามารถถูกเผาไหม้ได้อย่างสมบูรณ์  ความแตกต่างของชนิดของเชื้อเพลิงจรวดที่ใช้นั้นจึงทำให้เกิดความแตกต่างของขนาดของห้องเผาไหม้ด้วย สิ่งนี้จึงทำให้เกิดจำนวนที่เรียกว่า  :

เมื่อ
  
 คือ ปริมาตรความจุของห้องเผาไหม้
  
 คือ พื้นที่หน้าตัดของส่วนที่มีลักษณะป็นคอคอดของส่วนหัวฉีดไอพ่น
L*  จะมีค่าประมาณ 25 – 60 นิ้ว (0.63 – 1.5 เมตร)

การรวมตัวกันของอุณหภูมิและความดันเป็นตัวอย่างที่มักจะแสดงถึงความสุดขั้วในห้องเผาไหม้ตามมาตรฐานที่กำหนด ซึ่งแตกต่างจากอากาศที่ใช้สำหรับการหายใจที่ใช้ในเครื่องยนต์ไอพ่น ไม่มีไนโตรเจนในบรรยากาศที่เป็นปัจจุบันเพื่อการเผาไหม้ที่เจือจางและเย็นภายในห้องเผาไหม้ และอุณหภูมิที่สามารถบรรลุถึง สภาวะสตอยชิโอแมทริก (stoichiometric) ได้อย่างแท้จริง นี่จะเป็นการรวมกันกับความกดดันที่สูง, ซึ่งหมายความว่าอัตราการนำความร้อนผ่านผนังมีค่าสูงมาก

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) การบีบเค้นก๊าซของหัวฉีด (nozzle chokes) และเจ็ตความเร็วเหนือเสียงจะเกิดขึ้น, ก๊าซจะถูกเร่งให้มีความเร็วอย่างรวดเร็ว, ส่วนใหญ่จะถูกแปลงจากพลังงานความร้อนให้กลายเป็นพลังงานจลน์

อัตราเร็วของไอเสียแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับอัตราส่วนการขยายตัวในหัวฉีดที่ถูกออกแบบขึ้น, แต่อัตราเร็วของไอเสียสูงถึงสิบเท่าของอัตราเร็วเสียงในอากาศที่ระดับน้ำทะเล (speed of sound of sea level air) อย่างไม่ได้ผิดปกติแต่อย่างใด

ประมาณครึ่งหนึ่งของแรงผลักดันในเครื่องยนต์จรวดมาจากความดันที่ไม่สมดุลภายในห้องเผาไหม้และส่วนที่เหลือมาจากความดันที่กระทำอยู่ภายในหัวฉีด (ดูแผนภาพ)  โดยที่ก๊าซที่ขยายตัวออก เรียกว่า กระบวนการแอเดียแบติก (adiabatically) เกิดเป็นความดันที่กระทำกับผนังหัวฉีดของแรงในเครื่องยนต์จรวดในทิศทางหนึ่งขณะที่มีความเร่งของก๊าซในทิศทางอื่น ๆ

ประสิทธิภาพเชื้อเพลิงขับดัน

สำหรับเครื่องยนต์จรวดที่จะมีเชื้อเพลิงขับดันจรวดที่มีประสิทธิภาพนั้น, เป็นสิ่งที่สำคัญมากที่ความดันสูงสุดที่เป็นไปได้จะถูกสร้างขึ้นบนผนังของห้องเผาไหม้และหัวฉีดตามค่าจำนวนจำเพาะของเชื้อเพลิงขับดันจรวด;  จึงเป็นแหล่งที่มาของแรงผลักดัน  ทั้งหมดนี้สามารถทำได้คือ:

ความร้อนที่เกิดจากเชื้อเพลิงขับดันจรวดควรจะมีอุณหภูมิสูงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ (การใช้เชื้อเพลิงพลังงานสูงที่ประกอบด้วยไฮโดรเจนและคาร์บอนและบางครั้งก็เป็นโลหะเช่นอะลูมิเนียม, หรือแม้กระทั่งการใช้พลังงานนิวเคลียร์)
โดยใช้ก๊าซความหนาแน่นจำเพาะต่ำ (เช่นไฮโดรเจนที่มีอยู่มากมายเท่าที่จะหาได้)
การใช้เชื้อเพลิงซึ่งเป็นหรือสลายตัวไปเป็นโมเลกุลได้ง่าย ๆ ด้วยไม่กี่องศาอิสระของการแปรเปลี่ยนไปเป็นความเร็วที่เพิ่มขึ้น

