Φανταστείτε έναν πύραυλο να αναφλέγεται, εκτοξεύοντας λαμπρές φλόγες καθώς απελευθερώνεται από τη βαρυτική έλξη της Γης και εκτοξεύεται στον ουρανό. Αυτή η δύναμη που ωθεί τεράστια αντικείμενα στο διάστημα είναι η ώση. Αλλά από πού προέρχεται η ώση; Πώς ξεπερνά την αντίσταση του αέρα και το ίδιο το βάρος του οχήματος; Αυτό το άρθρο εξερευνά τις βασικές αρχές της ώσης, από τις βασικές αρχές έως τον σχεδιασμό κινητήρων, αποκαλύπτοντας τα βασικά μυστικά των συστημάτων πρόωσης αεροδιαστημικής.

Η ώση είναι η δύναμη που ωθεί τα αεροσκάφη στον αέρα. Είτε ξεπερνώντας την αντίσταση ενός αεροπλάνου είτε αντισταθμίζοντας το βάρος ενός πυραύλου, η ώση καθιστά δυνατή την πτήση. Παραγόμενη από έναν κινητήρα, η ώση παράγεται μέσω διαφόρων συστημάτων πρόωσης.

Η ώση είναι μια μηχανική δύναμη που δημιουργείται μέσω της δύναμης αντίδρασης της επιταχυνόμενης μάζας αερίου. Αυτό το εργαζόμενο ρευστό αλληλεπιδρά φυσικά με το σύστημα πρόωσης, αποδεικνύοντας τον Τρίτο Νόμο του Νεύτωνα (δράση και αντίδραση). Ως διανυσματική ποσότητα, η ώση έχει τόσο μέγεθος όσο και κατεύθυνση. Ο κινητήρας ασκεί έργο στο αέριο, επιταχύνοντάς το προς τα πίσω, ενώ παράγει ώση στην αντίθετη κατεύθυνση. Το μέγεθος της ώσης εξαρτάται από την ποσότητα του επιταχυνόμενου αερίου και την αλλαγή της ταχύτητάς του μέσω του κινητήρα.

Σύμφωνα με τον Δεύτερο Νόμο του Νεύτωνα, η δύναμη (F) ισούται με τον χρονικό ρυθμό μεταβολής της ορμής ενός αντικειμένου. Η ορμή είναι το γινόμενο της μάζας (m) και της ταχύτητας (V). Μεταξύ των χρονικών στιγμών t₁ και t₂, η δύναμη μπορεί να εκφραστεί ως:

Με σταθερή μάζα και μεταβαλλόμενη ταχύτητα, αυτό απλοποιείται στην οικεία εξίσωση:

Ενώ η παρακολούθηση της μάζας είναι απλή για στερεά, τα ρευστά (υγρών ή αερίων) απαιτούν διαφορετικές παραμέτρους. Για κινούμενα ρευστά, ο ρυθμός ροής μάζας γίνεται κρίσιμος – ορίζεται ως η μάζα που διέρχεται από ένα δεδομένο επίπεδο ανά μονάδα χρόνου (kg/sec, slug/sec, κ.λπ.). Ισούται με την πυκνότητα (ρ) πολλαπλασιασμένη με την ταχύτητα (V) και την περιοχή (A). Οι αεροδυναμιστές το συμβολίζουν ως ṁ (m-dot):

Η συμβολοσειρά με την τελεία αντιπροσωπεύει μια χρονική παράγωγο (d/dt), καθιστώντας το ṁ τον ρυθμό ροής μάζας και όχι απλώς τη μάζα. Δεδομένου ότι ο ρυθμός ροής μάζας ενσωματώνει ήδη την χρονική εξάρτηση, μπορούμε να εκφράσουμε την αλλαγή ορμής σε μια συσκευή πρόωσης ως αλλαγή ρυθμού ροής μάζας πολλαπλασιασμένη με την ταχύτητα. Ονομάζοντας την έξοδο ως σταθμό "e" και την ελεύθερη ροή ως σταθμό "0":

Όταν η πίεση εξόδου (pₑ) διαφέρει από την πίεση ελεύθερης ροής (p₀), πρέπει να συμπεριλάβουμε έναν επιπλέον όρο που λαμβάνει υπόψη το φαινόμενο της πίεσης-περιοχής. Η πλήρης γενική εξίσωση ώσης γίνεται:

Συνήθως, ο όρος πίεσης-περιοχής παραμένει μικρός σε σύγκριση με τα στοιχεία ṁV.

Η εξίσωση ώσης αποκαλύπτει δύο κύριες μεθόδους για τη δημιουργία υψηλής ώσης. Η πρώτη μεγιστοποιεί τον ρυθμό ροής του κινητήρα (ṁ), όπου ακόμη και μέτριες αυξήσεις ταχύτητας παράγουν σημαντική ώση – η αρχή πίσω από τα αεροσκάφη με έλικα και τους κινητήρες turbofan υψηλής παράκαμψης. Η δεύτερη προσέγγιση εστιάζει στη μεγιστοποίηση της ταχύτητας εξόδου σε σχέση με την ταχύτητα εισόδου, όπως φαίνεται σε κινητήρες turbojet, κινητήρες μετάκαυσης και πυραύλους. Κάθε μέθοδος περιλαμβάνει διαφορετικές ανταλλαγές αποδοτικότητας σε ακραία εύρη ταχύτητας.

Για κινητήρες αεριοστροβίλων με ακροφύσια σχεδιασμένα να εξισώνουν τις πιέσεις εξόδου και ελεύθερης ροής, η γενική εξίσωση απλοποιείται εξαλείφοντας τον όρο πίεσης:

Ο πρώτος όρος αντιπροσωπεύει τη συνολική ώση, ενώ ο δεύτερος γίνεται η αντίσταση εισαγωγής. Δεδομένου ότι οι ρυθμοί ροής μάζας εξόδου και εισόδου είναι σχεδόν ίσοι, μπορούμε να ορίσουμε την ροή αέρα του κινητήρα (ṁ)ₑₙg και την ειδική ώση (Fₛ):

Οι κινητήρες πυραύλων, μεταφέροντας το δικό τους οξειδωτικό, απλοποιούνται διαφορετικά:

Η απόδοση των πυραύλων χρησιμοποιεί συχνά την ειδική ώση (Iₛₚ), η οποία εξαλείφει την εξάρτηση από τον ρυθμό ροής μάζας:

Όπου Vₑq είναι η ισοδύναμη ταχύτητα (ταχύτητα εξόδου ακροφυσίου συν ο όρος πίεσης) και g₀ είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας.

Τόσο για πυραύλους όσο και για κινητήρες αεριωθούμενων, τα ακροφύσια εξυπηρετούν δύο ζωτικές λειτουργίες: τον καθορισμό της ταχύτητας εξόδου για δεδομένες συνθήκες πίεσης/θερμοκρασίας και τη δημιουργία ρυθμού ροής μάζας μέσω της πνιγμοδότησης του λαιμού. Έτσι, ο σχεδιασμός του ακροφυσίου καθορίζει θεμελιωδώς την ώση του συστήματος πρόωσης.

Η παραγωγή ώσης βασίζεται στη μετατροπή ενέργειας – συνήθως μέσω καύσης καυσίμου – για την επιτάχυνση αερίων. Ενώ διαφορετικά συστήματα πρόωσης (έλικες, αεριωθούμενα, ramjets, πύραυλοι) παράγουν ώση διαφορετικά, όλα υπακούουν σε αυτές τις θεμελιώδεις φυσικές αρχές.