Sistemele cu propulsie lichidă transportă propulsorul în rezervoare exterioare camerei de ardere. Majoritatea acestor motoare utilizează un oxidant lichid și un combustibil lichid, care sunt transferate din rezervoarele lor respective prin intermediul unor pompe. Pompele ridică presiunea peste presiunea de funcționare a motorului, iar propulsoarele sunt apoi injectate în motor într-un mod care asigură atomizarea și amestecarea rapidă. Motoarele cu propulsor lichid au anumite caracteristici care le fac preferabile sistemelor solide în multe aplicații. Aceste caracteristici includ (1) viteze efective de evacuare (ve) mai mari care pot fi atinse, (2) fracții de masă mai mari (masa de propulsor împărțită la masa componentelor inerte) și (3) controlul nivelului de funcționare în timpul zborului (manevrabilitate), incluzând uneori capacitatea de oprire și repornire și oprirea de urgență. De asemenea, în unele aplicații, este un avantaj faptul că încărcarea propulsorului este amânată până cu puțin timp înainte de momentul lansării, o măsură pe care o permite utilizarea unui propulsor lichid. Aceste caracteristici au tendința de a promova utilizarea sistemelor lichide în multe aplicații ale etapei superioare în care ve și fracția masică mare de propulsor sunt deosebit de importante. Sistemele lichide au fost, de asemenea, utilizate pe scară largă ca vehicule de lansare în prima etapă pentru misiuni spațiale, ca, de exemplu, în sistemele de lansare Saturn (SUA), Ariane (european) și Energia (sovietic). Meritele relative ale propulsoarelor solide și lichide în cazul vehiculelor de lansare de mari dimensiuni sunt încă în dezbatere și implică nu numai performanța de propulsie, ci și aspecte legate de logistică, costurile de capital și de exploatare a locurilor de lansare, recuperarea și reutilizarea echipamentelor de zbor și așa mai departe.

Chestionar Britannica

36 întrebări din cele mai populare chestionare de știință Britannica

Cât de bine cunoști astronomia? Dar mecanica cuantică? Acest test vă va trece în revistă 36 dintre cele mai dificile întrebări din cele mai populare chestionare Britannica despre științe. Doar cei mai buni maeștri ai quiz-ului îl vor termina.

Componentele tipice ale unui sistem de propulsie cu rachetă lichidă sunt motorul, rezervoarele de combustibil și structura vehiculului cu ajutorul căreia aceste părți sunt ținute la locul lor și conectate la sarcina utilă și la rampa de lansare (sau la vehicul). Rezervoarele de combustibil și oxidant sunt, de obicei, de construcție foarte ușoară, deoarece funcționează la presiune scăzută. În unele aplicații, propulsoarele sunt criogenice (adică sunt substanțe, cum ar fi oxigenul și hidrogenul, care sunt gazoase în condiții ambiante și trebuie să fie depozitate în rezervoare la temperaturi extrem de scăzute pentru a fi în stare lichidă).

Motorul cu propulsie lichidă propriu-zis constă într-o cameră principală pentru amestecarea și arderea combustibilului și a oxidantului, cu capătul din față ocupat de colectoarele și injectoarele de combustibil și oxidant, iar capătul din spate compus din ajutajul supersonic. În camera principală este integrată o manta de răcire prin care propulsorul lichid (de obicei combustibil) circulă la viteze suficient de mari pentru a permite motorului să funcționeze continuu fără o creștere excesivă a temperaturii în cameră. Presiunile de funcționare a motorului sunt de obicei cuprinse între 1.000 și 10.000 de kilopascali (10-100 de atmosfere). Propulsoarele sunt alimentate la colectorul de injecție la o presiune ceva mai mare, de obicei prin turbopompe de mare capacitate (una pentru combustibil și alta pentru oxidant). Din exterior, un motor cu propulsie lichidă arată adesea ca un labirint de țevi, care leagă rezervoarele de pompe, transportă fluxul de lichid de răcire către și dinspre cămășile de răcire și transportă fluidele pompate către injector. În plus, motoarele sunt, în general, montate pe cardane, astfel încât să poată fi rotite cu câteva grade pentru controlul direcției de împingere, iar actuatorii corespunzători sunt conectați între motor (sau motoare) și structura vehiculului pentru a constrânge și roti motorul.

Care dintre motoarele principale ale navetei spațiale americane utilizează propulsoare de oxigen lichid (LO2) și hidrogen lichid (LH2). Aceste motoare reprezintă o varietate foarte complexă și foarte performantă de rachete cu propulsor lichid. Nu numai că fiecare dintre ele are o valoare ve de 3.630 de metri (11.909 picioare) pe secundă, dar este, de asemenea, capabilă să controleze magnitudinea de împingere pe o plajă semnificativă (2-1). Mai mult decât atât, motoarele navetei fac parte din orbitatorul cu aripi, care este proiectat să transporte atât echipajul, cât și încărcătura utilă pentru până la 20 de misiuni.