เนื่องจากทุก ๆ สิ่งเหล่านี้จะช่วยลดมวลของจรวดที่ใช้,  และเนื่องจากความดันเป็นสัดส่วนกับมวลของเชื้อเพลิงจรวดแสดงว่าจะต้องใช้ความเร่งของมวลของเชื้อเพลิงนี้ผลักดันเครื่องยนต์,  และเนื่องจากจากกฎข้อที่สามของนิวตัน ความดันที่กระทำกับเครื่องยนต์ยังกระทำซึ่งกันและกันกับเชื้อเพลิงจรวด,  แต่มันก็กลับกลายเป็นว่าสำหรับเครื่องยนต์จรวดใด ๆ ก็ตามอัตราเร็วที่เชื้อเพลิงขับดันจรวดไหลออกจากห้องเผาไหม้จะไม่ได้รับผลกระทบจากความดันในห้องเผาไหม้ (แม้ว่าแรงผลักดันจะได้สัดส่วนอยู่ก็ตาม)  (อัตราเร็วไอเสียไม่ขึ้นกับความดันในห้องเผาไหม้) อย่างไรก็ตาม อัตราเร็วนั้นได้รับผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญโดยทั้งสามปัจจัยข้างต้นและอัตราเร็วไอเสียนั้นเป็นมาตรวัดที่ยอดเยี่ยมของประสิทธิภาพเครื่องยนต์จรวด สิ่งนี้เรียกว่าความเร็วไอเสีย และหลังจากหักค่าเผื่อเหลือเผื่อขาดที่กระทำสำหรับปัจจัยตัวแปรต่าง ๆ แล้ว สามารถจะช่วยลดขนาดมวลของจรวดได้ ประสิทธิภาพความเร็วไอเสีย (effective exhaust velocity) เป็นหนึ่งในตัวแปรที่สำคัญที่สุดของเครื่องยนต์จรวด (อย่างไรก็ตาม น้ำหนักของจรวด,  ค่าใช้จ่าย,  ความสะดวกในการผลิต ฯลฯ มักจะยังมีความสำคัญมาก)

สำหรับเหตุผลในทางหลักอากาศพลศาสตร์ที่กระแสการไหลของไอเสียจะไหลไปกับคลื่นเสียง ("โช้ก") ที่ส่วนที่แคบที่สุดของหัวฉีด, ในส่วนที่เรียกกันว่า 'คอ' นั้น เนื่องมาจากหลักการที่ว่าอัตราเร็วของเสียงในก๊าซสามารถถูกทำให้เพิ่มมากขึ้นได้ด้วยรากที่สองของอุณหภูมิ การใช้ก๊าซไอเสียที่ร้อนนั้นช่วยเพิ่มสมรรถนะของเครื่องยนต์จรวดเป็นอย่างมาก  โดยการเปรียบเทียบ, ที่อุณหภูมิห้องอัตราเร็วของเสียงในอากาศประมาณ 340 เมตร ต่อ วินาที ในขณะที่อัตราเร็วของเสียงในก๊าซร้อนของเครื่องยนต์จรวดสามารถมีได้มากกว่า 1,700 เมตร ต่อ วินาที; ส่วนใหญ่ของสมรรถนะการทำงานนี้เป็นเพราะอุณหภูมิที่สูงขึ้น, แต่นอกเหนือจากนี้เชื้อเพลิงขับดันจรวดจะถูกเลือกให้มีขนาดของมวลโมเลกุลที่มีค่าน้อย, และนี่ยังช่วยทำให้เกิดความเร็วที่สูงเมื่อเทียบกับอากาศ

