Одной из основных характеристик жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) является тяга, по величине которой можно рассчитать основной результат воздействия двигателя на летательный аппарат – ускорение, сообщаемое двигателем летательному аппарату. Тяга определяется как равнодействующая сил давления продуктов сгорания топлива и среды, окружающей двигатель, по всей поверхности камеры. Реактивная сила – частный случай тяги: тяга в пустоте.

О качествах ракетного двигателя нельзя судить только по величине тяги, так же как нельзя судить, например, и о двигателе внутреннего сгорания только по мощности, развиваемой этим двигателем. Необходимо ввести какие-то дополнительные параметры, определяющие совершенство конструкции двигателя. У двигателей внутреннего сгорания такими параметрами являются коэффициенты полезного действия. Можно было бы использовать КПД и для оценки жидкого ракетного двигателя, однако в большинстве задач, связанных с расчётами двигателей, применение КПД не даёт нужного результата. Поэтому для характеристики ракетного двигателя используется другой параметр – удельная тяга, под которой понимают отношение тяги, развиваемой двигателем, к расходу топлива в нём:

Подставив в данное выражение значение тяги по формуле Р=G/g+F_a(p_a-p_н), можно записать:

При p_a=p_н

Учитывая установленную ранее зависимость между работой цикла и скорость истечения, получаем

Таким образом, удельная тяга возрастает при увеличении скорости истечения, или, что то же самое, работы цикла ЖРД.

Отсюда следует, что удельная тяга будет тем больше, чем больше степень расширения продуктов сгорания в сопловой части камеры р_к/р_н.

Работоспособность газов определяется главным образом свойствами топлива, применяемого в двигателе, перепад давления р_к/р_н – длиной сопла (точнее, отношением площадей выходного и критического сечений сопла).

Следовательно, удельная тяга характеризует двигатель вместе с топливом. Чем больше энергии запасено в топливе и чем полнее эта энергия используется, тем выше удельная тяга; запас энергии в топливе характеризуется в основном величиной RT_к, а степень её использования – величиной рк/рн.

Из приведённых формул видно, что удельная тяга возрастает с уменьшением рн, т. е. с увеличением высоты, на которой работает двигатель. В пустоте двигатель имеет наибольшую удельную тягу, равную реактивной силе, делённой на секундный расход топлива:

R_уд=R/G.

Тяга ЖРД равна произведению удельной тяги на секундный расход топлива. Учитывая зависимость между удельной тягой и работой цикла, а также зависимость работы цикла от соотношения рк и рн, приходим к выводу, что удельная тяга будет наибольшей, когда газы расширяются в сопловой части до давления окружающей среды, т. е. при ра=рн.

 

На рис.1 приведено отношение тяги к тяге на уровне моря в зависимости от высоты для двух случаев: сопло, непрерывно регулируемое для работы в расчетном режиме на любой высоте, и нерегулируемое сопло, работающее в расчетном режиме на уровне моря. Проектирование сопла, предназначенного для достижения оптимального расширения на высоте, приводит, однако, к значительному увеличению веса и площади поперечного сечения сопла. Если, например, мы захотели бы изготовить сопло для работы в расчетном режиме на высоте 30 000 м, то отношение площади выходного сечения сопла к площади критического сечения (степень уширения сопла) было бы более 100.

Этот вывод особенно важен для проектирования последних ступеней многоступенчатых ракет, которые, как правило, начинают работать в разреженных слоях атмосферы, где сопротивление воздуха не играет существенной роли. Выбор степени расширения в сопле в данном случае делается на основе компромисса между увеличением веса расширяющейся части сопла, с одной стороны, и увеличением суммарного импульса — с другой.

Рассмотрим ракетный двигатель, сопло которого работает в расчетном режиме на данной высоте. Его тяга изменяется линейно в зависимости от давления окружающей среды. Таким образом,
мы движемся по вертикали и максимальная тяга будет достигнута при истечении в вакуум (р_к/р_н=∞).
На рис.1 показано изменение тяги в зависимости от высоты для ракетного двигателя, развивающего тягу 1000 кг на расчетной высоге 10 000 м (р_к = 30 кг/см², р_н = 0,271 кг/см² на высоте 10000м, k=1,24. Отсюда мы имеем f_а/f_кр= 11,76 и С^o_R = 1,632). Как видно, тяга возрастает с увеличением высоты очень существенно. Это увеличение тем больше, чем выше расчетная высота работы сопла.