Sistemas de combustível líquido transportam o propulsor em tanques externos à câmara de combustão. A maioria destes motores utiliza um oxidante líquido e um combustível líquido, que são transferidos de seus respectivos tanques por bombas. As bombas elevam a pressão acima da pressão de operação do motor, e os propulsores são então injetados no motor de forma a garantir a atomização e mistura rápida. Os motores com propulsor líquido têm certas características que os tornam preferíveis aos sistemas sólidos em muitas aplicações. Essas características incluem (1) maior velocidade de escape efetiva atingível (ve), (2) maiores frações de massa (massa do propulsor dividida pela massa dos componentes inertes), e (3) controle do nível de operação em vôo (capacidade de aceleração), às vezes incluindo a capacidade de parar e reiniciar e desligamento de emergência. Além disso, em algumas aplicações é uma vantagem que o carregamento do propulsor é atrasado até pouco antes do tempo de lançamento, uma medida que o uso de um propulsor líquido permite. Estas características tendem a promover o uso de sistemas líquidos em muitas aplicações de estágio superior onde o ve elevado e a fração de massa do propulsor elevada são particularmente importantes. Os sistemas líquidos também têm sido amplamente utilizados como veículos de lançamento de primeiro estágio para missões espaciais, como, por exemplo, nos sistemas de lançamento Saturn (EUA), Ariane (europeu) e Energia (soviético). Os méritos relativos dos propulsores sólidos e líquidos em grandes veículos de lançamento ainda estão em debate e envolvem não só o desempenho da propulsão, mas também questões relacionadas com a logística, capital e custos operacionais dos locais de lançamento, recuperação e reutilização do hardware de voo, e assim por diante.

Questionário Britannica

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Os componentes típicos de um sistema de propulsão de rocha líquida são o motor, tanques de combustível e a estrutura do veículo com os quais você pode manter essas peças no lugar e conectá-las à plataforma de carga útil e à rampa de lançamento (ou veículo). Os tanques de combustível e oxidante são normalmente de construção muito leve, pois operam a baixa pressão. Em algumas aplicações, os propulsores são criogênicos (ou seja, são substâncias como oxigênio e hidrogênio, que são gasosas em condições ambientais e devem ser afundados a temperaturas extremamente baixas para estarem no estado líquido).

O próprio motor de propulsor líquido consiste em uma câmara principal para misturar e queimar o combustível e o oxidante, com a extremidade dianteira ocupada por coletores e injetores de combustível e oxidante e a extremidade traseira composta pelo bico supersônico. Integral à câmara principal é uma camisa de refrigeração através da qual o propulsor líquido (geralmente combustível) circula a taxas suficientemente altas para permitir que o motor funcione continuamente sem um aumento excessivo da temperatura na câmara. As pressões de funcionamento do motor estão normalmente na faixa de 1.000-10.000 quilopascals (10-100 atmosferas). Os propulsores são fornecidos ao colector do injector a uma pressão um pouco mais elevada, geralmente por turbobombas de alta capacidade (uma para o combustível e outra para o oxidante). Do exterior, um motor de propulsão líquida muitas vezes parece um labirinto de canalizações, que liga os tanques às bombas, transporta o fluxo do líquido refrigerante de e para as camisas de arrefecimento e transporta os fluidos bombeados para o injector. Além disso, os motores são geralmente montados em cardan para que possam ser girados alguns graus para controle da direção do impulso, e atuadores apropriados são conectados entre o motor (ou motores) e a estrutura do veículo para restringir e girar o motor.

Cada um dos principais motores do ônibus espacial dos EUA emprega oxigênio líquido (LO2) e hidrogênio líquido (LH2) propulsores. Estes motores representam uma variedade muito complexa e de alto desempenho de foguete de combustível líquido. Cada um deles não só tem um valor de ve de 3.630 metros (11.909 pés) por segundo, como também é capaz de controlar a magnitude do impulso sobre um alcance significativo (2-1). Além disso, os motores de vaivém fazem parte do orbital alado, que foi concebido para transportar tripulação e carga útil para até 20 missões.

