Systemy na paliwo ciekłe przenoszą paliwo w zbiornikach zewnętrznych w stosunku do komory spalania. Większość z tych silników używa ciekłego utleniacza i ciekłego paliwa, które są przenoszone ze swoich zbiorników za pomocą pomp. Pompy podnoszą ciśnienie powyżej ciśnienia roboczego silnika, a materiały pędne są następnie wtryskiwane do silnika w sposób zapewniający rozpylenie i szybkie mieszanie. Silniki na paliwo ciekłe mają pewne cechy, które w wielu zastosowaniach czynią je lepszymi od systemów stałych. Cechy te obejmują (1) wyższe osiągalne efektywne prędkości wylotowe (ve), (2) wyższe ułamki masowe (masa paliwa podzielona przez masę składników obojętnych) oraz (3) kontrolę poziomu roboczego w locie (dławienie), czasami obejmującą możliwość zatrzymania i ponownego uruchomienia oraz wyłączenia awaryjnego. Ponadto, w niektórych zastosowaniach zaletą jest opóźnienie załadunku materiału pędnego do czasu tuż przed startem, co jest możliwe dzięki zastosowaniu ciekłego materiału pędnego. Cechy te skłaniają do stosowania układów ciekłych w wielu zastosowaniach górnego stopnia, w których szczególnie ważne są wysoki żył i wysoki ułamek masy paliwa. Układy cieczowe były także szeroko stosowane jako rakiety nośne pierwszego stopnia w misjach kosmicznych, jak na przykład w systemach startowych Saturn (USA), Ariane (Europa) i Energia (Związek Radziecki). Względne zalety stałych i ciekłych materiałów pędnych w dużych pojazdach nośnych są wciąż dyskutowane i dotyczą nie tylko osiągów napędu, ale także kwestii związanych z logistyką, kosztami kapitałowymi i operacyjnymi miejsc startowych, odzyskiwaniem i ponownym użyciem sprzętu latającego, i tak dalej.

Britannica Quiz

36 Questions from Britannica’s Most Popular Science Quizzes

How well do you know astronomy? A może mechanikę kwantową? Ten quiz poprowadzi Cię przez 36 najtrudniejszych pytań z najpopularniejszych quizów Britanniki dotyczących nauk ścisłych. Ukończą go tylko najlepsi quizmasterzy.

Typowymi elementami systemu napędowego rakiety na paliwo ciekłe są silnik, zbiorniki paliwa i konstrukcja pojazdu, która utrzymuje te części na miejscu i łączy je z ładunkiem użytecznym i wyrzutnią (lub pojazdem). Zbiorniki paliwa i utleniacza mają zwykle bardzo lekką konstrukcję, ponieważ działają pod niskim ciśnieniem. W niektórych zastosowaniach materiały pędne są kriogeniczne (tj. są to substancje takie jak tlen i wodór, które w warunkach otoczenia mają postać gazową i muszą być przechowywane w zbiornikach o bardzo niskiej temperaturze, aby mogły przejść w stan ciekły).

Silnik na paliwo ciekłe składa się z komory głównej służącej do mieszania i spalania paliwa i utleniacza, której przednią część zajmują rozdzielacze paliwa i utleniacza oraz wtryskiwacze, a tylną – dysza naddźwiękowa. Integralną częścią komory głównej jest płaszcz chłodzący, przez który przepływa ciekły materiał pędny (zwykle paliwo) z szybkością wystarczająco dużą, aby umożliwić ciągłą pracę silnika bez nadmiernego wzrostu temperatury w komorze. Ciśnienie robocze silnika mieści się zwykle w zakresie 1 000-10 000 kilopaskali (10-100 atmosfer). Materiały pędne są dostarczane do kolektora wtryskiwaczy pod nieco wyższym ciśnieniem, zwykle przez turbopompy o dużej wydajności (jedna dla paliwa i druga dla utleniacza). Z zewnątrz silnik na paliwo ciekłe często wygląda jak labirynt instalacji wodno-kanalizacyjnych, które łączą zbiorniki z pompami, prowadzą strumień chłodziwa do i z płaszcza chłodzącego oraz transportują pompowane płyny do wtryskiwacza. Ponadto, silniki są zazwyczaj montowane na kardanach, dzięki czemu mogą być obracane o kilka stopni w celu kontroli kierunku ciągu, a odpowiednie siłowniki są podłączone między silnikiem (lub silnikami) a konstrukcją pojazdu w celu ograniczenia i obracania silnika.

Każdy z głównych silników amerykańskiego promu kosmicznego wykorzystuje ciekły tlen (LO2) i ciekły wodór (LH2). Silniki te stanowią bardzo złożoną, wysokowydajną odmianę rakiety na paliwo ciekłe. Każdy z nich nie tylko osiąga prędkość 3,630 metrów (11,909 stóp) na sekundę, ale jest również zdolny do sterowania wielkością ciągu w znacznym zakresie (2-1). Ponadto, silniki wahadłowca są częścią skrzydlatego orbitera, który jest zaprojektowany do przenoszenia zarówno załogi jak i ładunku użytecznego przez maksymalnie 20 misji.