การขยายตัวของก๊าซร้อนในหัวฉีดจรวดนั้นยังช่วยเพิ่มทวีคูณอัตราเร็วของก๊าซ, ปกติระหว่าง 1.5 ถึง 2 เท่าทำให้เกิดเจ็ทไอเสียในระดับไฮเปอร์โซนิกที่เป็นลำขนานอย่างยิ่ง การเพิ่มความเร็วไอเสียของหัวฉีดจรวดส่วนใหญ่จะถูกกำหนดโดยอัตราส่วนพื้นที่การขยายตัวของก๊าซร้อน—คือ อัตราส่วนของพื้นที่ของลำคอของหัวฉีดต่อพื้นที่ตรงส่วนทางออกของไอเสีย, แต่รายละเอียดคุณสมบัติของก๊าซก็ยังคงมีความสำคัญอยู่ หัวฉีดอัตราส่วนขนาดใหญ่คือมีขนาดหัวฉีดที่ใหญ่กว่า แต่สามารถที่จะสกัดกั้นความร้อนได้มากขึ้นจากการเผาไหม้ก๊าซ, และยังช่วยเพิ่มความเร็วไอเสียอีกด้วย

ประสิทธิภาพหัวฉีดได้รับผลกระทบจากการทำงานในชั้นบรรยากาศเพราะการเปลี่ยนแปลงความดันบรรยากาศตามระดับความสูงเหนือผิวโลก; แต่เนื่องจากอัตราเร็วเหนือเสียงของก๊าซที่ออกจากเครื่องยนต์จรวด, ความดันของไอพ่นอาจจะเป็นได้ทั้งต่ำกว่าหรือสูงกว่าสภาพแวดล้อม และสมดุลระหว่างทั้งสองแบบนี้จะไม่อาจบรรลุไปถึงที่ทุกระดับความสูงได้ (ดูแผนภาพ)

ความดันย้อนกลับและการขยายตัวที่ดีที่สุด
เพื่อสมรรถนะของเครื่องยนต์จรวดที่ดีที่สุด ความดันของก๊าซที่ปลายของหัวฉีดนั้นก็ควรจะเท่ากับความดันบรรยากาศ: ถ้าความดันไอเสียมีค่าต่ำกว่าความดันบรรยากาศ, แล้วยานพาหนะจะชะลอความเร็วลงจากความแตกต่างของความดันระหว่างด้านบนของเครื่องยนต์และทางออกของไอเสีย; ในอีกแง่หนึ่ง ถ้าความดันไอเสียมีค่าสูงกว่าแล้ว ความดันไอเสียที่ควรจะได้รับการแปลงเป็นแรงผลักดันจะไม่ถูกแปลงและพลังงานจะสูญเสียไปเปล่า

เพื่อรักษาอุดมคติของความเท่าเทียมกันระหว่างความดันไอเสียทางออกและความดันบรรยากาศนี้, เส้นผ่าศูนย์กลางของหัวฉีดจะต้องเพิ่มขึ้นตามระดับความสูงในชั้นบรรยากาศ, โดยการให้ความดันแก่หัวฉีดต่อไปอีก (และการลดความดันทางออกและอุณหภูมิลง) การเพิ่มขึ้นของเส้นผ่าศูนย์กลางของหัวฉีดนี้เป็นเรื่องยากจะจัดการให้อยู่ในรูปแบบลักษณะที่จะทำให้ตัวเครื่องยนต์นั้นมีน้ำหนักที่เบาได้ถึงแม้ว่าจะกระทำได้อย่างจำเจกับรูปแบบอื่น ๆ ของเครื่องยนต์เจ็ทก็ตาม ในวิทยาการที่เกี่ยวกับจรวด, หัวฉีดที่พอจะอนุโลมได้ว่ามีน้ำหนักเบานั้นโดยทั่วไปแล้วก็จะถูกนำมาใช้งานและก็โดยการลดประสิทธิภาพการทำงานในชั้นบรรยากาศบางอย่างลง ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อนำมาใช้ในงานอย่างอื่นนอกเหนือจาก ' การออกแบบตามระดับความสูง ' หรือเมื่อมีการผ่อนคันเร่ง

เวกเตอร์แรงขับดัน
อากาศยานโดยปกติมักจะต้องใช้แรงขับดันโดยรวมเพื่อสำหรับการที่จะเปลี่ยนทิศทางของการเคลื่อนที่ที่มีขนาดเกินกว่าระยะเวลาของการเผาไหม้ของเชื้อเพลิง มีหลายวิธีที่แตกต่างกันเพื่อให้บรรลุผลนี้:

เครื่องยนต์ทั้งหมดจะถูกติดตั้งอยู่บนบานพับ (hinge) หรือวงแหวนเข็มทิศกิมบอล (gimbal) (ส่วนที่ยึดอยู่กับที่) และจะทำการป้อนเชื้อเพลิงใด ๆ มาถึงเครื่องยนต์ผ่านทางท่อแรงดันต่ำที่มีความยืดหยุ่นหรือข้อต่อแบบหมุนได้
มีเพียงแค่ห้องเผาไหม้และหัวฉีดเท่านั้นที่เป็นข้อยกเว้น (ส่วนที่เคลื่อนไหวส่ายไปมาได้), ปั๊มเชื้อเพลิงจะถูกติดตั้งยึดอยู่กับที่และคอยส่งผ่านเชื้อเพลิงความดันสูงแนบยึดติดไปกับตัวเครื่องยนต์
เครื่องยนต์ที่มีหลาย ๆ เครื่อง (มักจะถูกทำให้เอียงเป็นมุมเล็กน้อย) เมื่อเวลาจะใช้งาน แต่จะถูกผ่อนคันเร่งลงเพื่อให้เกิดเวกเตอร์โดยรวมเพียงเท่าที่จำเป็นจะต้องมี, โดยให้มีเพียงการปรับเปลี่ยนที่มีขนาดที่เล็กน้อยมาก
ใบพัดที่อุณหภูมิสูงยื่นออกมาในไอเสียและสามารถเอียงเป็นมุมเพื่อที่จะหักเหลำเจ็ทไอเสียได้
เครื่องยนต์ได้รับการติดตั้งยึดอยู่กับที่และตัวผลักดันแบบเวอร์เนีย (vernier thrusters) จะใช้สำหรับในการคัดท้ายหรือบังคับทิศทางของตัวอากาศยาน

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

แรงขับดันสุทธิ
ด้านล่างคือ สมการโดยค่าประมาณสำหรับการคำนวณแรงขับดันสุทธิของเครื่องยนต์จรวด: 

{| border="0" cellpadding="2"
|-
|align=right|เมื่อ:
| 
|-
!align=right|
|align=left|=  การไหลเชิงมวลของก๊าซไอเสีย
|- 
!align=right|
|align=left|=  ประสิทธิภาพความเร็วไอเสีย

|-
!align=right|
|align=left|=  ความเร็วเจ็ทไอเสียที่แท้จริงที่ทางออกของหัวฉีดเครื่องยนต์

|-
!align=right|
|align=left|=  พื้นที่การไหลที่ทางออกของหัวฉีดเครื่องยนต์ (หรือเครื่องยนต์ที่มีเจ็ทไอเสียที่ไหลออกจากหัวฉีดถ้าหากมีการแยกการไหล)
|-
!align=right|
|align=left|=  ความดันสถิตที่ทางออกของหัวฉีดเครื่องยนต์
|-
!align=right|
|align=left|=  ความดันสภาพแวดล้อมโดยรอบ (หรือความดันบรรยากาศ)
|}

เนื่องจาก, มีความแตกต่างจากเครื่องยนต์ไอพ่น, เครื่องยนต์จรวดแบบดั้งเดิมจะปราศจากระบบควบคุมอากาศเข้าสู่ห้องเผาไหม้ (air intake),  ที่จะไม่มี 'แรมฉุดลาก' (ram drag) ที่จะเป็นตัวหักลบออกจากแรงผลักดันโดยรวม ดังนั้นแรงผลักดันสุทธิของเครื่องยนต์จรวดจะเท่ากับแรงผลักดันขั้นต้น (นอกเหนือจากความดันย้อนกลับคงที่)

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

ขนิดของเครื่องยนต์จรวด

กำลังขับเคลื่อนทางกายภาพ  (Physically powered)

กำลังขับเคลื่อนทางเคมี (Chemically powered)

ดูเพิ่ม 
Comparison of orbital rocket engines
NERVA - NASA's Nuclear Energy for Rocket Vehicle Applications, a US nuclear thermal rocket programme
Project Prometheus, NASA development of nuclear propulsion for long-duration spaceflight, begun in 2003
Jet damping an effect of the exhaust jet of a rocket that tends to slow a vehicle's rotation speed
Model rocket motor classification lettered engines
Laser propulsion

อ้างอิง

ดูเพิ่ม 
 Lutz Warsitz: The First Jet Pilot - The Story of German Test Pilot Erich Warsitz (including von Braun’s and Hellmuth Walter’s experiments with rocket aircraft), Pen and Sword Books Ltd., England, 2009, ISBN 978-1-84415-818-8, English Edition 

 
ส่วนประกอบยานอวกาศ