เครื่องยนต์จรวด
หลักการทำงาน > 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)