Na przeciwległym biegunie złożoności i wydajności znajduje się pędnik hydrazynowy używany do kontroli położenia konwencjonalnych pojazdów latających i bezzałogowych statków kosmicznych. Taki system może wykorzystywać zbiornik ciśnieniowy z zaworami zamiast pompy, a pojedynczy materiał pędny przepływa przez złoże katalizatora, który powoduje egzotermiczny (uwalniający ciepło) rozkład. Powstały gaz jest wydalany przez dyszę, która jest odpowiednio zorientowana dla wymaganej korekty położenia. Systemy tego typu są również używane jako generatory gazu dla turbogeneratorów w większych rakietach.

Większość rakiet na paliwo ciekłe wykorzystuje systemy dwupaliwowe – tzn. takie, w których utleniacz i paliwo są tankowane oddzielnie i mieszane w komorze spalania. Pożądane właściwości kombinacji materiałów pędnych to niska masa cząsteczkowa i wysoka temperatura produktów reakcji (dla wysokiej prędkości wylotowej), wysoka gęstość (dla zminimalizowania masy zbiornika), niski współczynnik zagrożenia (np. korozyjność i toksyczność), niski wpływ na środowisko i niski koszt. Wyboru dokonuje się na podstawie kompromisów w zależności od zastosowań. Na przykład, ciekły tlen jest szeroko stosowany, ponieważ jest dobrym utleniaczem dla wielu paliw (dając wysoką temperaturę płomienia i niską masę cząsteczkową) oraz ponieważ jest stosunkowo gęsty i stosunkowo tani. Ciekły jest tylko poniżej -183 °C (-297 °F), co nieco ogranicza jego dostępność, ale może być załadowany do izolowanych zbiorników na krótko przed startem (i uzupełniony lub opróżniony w przypadku opóźnienia startu). Ciekły fluor lub ozon są pod pewnymi względami lepszymi utleniaczami, ale wiążą się z większym niebezpieczeństwem i wyższymi kosztami. Niskie temperatury wszystkich tych systemów wymagają specjalnej konstrukcji pomp i innych komponentów, a korozyjność, toksyczność i niebezpieczne właściwości fluoru i ozonu uniemożliwiły ich zastosowanie w systemach operacyjnych. Inne utleniacze, które znalazły zastosowanie operacyjne, to kwas azotowy (HNO3), nadtlenek wodoru (H2O2) i czterotlenek azotu (N2O4), które w warunkach otoczenia są cieczami. Chociaż niektóre z nich są nieco szkodliwymi substancjami chemicznymi, są one przydatne w zastosowaniach, w których rakieta musi pozostawać w stanie niemal gotowym do odpalenia przez dłuższy czas, jak w przypadku pocisków balistycznych dalekiego zasięgu.

Płynny wodór jest zazwyczaj najlepszym paliwem z punktu widzenia wysokiej prędkości wylotowej i mógłby być stosowany wyłącznie, gdyby nie wymóg kriogeniczny i bardzo niska gęstość. Często preferowane są paliwa węglowodorowe, takie jak alkohol i nafta, ponieważ są one ciekłe w warunkach otoczenia i gęstsze niż wodór ciekły, a ponadto są paliwami bardziej „skoncentrowanymi” (tj. mają więcej atomów paliwa w każdej cząsteczce). Wartości prędkości wylotowej są określane przez względne skutki wyższych temperatur płomienia (spalania) i mas cząsteczkowych produktów reakcji.

W praktyce w głównych systemach dokonano różnych wyborów układów paliwowych, jak pokazano w tabeli płynnych materiałów pędnych. W lotach, w których mogą być wykorzystane paliwa kriogeniczne (np. napęd ziemia-orbita), jako utleniacz najczęściej stosowany jest ciekły tlen. W pierwszych stopniach stosuje się albo węglowodory, albo ciekły wodór, podczas gdy ten ostatni jest zwykle stosowany w drugich stopniach. W ICBM-ach i innych podobnych pociskach kierowanych, które muszą być gotowe do startu w krótkim czasie, stosuje się niekryogeniczne (lub „możliwe do składowania”) systemy paliwowe, jak na przykład mieszaninę utleniacza i paliwa, składającą się z tetratlenku azotu i hydrazyny – niesymetrycznej dimetylohydrazyny (oznaczanej również jako UDMH; 2 NNH2). Systemy tego typu znajdują również zastosowanie w lotach o dłuższym czasie trwania, takich jak loty promu kosmicznego Orbital Maneuvering System czy modułu księżycowego Apollo. Silniki na paliwo stałe okazały się przydatne w lotach o długim czasie trwania, ale systemy ciekłe są często preferowane ze względu na konieczność zapewnienia możliwości zatrzymania rozruchu lub kontroli ciągu.

.