Nestemäistä polttoainetta käyttävät järjestelmät sisältävät polttoaineen polttokammion ulkopuolisissa säiliöissä. Useimmissa näissä moottoreissa käytetään nestemäistä hapetinainetta ja nestemäistä polttoainetta, jotka siirretään pumpuilla omasta säiliöstään. Pumput nostavat paineen moottorin käyttöpaineen yläpuolelle, minkä jälkeen polttoaineet ruiskutetaan moottoriin tavalla, joka takaa sumuttamisen ja nopean sekoittumisen. Nestemäistä polttoainetta käyttävillä moottoreilla on tiettyjä ominaisuuksia, joiden ansiosta ne ovat monissa sovelluksissa kiinteitä järjestelmiä parempia. Näihin ominaisuuksiin kuuluvat (1) suuremmat saavutettavissa olevat pakokaasun teholliset nopeudet (ve), (2) suuremmat massaosuudet (polttoaineen massa jaettuna inerttien komponenttien massalla) ja (3) toimintatason säätö lennon aikana (kuristettavuus), joskus myös pysäytys- ja uudelleenkäynnistysmahdollisuus ja hätäkatkaisu. Joissakin sovelluksissa on myös eduksi, että polttoaineen lataus viivästyy juuri ennen laukaisua, minkä nestemäisen polttoaineen käyttö mahdollistaa. Nämä ominaisuudet edistävät nestemäisten järjestelmien käyttöä monissa ylemmän vaiheen sovelluksissa, joissa korkea ve ja suuri polttoaineen massaosuus ovat erityisen tärkeitä. Nestemäisiä järjestelmiä on käytetty laajalti myös avaruuslentojen ensimmäisen vaiheen kantoraketteina, kuten esimerkiksi Saturn- (Yhdysvallat), Ariane- (Eurooppa) ja Energia- (Neuvostoliitto) laukaisujärjestelmissä. Kiinteän ja nestemäisen polttoaineen suhteellisista eduista suurissa kantoraketeissa käydään edelleen keskustelua, ja siihen liittyy työntövoiman lisäksi myös logistiikkaan, laukaisupaikkojen pääoma- ja käyttökustannuksiin, lentolaitteiston talteenottoon ja uudelleenkäyttöön jne. liittyviä kysymyksiä.

Britannica-tietokilpailu

36 kysymystä Britannican suosituimmista tiedekilpailuista

Miten hyvin tunnet tähtitieteen? Entä kvanttimekaniikka? Tässä tietokilpailussa käydään läpi 36 vaikeinta kysymystä Britannican suosituimmista tieteiden tietokilpailuista. Vain parhaat visailijat selviytyvät siitä.

Nestemäisen raketin työntövoimajärjestelmän tyypillisiä komponentteja ovat moottori, polttoainesäiliöt ja ajoneuvon rakenne, jolla nämä osat pidetään paikoillaan ja jolla ne liitetään hyötykuormaan ja laukaisualustaan (tai ajoneuvoon). Polttoaine- ja hapettimen säiliöt ovat yleensä hyvin kevytrakenteisia, koska ne toimivat matalassa paineessa. Joissakin sovelluksissa polttoaineet ovat kryogeenisiä (eli ne ovat hapen ja vedyn kaltaisia aineita, jotka ovat kaasumaisia ympäristöolosuhteissa ja jotka on tankattava erittäin alhaisessa lämpötilassa ollakseen nestemäisessä tilassa).

Nestemoottori itsessään koostuu polttoaineen ja hapettimen sekoittamiseen ja polttamiseen tarkoitetusta pääkammiosta, jonka etupäässä on polttoaineen ja hapettimen jakeluputket ja ruiskutussuuttimet ja takapäässä yliäänisuutin. Pääkammioon liittyy jäähdytysvaippa, jonka läpi nestemäistä polttoainetta (yleensä polttoainetta) kierrätetään riittävän suurella nopeudella, jotta moottori voi toimia jatkuvasti ilman, että kammion lämpötila nousee liikaa. Moottorin käyttöpaineet ovat yleensä välillä 1 000-10 000 kilopascalia (10-100 ilmakehää). Polttoaineet syötetään injektoriputkistoon hieman korkeammassa paineessa, yleensä suuritehoisten turbopumppujen avulla (toinen polttoaineelle ja toinen hapettimelle). Ulkopuolelta katsottuna nestemäistä polttoainetta käyttävä moottori näyttää usein sokkeloiselta putkistolta, joka yhdistää säiliöt pumppuihin, kuljettaa jäähdytysnesteen virtauksen jäähdytysvaippoihin ja jäähdytysvaipoista ja kuljettaa pumpatut nesteet injektoriin. Lisäksi moottorit on yleensä asennettu kardaanipyöriin, jotta niitä voidaan kääntää muutaman asteen verran työntövoiman suunnan säätöä varten, ja moottorin (tai moottoreiden) ja ajoneuvon rakenteen väliin on kytketty asianmukaiset toimilaitteet moottorin rajoittamiseksi ja pyörittämiseksi.

Yhdysvaltalaisen avaruussukkulan jokaisessa päämoottorissa käytetään nestemäistä happea (LO2) ja nestemäistä vetyä (LH2) polttoaineena. Nämä moottorit edustavat erittäin monimutkaista, suuritehoista nestemäistä polttoainetta käyttävää rakettityyppiä. Kunkin moottorin ve-arvo on 3 630 metriä (11 909 jalkaa) sekunnissa, ja lisäksi niillä voidaan säätää työntövoiman suuruutta merkittävällä alueella (2-1). Lisäksi sukkulan moottorit ovat osa siivekästä orbiteria, joka on suunniteltu kuljettamaan sekä miehistöä että hyötykuormaa jopa 20 tehtävän ajan.

