Raketsystemen met vloeibare stuwstof dragen de stuwstof in tanks buiten de verbrandingskamer. De meeste van deze motoren gebruiken een vloeibare oxidator en een vloeibare brandstof, die uit hun respectieve tanks worden overgebracht door pompen. De pompen verhogen de druk tot boven de werkdruk van de motor, en de stuwstoffen worden dan in de motor geïnjecteerd op een wijze die verstuiving en snelle menging garandeert. Motoren met vloeibare stuwstof hebben bepaalde kenmerken waardoor zij in veel toepassingen de voorkeur verdienen boven systemen met vaste stuwstof. Deze kenmerken zijn (1) hogere bereikbare effectieve uitlaatsnelheden (ve), (2) hogere massafracties (massa van de stuwstof gedeeld door de massa van de inerte componenten), en (3) regeling van het werkingsniveau tijdens de vlucht (throttleability), soms met inbegrip van de mogelijkheid tot stop-and-restart en noodstop. Ook is het in sommige toepassingen een voordeel dat het laden van stuwstof wordt uitgesteld tot kort voor de lancering, een maatregel die door het gebruik van vloeibare stuwstof mogelijk is. Deze kenmerken bevorderen het gebruik van vloeibare systemen in veel toepassingen van de bovenste trap, waar een hoge ve en een hoge stuwstofmassafractie bijzonder belangrijk zijn. Vloeibare systemen zijn ook op grote schaal gebruikt als draagraketten van de eerste trap voor ruimtemissies, zoals bijvoorbeeld in de Saturnus (VS), Ariane (Europa) en Energia (Sovjet) lanceersystemen. De relatieve verdiensten van vaste en vloeibare drijfgassen in grote lanceervoertuigen zijn nog steeds onderwerp van discussie en hebben niet alleen betrekking op de voortstuwingsprestaties, maar ook op kwesties in verband met logistiek, kapitaal- en exploitatiekosten van lanceerinstallaties, herstel en hergebruik van vlieghardware, enzovoort.

Britannica Quiz

36 Vragen uit Britannica’s Most Popular Science Quizzen

Hoe goed ken je de astronomie? Hoe zit het met quantummechanica? Deze quiz neemt je mee langs 36 van de moeilijkste vragen uit Britannica’s populairste quizzen over de wetenschappen. Alleen de beste quizmasters zullen hem afmaken.

De typische onderdelen van een aandrijfsysteem met vloeibare raket zijn de motor, de brandstoftanks, en de voertuigstructuur waarmee deze onderdelen op hun plaats worden gehouden en worden verbonden met de lading en het lanceerplatform (of het voertuig). De brandstof- en oxidatietanks zijn gewoonlijk zeer licht van constructie, aangezien zij bij lage druk werken. In sommige toepassingen zijn de stuwstoffen cryogeen (d.w.z. stoffen zoals zuurstof en waterstof die bij omgevingscondities gasvormig zijn en bij extreem lage temperatuur moeten worden getankt om vloeibaar te worden).

De vloeibare stuwstofmotor zelf bestaat uit een hoofdkamer voor het mengen en verbranden van de brandstof en oxidatiemiddel, waarbij het voorste uiteinde wordt ingenomen door brandstof- en oxidatiemiddelverdeelstukken en injectoren en het achterste uiteinde bestaat uit de supersonische straalpijp. In de hoofdkamer is een koelmantel ingebouwd waardoor vloeibare stuwstof (gewoonlijk brandstof) circuleert met een snelheid die hoog genoeg is om de motor continu te laten werken zonder een buitensporige temperatuurstijging in de kamer. De bedrijfsdruk van de motor ligt gewoonlijk tussen 1.000 en 10.000 kilopascal (10-100 atmosfeer). De stuwstoffen worden bij een iets hogere druk naar het injectorspruitstuk toegevoerd, gewoonlijk door turbopompen met hoge capaciteit (één voor de brandstof en één voor de oxidator). Van buitenaf ziet een motor met vloeibare stuwstof er vaak uit als een wirwar van leidingen, die de tanks met de pompen verbindt, de koelvloeistofstroom van en naar de koelmantels voert, en de gepompte vloeistoffen naar de injector transporteert. Bovendien zijn motoren over het algemeen gemonteerd op gimbals zodat ze een paar graden kunnen worden gedraaid om de richting van de stuwkracht te regelen, en geschikte actuatoren zijn verbonden tussen de motor (of motoren) en de voertuigstructuur om de motor in bedwang te houden en te draaien.

Elke van de hoofdmotoren van het Amerikaanse ruimteveer maakt gebruik van vloeibare zuurstof (LO2) en vloeibare waterstof (LH2) stuwstoffen. Deze motoren vormen een zeer complexe, krachtige soort raket met vloeibare stuwstof. Niet alleen heeft elk een ve waarde van 3.630 meter (11.909 voet) per seconde, maar het is ook in staat de stuwkracht over een aanzienlijk bereik te regelen (2-1). Bovendien maken de shuttle-motoren deel uit van de gevleugelde orbiter, die is ontworpen om zowel bemanning als payload te vervoeren voor maximaal 20 missies.