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No extremo oposto de complexidade e desempenho é um propulsor de hidrazina usado para controle de atitude de veículos de vôo convencionais e naves espaciais não tripuladas. Tal sistema pode empregar um vaso de pressão valvulado no lugar de uma bomba, e o único propulsor flui através de um leito de catalisador que causa a decomposição exotérmica (libertação de calor). O gás resultante é exaurido através de um bico que é devidamente orientado para a correção da atitude necessária. Sistemas deste tipo também são utilizados como geradores de gás para turbobombas em foguetes maiores.

Os foguetes com maior quantidade de combustível líquido utilizam sistemas bipropulsores, ou seja, aqueles em que um oxidante e um combustível são depositados separadamente e misturados na câmara de combustão. As propriedades desejáveis para combinações de propulsores são baixa massa molecular e alta temperatura dos produtos de reação (para alta velocidade de escape), alta densidade (para minimizar o peso do tanque), baixo fator de risco (por exemplo, corrosividade e toxicidade), baixo impacto ambiental e baixo custo. As escolhas são baseadas em compensações de acordo com as aplicações. Por exemplo, o oxigênio líquido é amplamente utilizado porque é um bom oxidante para vários combustíveis (dando alta temperatura de chama e baixa massa molecular) e porque é razoavelmente denso e relativamente barato. É líquido apenas abaixo de -183 °C (-297 °F), o que limita um pouco sua disponibilidade, mas pode ser carregado em tanques isolados pouco antes do lançamento (e reabastecido ou drenado no caso de atrasos no lançamento). O flúor líquido ou o ozônio são melhores oxidantes em alguns aspectos, mas envolvem mais perigo e custo mais alto. As baixas temperaturas de todos estes sistemas requerem projetos especiais de bombas e outros componentes, e a corrosividade, toxicidade e características perigosas do flúor e do ozônio têm impedido seu uso em sistemas operacionais. Outros oxidantes que tiveram uso operacional são ácido nítrico (HNO3), peróxido de hidrogênio (H2O2) e tetróxido de nitrogênio (N2O4), que são líquidos sob condições ambientais. Embora alguns sejam químicos um pouco nocivos, eles são úteis em aplicações onde o foguete deve estar quase pronto para o fogo durante um longo período de tempo, como no caso de mísseis balísticos de longo alcance.

O hidrogénio líquido é normalmente o melhor combustível do ponto de vista da alta velocidade de escape, e pode ser usado exclusivamente se não fosse pela necessidade criogénica e pela sua densidade muito baixa. Combustíveis como o álcool e o querosene são frequentemente preferidos porque são líquidos sob condições ambientais e mais densos que o hidrogénio líquido, além de serem combustíveis mais “concentrados” (ou seja, têm mais átomos de combustível em cada molécula). Os valores da velocidade de escape são determinados pelos efeitos relativos de temperaturas de chama (combustão) mais elevadas e massas moleculares dos produtos de reacção.

Na prática, uma variedade de escolhas de sistemas de propulsores tem sido feita nos principais sistemas, como mostrado na tabela de propulsores líquidos. Em vôos onde propulsores criogênicos podem ser utilizados (por exemplo, propulsão terra-terra-orbit), o oxigênio líquido é mais freqüentemente utilizado como oxidante. Nos primeiros estágios é utilizado um hidrocarboneto ou hidrogênio líquido, enquanto o último é geralmente adotado para os segundos estágios. Nos ICBMs e outros mísseis guiados similares que devem estar prontos para lançamento a curto prazo, são utilizados sistemas de propulsão não criogénicos (ou “armazenáveis”), como, por exemplo, uma mistura oxidante-combustível de tetróxido de azoto e dimetil-hidrazina hidrazina assimétrica (também designada UDMH; 2 NNH2). Sistemas deste tipo também encontram aplicação em voos de maior duração, como os que envolvem o Sistema de Manobra Orbital do Vaivém Espacial e o Módulo Lunar Apollo. Motores sólidos têm se mostrado úteis em vôos de longa duração, mas sistemas líquidos são frequentemente preferidos por causa da necessidade de capacidade de stop-start ou controle de impulso.

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