La extrema opusă a complexității și performanței se află un propulsor cu hidrazină utilizat pentru controlul atitudinii vehiculelor de zbor convenționale și a navelor spațiale fără pilot. Un astfel de sistem poate utiliza un vas sub presiune cu supape în locul unei pompe, iar propulsorul unic curge printr-un pat de catalizator care provoacă o descompunere exotermică (cu eliberare de căldură). Gazul rezultat este evacuat printr-o duză orientată în mod corespunzător pentru corecția de atitudine necesară. Sistemele de acest tip sunt, de asemenea, utilizate ca generatoare de gaz pentru turbopompele de pe rachete mai mari.

Majoritatea rachetelor cu propulsie lichidă utilizează sisteme bipropelente – adică cele în care un oxidant și un combustibil sunt depozitate separat și amestecate în camera de combustie. Proprietățile dezirabile pentru combinațiile de propulsoare sunt masa moleculară redusă și temperatura ridicată a produselor de reacție (pentru o viteză mare de evacuare), densitatea ridicată (pentru a minimiza greutatea rezervorului), factorul de pericol scăzut (de exemplu, corozivitate și toxicitate), impactul redus asupra mediului și costul redus. Alegerile se bazează pe compromisuri în funcție de aplicații. De exemplu, oxigenul lichid este utilizat pe scară largă deoarece este un bun oxidant pentru o serie de combustibili (oferind o temperatură ridicată a flăcării și o masă moleculară redusă) și deoarece este rezonabil de dens și relativ ieftin. Este lichid numai la temperaturi mai mici de -183 °C (-297 °F), ceea ce îi limitează oarecum disponibilitatea, dar poate fi încărcat în rezervoare izolate cu puțin timp înainte de lansare (și reaprovizionat sau golit în caz de întârzieri la lansare). Fluorul lichid sau ozonul sunt oxidanți mai buni din anumite puncte de vedere, dar implică mai multe riscuri și costuri mai mari. Temperaturile scăzute ale tuturor acestor sisteme necesită o proiectare specială a pompelor și a altor componente, iar corozivitatea, toxicitatea și caracteristicile periculoase ale fluorului și ozonului au împiedicat utilizarea lor în sistemele operaționale. Alți oxidanți care au fost utilizați în mod operațional sunt acidul azotic (HNO3), peroxidul de hidrogen (H2O2) și tetraoxidul de azot (N2O4), care sunt lichide în condiții de mediu. Deși unele sunt substanțe chimice oarecum nocive, acestea sunt utile în aplicații în care racheta trebuie să fie aproape gata de tragere pe o perioadă de timp îndelungată, ca în cazul rachetelor balistice cu rază lungă de acțiune.

Hidrogenul lichid este, de obicei, cel mai bun combustibil din punctul de vedere al vitezei mari de evacuare și ar putea fi folosit exclusiv dacă nu ar fi necesar să fie criogenic și dacă nu ar fi densitatea sa foarte scăzută. Combustibili de hidrocarburi precum alcoolul și kerosenul sunt adesea preferați pentru că sunt lichizi în condiții ambientale și mai densi decât hidrogenul lichid, în plus față de faptul că sunt combustibili mai „concentrați” (adică au mai mulți atomi de combustibil în fiecare moleculă). Valorile vitezei de evacuare sunt determinate de efectele relative ale temperaturilor mai ridicate ale flăcării (combustiei) și de masele moleculare ale produselor de reacție.

În practică, în sistemele majore au fost făcute o varietate de alegeri ale sistemelor de propulsie, așa cum se arată în tabelul cu propulsoare lichide. În zborurile în care se pot utiliza propulsoare criogenice (de exemplu, propulsie sol-Terra-orbită), oxigenul lichid este cel mai adesea utilizat ca oxidant. În primele etape se utilizează fie o hidrocarbură, fie hidrogenul lichid, în timp ce acesta din urmă este de obicei adoptat pentru a doua etapă. În cazul rachetelor ICBM și al altor rachete ghidate similare care trebuie să fie gata de lansare în scurt timp, se folosesc sisteme de propulsie necriogenice (sau „stocabile”), cum ar fi, de exemplu, un amestec oxidant-combustibil de tetraoxid de azot și hidrazină – dimetilhidrazină nesimetrică (denumită și UDMH; 2 NNH2). Sistemele de acest tip se aplică, de asemenea, la zborurile de durată mai lungă, cum ar fi cele care implică sistemul de manevră orbitală al navetei spațiale și modulul lunar Apollo. Motoarele solide s-au dovedit utile la zborurile de lungă durată, dar sistemele lichide sunt adesea preferate din cauza necesității de a avea capacitatea de oprire-pornire sau de control al împingerii.

.