Kompleksisuuden ja suorituskyvyn vastakkaisessa ääripäässä on hydratsiinipursotin, jota käytetään tavanomaisten lentolaitteiden ja miehittämättömien avaruusalusten asennonohjaukseen. Tällaisessa järjestelmässä voidaan pumpun sijasta käyttää venttiilillä varustettua paineastiaa, ja yksittäinen ajoaine virtaa katalysaattoripedin läpi, joka aiheuttaa eksotermisen (lämpöä vapauttavan) hajoamisen. Tuloksena syntyvä kaasu poistuu suuttimen kautta, joka on sopivasti suunnattu vaaditun asennon korjauksen kannalta. Tällaisia järjestelmiä käytetään myös suurempien rakettien turbopumppujen kaasugeneraattoreina.

Useimmissa nestemäistä polttoainetta käyttävissä raketeissa käytetään kaksoispolttoainejärjestelmiä – toisin sanoen järjestelmiä, joissa hapetin ja polttoaine tankataan erikseen ja sekoitetaan polttokammiossa. Polttoaineyhdistelmien toivottuja ominaisuuksia ovat alhainen molekyylimassa ja reaktiotuotteiden korkea lämpötila (suuren pakokaasunopeuden saavuttamiseksi), suuri tiheys (säiliön painon minimoimiseksi), alhainen vaaratekijä (esim. syövyttävyys ja myrkyllisyys), vähäinen ympäristövaikutus ja alhaiset kustannukset. Valinnat perustuvat kompromisseihin sovellusten mukaan. Esimerkiksi nestemäistä happea käytetään laajalti, koska se on hyvä hapetin useille polttoaineille (antaa korkean liekkilämpötilan ja pienen molekyylimassan) ja koska se on kohtuullisen tiheä ja suhteellisen edullinen. Se on nestemäistä vain alle -183 °C:n lämpötilassa, mikä rajoittaa jonkin verran sen saatavuutta, mutta se voidaan ladata eristettyihin säiliöihin juuri ennen laukaisua (ja täydentää tai tyhjentää, jos laukaisu viivästyy). Nestemäinen fluori tai otsoni ovat joiltakin osin parempia hapettimia, mutta niihin liittyy enemmän vaaraa ja ne ovat kalliimpia. Kaikkien näiden järjestelmien alhaiset lämpötilat edellyttävät pumppujen ja muiden komponenttien erityistä suunnittelua, ja fluorin ja otsonin syövyttävyys, myrkyllisyys ja vaaralliset ominaisuudet ovat estäneet niiden käytön operatiivisissa järjestelmissä. Muita käytössä olleita hapettimia ovat typpihappo (HNO3), vetyperoksidi (H2O2) ja typpitetroksidi (N2O4), jotka ovat ympäristöolosuhteissa nestemäisiä. Vaikka jotkin niistä ovat jokseenkin myrkyllisiä kemikaaleja, ne ovat käyttökelpoisia sovelluksissa, joissa raketin on oltava lähes laukaisuvalmiudessa pitkän aikaa, kuten pitkän kantaman ballistisissa ohjuksissa.

Nesteytetty vety on yleensä paras polttoaine suuren pakokaasunopeuden kannalta, ja sitä voitaisiin käyttää yksinomaan, ellei sitä vaadittaisi kryogeenisiksi ja sen tiheys olisi hyvin pieni. Tällaisia hiilivetypolttoaineita, kuten alkoholia ja petrolia, suositaan usein, koska ne ovat ympäristöolosuhteissa nestemäisiä ja tiheämpiä kuin nestemäinen vety sen lisäksi, että ne ovat ”väkevämpiä” polttoaineita (ts. niissä on enemmän polttoaineatomeja jokaisessa molekyylissä). Pakokaasunopeuden arvot määräytyvät korkeampien liekki- (palamis)lämpötilojen ja reaktiotuotteiden molekyylimassojen suhteellisten vaikutusten perusteella.

Käytännössä tärkeimmissä järjestelmissä on tehty erilaisia polttoainevalintoja, kuten nestemäisten polttoaineiden taulukko osoittaa. Lennoilla, joissa voidaan hyödyntää kryogeenisiä ajoaineita (esim. maasta Maahan kiertoradalle -lennot), käytetään useimmiten hapettimena nestemäistä happea. Ensimmäisissä vaiheissa käytetään joko hiilivetyä tai nestemäistä vetyä, kun taas jälkimmäistä käytetään yleensä toisissa vaiheissa. ICBM-ohjuksissa ja muissa vastaavissa ohjuksissa, joiden on oltava laukaisuvalmiudessa lyhyellä varoitusajalla, käytetään muita kuin kryogeenisiä (tai ”varastoitavia”) polttoainejärjestelmiä, kuten esimerkiksi typpitetroksidin ja hydratsiinin – epäsymmetrisen dimetyylihydratsiinin – hapetin-polttoaineseosta (tunnetaan myös nimellä UDMH; 2 NNH2). Tällaisia järjestelmiä käytetään myös pidempikestoisilla lennoilla, kuten avaruussukkulan kiertoratajärjestelmässä ja Apollo-kuumoduulissa. Kiinteät moottorit ovat osoittautuneet käyttökelpoisiksi pitkäkestoisilla lennoilla, mutta nestemäisiä järjestelmiä suositaan usein pysäytyskyvyn tai työntövoiman hallinnan tarpeen vuoksi.

Titan II raketti, nousemassa maanalaisesta siilosta. Mannertenväliseksi ballistiseksi ohjukseksi kehitetty Titan II toimi myös Gemini-miehitettyjen avaruusalusten sekä sotilas- ja siviilisatelliittien laukaisukalustona.

Yhdysvaltain ilmavoimat; kuva toimitti Donald Boelling