Raketti
Yleisominaisuudet ja toimintaperiaatteet
Raketti eroaa suihkuturbiinimoottorista ja muista ”ilmaa hengittävistä” moottoreista siinä, että koko pakokaasusuihku koostuu aluksella kuljetettavien ”ajoaineiden” kaasumaisista palamistuotteista. Turboturbiinimoottorin tapaan raketti kehittää työntövoiman heittämällä massaa taaksepäin erittäin suurella nopeudella.
NASA
Rakettien käyttövoimaan liittyvän fysikaalisen perusperiaatteen muotoili Sir Isaac Newton. Hänen kolmannen liikelakiensa mukaan raketti kokee impulssin kasvun, joka on verrannollinen pakokaasun mukana kulkeutuvaan impulssiin,
jossa M on raketin massa, ΔvR on raketin nopeuden kasvu lyhyessä ajassa Δt, m° on massan purkautumisnopeus pakokaasun mukana, ve on pakokaasun tehollinen nopeus (lähes yhtä suuri kuin suihkunopeus ja rakettiin nähden mitattuna), ja F on voima. Suure m°ve on propulsiovoima eli työntövoima, joka syntyy rakettiin pakokaasua poistamalla,
NASA
Työntövoima voidaan ilmeisesti tehdä suureksi käyttämällä suurta massapurkausnopeutta tai suurta pakokaasunopeutta. Suuren m°:n käyttäminen kuluttaa polttoainevaraston nopeasti loppuun (tai vaatii suuren varaston), joten on parempi pyrkiä korkeisiin ve:n arvoihin. Ve:n arvoa rajoittavat käytännön näkökohdat, jotka määräytyvät sen mukaan, miten pakokaasua kiihdytetään yliäänisuuttimessa ja millainen energiavarasto on käytettävissä ponneaineen lämmittämiseen.
Useimmat raketit saavat energiansa lämpömuodossa polttamalla kondensoituneita ajoaineita korkeassa paineessa. Kaasumaiset palamistuotteet poistuvat suuttimen kautta, joka muuttaa suurimman osan lämpöenergiasta liike-energiaksi. Käytettävissä olevan energian enimmäismäärä rajoittuu palamisesta saatavaan energiamäärään tai korkeasta lämpötilasta johtuviin käytännön näkökohtiin. Suuremmat energiamäärät ovat mahdollisia, jos muita energialähteitä (esim. sähkö- tai mikroaaltolämmitystä) käytetään yhdessä rakettien kemiallisten ajoaineiden kanssa, ja erittäin suuret energiamäärät ovat mahdollisia, kun pakokaasua kiihdytetään sähkömagneettisesti.
Tehollinen pakokaasunopeus on rakettien työntövoiman tunnusluku, koska se mittaa työntövoimaa käytetyn polttoaineen massayksikköä kohti,
Kemiallisilla ajoaineilla ve:n arvot ovat välillä 2 000-5 000 metriä (6 500-16 400 jalkaa) sekunnissa, kun taas sähköisesti lämmitetyille ajoaineille väitetään kaksi- tai kolminkertaisia arvoja. Sähkömagneettista kiihdytystä käyttäville järjestelmille ennustetaan arvoja, jotka ylittävät 40 000 metriä (131 000 jalkaa) sekunnissa. Tekniikan piirissä, erityisesti Yhdysvalloissa, pakokaasun tehollinen nopeus ilmaistaan yleisesti sekunneissa, ja sitä kutsutaan ominaisimpulssiksi. Sekunteina ilmaistut arvot saadaan jakamalla efektiiviset pakokaasunopeudet vakiokertoimella 9,81 metriä sekunnissa neliössä (32,2 jalkaa sekunnissa neliössä).
