แผนภาพแบบง่ายของจรวดเชื้อเพลิงเหลว
1. เชื้อเพลิงจรวดที่เป็นของเหลว.
2. สารออกซิไดซ์ที่มีลักษณะเป็นของเหลว (สารที่ช่วยให้ไฟติดแต่ตัวมันเองไม่ติดไฟ เช่น ออกซิเจนเหลว).
3. ปั๊มเชื้อเพลิงและสารออกซิไดซ์ (Pumps carry the fuel and oxidizer).
4. ห้องเผาไหม้ ทำหน้าผสมและเผาไหม้ของเหลวทั้งสองนั้น (The combustion chamber mixes and burns the two liquids).
5. ไอเสียร้อนที่ถูกบีบเค้นที่คอคอดของกรวยท่อไอเสียซึ่งจะเป็นตัวกำหนดปริมาณของแรงผลักดันที่ผลิตได้ (The hot exhaust is choked at the throat, which, among other things, dictates the amount of thrust produced.)
6. ไอเสียออกจากจรวด (Exhaust exits the rocket.)เครื่องยนต์จรวดทำงานอย่างไรเครื่องยนต์จรวดจะให้ส่วนหนึ่งของแรงผลักดันของมันเนื่องจากความดันในด้านตรงกันข้ามในห้องเผาไหม้

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

การส่งเชื้อเพลิงขับดันสู่ห้องเผาไหม้

เชื้อเพลิงขับเคลื่อนจรวดคือ มวลสารที่ได้ถูกเก็บไว้ มักจะอยู่ในรูปแบบของถังเก็บเชื้อเพลิง ก่อนที่จะถูกพ่นออกมาจากเครื่องยนต์ในรูปแบบของเปลวไอพ่นซึ่งจะทำให้เกิดแรงผลักดันเชื้อเพลิงขับเคลื่อนจรวดเคมีเป็นสิ่งที่ถูกใช้กันโดยทั่วไปมากที่สุด ซึ่งต้องประสบสิ่งผิดปกติธรรมดากับปฏิกิริยาทางเคมีซึ่งจะสร้างแก๊สร้อนให้กับจรวดสำหรับแรงขับเคลื่อนตามที่ต้องการทางเลือกหนึ่ง คือ มวลแห่งปฏิกิริยาความเฉื่อยทางเคมีสามารถสร้างให้เกิดความร้อนขึ้นได้โดยการใช้แหล่งกำเนิดกำลังพลังงานสูงโดยผ่านทางตัวแลกเปลี่ยนความร้อน และดังนั้นจึงไม่ต้องใช้งานห้องเผาไหม้แต่อย่างใด

เครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงแข็ง

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) [2] เป็นสิ่งที่ถูกใช้ที่ไม่ธรรมดา รูปทรงของห้องเผาไหม้ที่เป็นรูปทรงกระบอกนั้น เป็นสิ่งที่ทำให้เชื้อเพลิงขับดันจรวดสามารถถูกเผาไหม้ได้อย่างสมบูรณ์ ความแตกต่างของชนิดของเชื้อเพลิงจรวดที่ใช้นั้นจึงทำให้เกิดความแตกต่างของขนาดของห้องเผาไหม้ด้วย สิ่งนี้จึงทำให้เกิดจำนวนที่เรียกว่า L ∗ {\displaystyle L^{*}} :

L ∗ = V c A t {\displaystyle L^{*}={\frac {V_{c}}{A_{t}}}}

เมื่อ

• V c {\displaystyle V_{c}} คือ ปริมาตรความจุของห้องเผาไหม้

• A t {\displaystyle A_{t}} 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

อุณหภูมิโดยทั่วไป (T) ความดัน (p) และความเร็ว (v) ในหัวฉีดเดอลาวาล

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

แรงผลักดันจรวดมีสาเหตุจากความดันที่กระทำในห้องเผาไหม้และหัวฉีด จากกฎข้อที่สามของนิวตันความดันที่กระทำโดยไอเสียที่เท่ากันและตรงกันข้ามและนี่จะช่วยเร่งจรวดให้มีอัตราเร็วสูง

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