Aan het tegenovergestelde uiterste van complexiteit en prestaties staat een hydrazine stuwraket die wordt gebruikt voor standregeling van conventionele vluchtvoertuigen en onbemande ruimtevaartuigen. Een dergelijk systeem kan gebruik maken van een drukvat met kleppen in plaats van een pomp, en de enkele stuwstof stroomt door een katalysatorbed dat een exotherme (warmte-afgevende) ontleding veroorzaakt. Het resulterende gas wordt uitgestoten door een straalpijp die geschikt is gericht voor de vereiste standcorrectie. Dit soort systemen wordt ook gebruikt als gasgeneratoren voor turbopompen op grotere raketten.

De meeste raketten met vloeibare stuwstof gebruiken systemen met twee stuwstoffen – d.w.z. die waarin een oxidatiemiddel en een brandstof afzonderlijk worden getankt en in de verbrandingskamer worden gemengd. Gewenste eigenschappen voor stuwstofcombinaties zijn een lage molecuulmassa en een hoge temperatuur van de reactieproducten (voor een hoge uitlaatsnelheid), een hoge dichtheid (om het tankgewicht te minimaliseren), een lage risicofactor (b.v. corrosiviteit en toxiciteit), geringe milieueffecten, en een lage kostprijs. De keuzes zijn gebaseerd op afwegingen naar gelang van de toepassingen. Vloeibare zuurstof wordt bijvoorbeeld veel gebruikt omdat het een goed oxidatiemiddel is voor een aantal brandstoffen (met een hoge vlamtemperatuur en een lage molecuulmassa) en omdat het een redelijke dichtheid heeft en relatief goedkoop is. Het is alleen vloeibaar beneden -183 °C (-297 °F), hetgeen de beschikbaarheid enigszins beperkt, maar het kan kort voor de lancering in geïsoleerde tanks worden geladen (en bij vertragingen bijgevuld of afgetapt worden). Vloeibaar fluor of ozon zijn in sommige opzichten betere oxidatiemiddelen, maar brengen meer gevaren en hogere kosten met zich mee. De lage temperaturen van al deze systemen vereisen een speciaal ontwerp van pompen en andere onderdelen, en de corrosiviteit, toxiciteit en gevaarlijke eigenschappen van fluor en ozon hebben het gebruik ervan in operationele systemen verhinderd. Andere oxidatiemiddelen die in de praktijk zijn gebruikt zijn salpeterzuur (HNO3), waterstofperoxide (H2O2) en stikstoftetroxide (N2O4), die onder normale omgevingsomstandigheden vloeibaar zijn. Hoewel sommige van deze stoffen enigszins schadelijk zijn, zijn zij nuttig bij toepassingen waarbij de raket gedurende langere tijd in een bijna vuurvaste toestand moet verkeren, zoals in het geval van ballistische lange-afstandsraketten.

Liquid hydrogen is usually the best fuel from the standpoint of high exhaust velocity, and it might be used exclusively ware het niet van de cryogene eis en zijn zeer lage dichtheid. Dergelijke koolwaterstofbrandstoffen zoals alcohol en kerosine hebben vaak de voorkeur omdat zij vloeibaar zijn in omgevingsomstandigheden en dichter zijn dan vloeibare waterstof naast het feit dat zij meer “geconcentreerde” brandstoffen zijn (d.w.z., zij hebben meer brandstofatomen in elke molecule). De waarden van de uitlaatsnelheid worden bepaald door de relatieve effecten van hogere vlamtemperaturen (verbranding) en molecuulmassa’s van reactieproducten.

In de praktijk is in grote systemen een verscheidenheid aan keuzes van stuwstoffen gemaakt, zoals weergegeven in de tabel van vloeibare stuwstoffen. Bij vluchten waarbij cryogene stuwstoffen kunnen worden gebruikt (b.v. grond-aarde-baanvoortstuwing), wordt meestal vloeibare zuurstof als oxidatiemiddel gebruikt. In de eerste trappen wordt koolwaterstof of vloeibare waterstof gebruikt, terwijl dit laatste gewoonlijk wordt toegepast in de tweede trappen. In ICBM’s en andere soortgelijke geleide projectielen die op korte termijn klaar moeten zijn voor lancering, worden niet-cryogene (of “opslagbare”) stuwstofsystemen gebruikt, zoals bijvoorbeeld een oxidatie-brandstofmengsel van stikstoftetroxide en hydrazine-unsymmetrische dimethylhydrazine (ook UDMH genoemd; 2 NNH2). Dergelijke systemen worden ook gebruikt bij langdurige vluchten, zoals die met het Orbital Maneuvering System van het ruimteveer en de Apollo maanlander. Vaste motoren zijn nuttig gebleken bij langdurige vluchten, maar vloeibare systemen genieten vaak de voorkeur vanwege de behoefte aan stop-startvermogen of stuwkrachtregeling.