Tyypillisessä kemiallisten rakettien lentoonlähdössä 50-95 prosenttia tai enemmän lentoonlähtömassasta on polttoainetta. Tätä voidaan suhteuttaa polttonopeuden yhtälön avulla (olettaen painovoimaton ja ilman vastusta tapahtuva lento),
Tässä lausekkeessa Ms/Mp on työntövoimajärjestelmän ja rakenteen massan suhde polttoaineen massaan, tyypillinen arvo on 0,09 (symboli ln tarkoittaa luonnollista logaritmia). Mp/Mo on potkurimassan suhde koko lentoonlähtömassaan, tyypillinen arvo on 0,90. Tyypillinen ve-arvo vety-happijärjestelmälle on 3 536 metriä (11 601 jalkaa) sekunnissa. Edellä esitetystä yhtälöstä voidaan laskea hyötykuorman massan suhde lentoonlähtömassaan (Mpay/Mo). Matalalla Maan kiertoradalla vb on noin 7 544 metriä (24 751 jalkaa) sekunnissa, jolloin Mpay/Mo olisi 0,0374. Toisin sanoen tarvittaisiin 1 337 000 kilogramman (2 948 000 paunan) lentoonlähtöjärjestelmä, jotta 50 000 kilogrammaa (110 000 paunaa) saataisiin matalalle Maan kiertoradalle. Tämä on optimistinen laskelma, koska yhtälössä (4) ei oteta huomioon painovoiman, ilmanvastuksen tai nousun aikana tapahtuvien suuntakorjausten vaikutusta, jotka lisäisivät huomattavasti lentoonlähtömassaa. Yhtälöstä (4) käy ilmi, että Ms:n ja Mpay:n välillä on suora kompromissi, joten rakenteellinen massa pyritään kaikin tavoin suunnittelemaan pieneksi, ja Ms/Mp on työntövoimajärjestelmän toinen arvoluku. Vaikka valitut eri massasuhteet riippuvat vahvasti tehtävästä, raketin hyötykuormat muodostavat yleensä vain pienen osan lentoonlähtömassasta.
Monissa tehtävissä käytetään moniportaiseksi vaiheistukseksi kutsuttua tekniikkaa lentoonlähtöajoneuvon koon minimoimiseksi. Kantoraketti kuljettaa hyötykuormana toista rakettia, joka laukaistaan ensimmäisen vaiheen (joka jää taakse) palamisen jälkeen. Näin ensimmäisen vaiheen inertit komponentit eivät saavuta loppunopeutta, vaan toisen vaiheen työntövoima kohdistuu tehokkaammin hyötykuormaan. Useimmissa avaruuslennoissa käytetään vähintään kahta vaihetta. Strategiaa laajennetaan useampaan vaiheeseen tehtävissä, joissa tarvitaan erittäin suuria nopeuksia. Yhdysvaltain miehitetyissä Apollo-kuulennoissa käytettiin yhteensä kuutta vaihetta.
NASA
Rakettien ainutlaatuisia ominaisuuksia, jotka tekevät niistä käyttökelpoisia, ovat muun muassa seuraavat:
1. Raketit voivat toimia sekä avaruudessa että Maan ilmakehässä.
2. Ne voidaan rakentaa tuottamaan erittäin suurta työntövoimaa (nykyaikaisen raskaan avaruusraketin lähtöpaine on 3800 kilonewtonia (850 000 puntaa).
3. Potkurijärjestelmä voi olla suhteellisen yksinkertainen.
4. Potkurijärjestelmä voidaan pitää laukaisuvalmiudessa (tärkeää sotilasjärjestelmissä)
5. Raketit voidaan pitää laukaisuvalmiudessa. Pienet raketit voidaan laukaista erilaisista laukaisualustoista pakkauslaatikoista olkalaukaisulaitteisiin ja lentokoneisiin (rekyyliä ei ole).
Nämä ominaisuudet selittävät paitsi sen, miksi kaikki nopeus- ja etäisyysennätykset on tehty rakettijärjestelmillä (ilmassa, maalla ja avaruudessa), myös sen, miksi raketit ovat yksinoikeusvalinta avaruuslentoihin. Ne ovat myös johtaneet sodankäynnin muuttumiseen sekä strategisesti että taktisesti. Nykyaikaisen rakettiteknologian syntyminen ja kehittyminen voidaankin jäljittää toisen maailmansodan aikana ja sen jälkeen tapahtuneeseen aseiden kehittämiseen, josta huomattava osa rahoitettiin ”avaruusjärjestöjen” aloitteista, kuten Ariane-, Apollo- ja avaruussukkulaohjelmista.