Жидкотопливные системы содержат топливо в баках, расположенных снаружи камеры сгорания. В большинстве таких двигателей используются жидкий окислитель и жидкое топливо, которые перекачиваются из соответствующих баков насосами. Насосы поднимают давление выше рабочего давления двигателя, после чего топливо впрыскивается в двигатель таким образом, чтобы обеспечить распыление и быстрое смешивание. Двигатели на жидком топливе обладают некоторыми особенностями, которые делают их предпочтительными по сравнению с твердотопливными системами во многих областях применения. Эти особенности включают (1) более высокие достижимые эффективные скорости выхлопа (ve), (2) более высокие массовые доли (масса ракетного топлива, деленная на массу инертных компонентов) и (3) контроль рабочего уровня в полете (дросселируемость), иногда включая возможность остановки и перезапуска и аварийного отключения. Кроме того, в некоторых случаях преимуществом является то, что загрузка топлива откладывается незадолго до старта, что позволяет использовать жидкое топливо. Эти особенности способствуют использованию жидких систем во многих вариантах разгонного блока, где особенно важны высокая скорость и высокая массовая доля топлива. Жидкостные системы также широко используются в качестве первой ступени ракет-носителей для космических полетов, как, например, в американских ракетах-носителях «Сатурн», европейских ракетах-носителях «Ариан» и советских ракетах-носителях «Энергия». Относительные преимущества твердого и жидкого топлива в больших ракетах-носителях до сих пор обсуждаются и затрагивают не только двигательные характеристики, но и вопросы, связанные с
Типичными компонентами жидкостной ракетной двигательной установки являются двигатель, топливные баки и конструкция транспортного средства, с помощью которой эти части удерживаются на месте и соединяются с полезной нагрузкой и стартовой площадкой (или транспортным средством). Баки для топлива и окислителя обычно имеют очень легкую конструкцию, поскольку работают при низком давлении. В некоторых случаях топливо является криогенным (т. е. это такие вещества, как кислород и водород, которые при внешних условиях находятся в газообразном состоянии и должны храниться при крайне низкой температуре, чтобы перейти в жидкое состояние).
Сам жидкостный двигатель состоит из основной камеры для смешивания и сжигания топлива и окислителя, в носовой части которой расположены коллекторы и форсунки для топлива и окислителя, а в кормовой части — сверхзвуковое сопло. В основной камере находится рубашка охлаждения, через которую циркулирует жидкое топливо (обычно горючее) со скоростью, достаточной для того, чтобы двигатель мог работать непрерывно без чрезмерного повышения температуры в камере. Рабочее давление в двигателе обычно находится в диапазоне 1 000-10 000 килопаскалей (10-100 атмосфер). Топливо подается в инжекторный коллектор под несколько более высоким давлением, обычно с помощью мощных турбонасосов (один для топлива, другой для окислителя). Снаружи жидкостный двигатель часто выглядит как лабиринт водопроводных труб, которые соединяют баки с насосами, направляют поток охлаждающей жидкости в рубашки охлаждения и из них, а также подают перекачиваемые жидкости к инжектору. Кроме того, двигатели обычно устанавливаются на имбалах, чтобы их можно было поворачивать на несколько градусов для управления направлением тяги, а между двигателем (или двигателями) и конструкцией аппарата подключаются соответствующие исполнительные механизмы для сдерживания и поворота двигателя.
В каждом из основных двигателей американского космического челнока используется топливо на жидком кислороде (LO2) и жидком водороде (LH2). Эти двигатели представляют собой очень сложную, высокопроизводительную разновидность жидкостных ракет. Каждый из них не только имеет значение ve 3 630 метров (11 909 футов) в секунду, но и способен регулировать величину тяги в значительном диапазоне (2-1). Более того, двигатели шаттла являются частью крылатого орбитального корабля, который предназначен для перевозки экипажа и полезного груза в течение 20 миссий.
Противоположный край сложности и производительности — гидразиновый движитель, используемый для управления положением обычных летательных аппаратов и беспилотных космических кораблей. В такой системе вместо насоса может использоваться сосуд под давлением с клапанами, а единое топливо проходит через слой катализатора, который вызывает экзотермическое (с выделением тепла) разложение. Полученный газ выводится через сопло, которое ориентировано на требуемую коррекцию ориентации. Системы такого рода также используются в качестве газогенераторов для турбонасосов на больших ракетах.
В большинстве жидкостных ракет используются двухтопливные системы — т.е. такие, в которых окислитель и топливо хранятся отдельно и смешиваются в камере сгорания. Желательными свойствами для комбинаций ракетных топлив являются низкая молекулярная масса и высокая температура продуктов реакции (для высокой скорости выхлопа), высокая плотность (для минимизации веса бака), низкий коэффициент опасности (например, коррозионная активность и токсичность), низкое воздействие на окружающую среду и низкая стоимость. Выбор основывается на компромиссах в зависимости от области применения. Например, жидкий кислород широко используется, поскольку он является хорошим окислителем для ряда видов топлива (обеспечивая высокую температуру пламени и низкую молекулярную массу), а также потому, что он достаточно плотный и относительно недорогой. В жидком состоянии он находится только при температуре ниж е-183 °C (-297 °F), что несколько ограничивает его доступность, но его можно загрузить в изолированные баки незадолго до запуска (и пополнить или слить в случае задержки запуска). Жидкий фтор или озон — лучшие окислители в некоторых отношениях, но они более опасны и стоят дороже. Низкие температуры всех этих систем требуют особой конструкции насосов и других компонентов, а коррозионная активность, токсичность и опасные характеристики фтора и озона не позволили использовать их в эксплуатационных системах. Другие окислители, которые нашли применение в эксплуатации, — это азотная кислота (HNO3), перекись водорода (H2O2) и азотный тетроксид (N2O4), которые в условиях окружающей среды являются жидкостями. Хотя некоторые из них являются несколько вредными химическими веществами, они полезны в таких областях, как
Жидкий водород обычно является лучшим топливом с точки зрения высокой скорости выхлопа, и его можно было бы использовать исключительно в качестве топлива, если бы не требование криогенного режима и его очень низкая плотность. Такие углеводородные топлива, как спирт и керосин, часто предпочтительнее, поскольку они являются жидкими в условиях окружающей среды и более плотными, чем жидкий водород, а также являются более «концентрированными» топливами (т.е. имеют больше атомов топлива в каждой молекуле). Значения скорости выхлопа определяются относительным влиянием более высоких температур пламени (сгорания) и молекулярных масс продуктов реакции.
На практике в основных системах используются различные варианты топливных систем, как показано в таблице жидких топлив. В полетах, где можно использовать криогенное топливо (например, при движении от земли к орбите), в качестве окислителя чаще всего используется жидкий кислород. На первых ступенях используется либо углеводород, либо жидкий водород, в то время как последний обычно применяется на вторых ступенях. В МБР и других подобных управляемых ракетах, которые должны быть готовы к запуску по первому требованию, используются некриогенные (или «хранимые») топливные системы, например, окислительно-топливная смесь из азотного тетроксида и гидразина — несимметричного диметилгидразина (также обозначаемого UDMH; [CH3]2 NNH2). Системы такого рода находят применение и в полетах большой продолжительности, например, в орбитальной маневренной системе шаттла и лунном модуле «Аполлона». Твердотопливные двигатели оказались полезными в длительных полетах, но жидкостные системы часто предпочтительнее из-за необходимости обеспечения возможности остановки или управления тягой.
