تصور کنید موشکی شعله‌ور می‌شود، شعله‌های درخشانی را بیرون می‌ریزد و از کشش گرانشی زمین رها شده و به آسمان اوج می‌گیرد. این نیرویی است که اجسام عظیم را به فضا پرتاب می‌کند، نیروی پیشرانش است. اما نیروی پیشرانش از کجا می‌آید؟ چگونه بر مقاومت هوا و وزن خود وسیله نقلیه غلبه می‌کند؟ این مقاله به اصول اولیه نیروی پیشرانش، از اصول پایه تا طراحی موتور، می‌پردازد و اسرار اصلی سیستم‌های پیشرانش هوافضا را آشکار می‌کند.

نیروی پیشرانش نیرویی است که هواپیما را در هوا به جلو می‌راند. چه بر مقاومت هواپیما غلبه کند و چه وزن موشک را خنثی کند، نیروی پیشرانش پرواز را ممکن می‌سازد. نیروی پیشرانش که توسط موتور تولید می‌شود، از طریق سیستم‌های پیشرانش مختلف ایجاد می‌گردد.

نیروی پیشرانش یک نیروی مکانیکی است که از طریق نیروی عکس‌العمل جرم گازی شتاب‌دار ایجاد می‌شود. این سیال کاری به صورت فیزیکی با سیستم پیشرانش تعامل دارد و قانون سوم نیوتن (عمل و عکس‌العمل) را نشان می‌دهد. نیروی پیشرانش به عنوان یک کمیت برداری، هم اندازه و هم جهت دارد. موتور بر روی گاز کار می‌کند و آن را به عقب شتاب می‌دهد و در عین حال نیروی پیشرانش را در جهت مخالف تولید می‌کند. اندازه نیروی پیشرانش به مقدار گاز شتاب‌دار و تغییر سرعت آن در موتور بستگی دارد.

طبق قانون دوم نیوتن، نیرو (F) برابر با نرخ تغییر تکانه یک جسم نسبت به زمان است. تکانه حاصل ضرب جرم (m) در سرعت (V) است. بین زمان‌های t₁ و t₂، نیرو را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

با جرم ثابت و تغییر سرعت، این معادله به معادله آشنای زیر ساده می‌شود:

در حالی که ردیابی جرم برای جامدات ساده است، سیالات (مایعات یا گازها) به پارامترهای متفاوتی نیاز دارند. برای سیالات متحرک، نرخ جریان جرمی بسیار مهم می‌شود - که به عنوان جرم عبوری از یک صفحه معین در واحد زمان (کیلوگرم بر ثانیه، اسلاگ بر ثانیه و غیره) تعریف می‌شود. این برابر است با چگالی (ρ) ضربدر سرعت (V) و مساحت (A). متخصصان هوافضا این را با ṁ (m-dot) نشان می‌دهند:

نماد نقطه نشان‌دهنده مشتق زمانی (d/dt) است و ṁ را به جای صرفاً جرم، نرخ جریان جرمی می‌سازد. از آنجایی که نرخ جریان جرمی از قبل وابستگی زمانی را در بر می‌گیرد، می‌توانیم تغییر تکانه را در یک دستگاه پیشرانش به صورت تغییر نرخ جریان جرمی ضربدر سرعت بیان کنیم. با برچسب‌گذاری خروجی به عنوان ایستگاه "e" و جریان آزاد به عنوان ایستگاه "0":

هنگامی که فشار خروجی (pₑ) با فشار جریان آزاد (p₀) متفاوت است، باید یک جمله اضافی برای در نظر گرفتن اثر مساحت فشار اضافه کنیم. معادله کامل کلی نیروی پیشرانش به صورت زیر می‌شود:

به طور معمول، جمله مساحت فشار در مقایسه با اجزای ṁV کوچک باقی می‌ماند.

معادله نیروی پیشرانش دو روش اصلی برای تولید نیروی پیشرانش بالا را نشان می‌دهد. اولی نرخ جریان موتور (ṁ) را به حداکثر می‌رساند، جایی که حتی افزایشات متوسط سرعت نیز نیروی پیشرانش قابل توجهی تولید می‌کند - این اصل پشت هواپیماهای ملخی و موتورهای توربوفن با بای‌پس بالا است. رویکرد دوم بر به حداکثر رساندن سرعت خروجی نسبت به سرعت ورودی تمرکز دارد، همانطور که در توربوجت‌ها، موتورهای پس‌سوز و موشک‌ها دیده می‌شود. هر روش شامل مبادلات بهره‌وری متفاوتی در محدوده‌های سرعت شدید است.

برای موتورهای توربین گازی با نازل‌هایی که برای برابر کردن فشار خروجی و جریان آزاد طراحی شده‌اند، معادله کلی با حذف جمله فشار ساده می‌شود:

جمله اول نشان‌دهنده نیروی پیشرانش کل است، در حالی که جمله دوم به پسا (drag) رم تبدیل می‌شود. از آنجایی که نرخ جریان جرمی خروجی و ورودی تقریباً برابر هستند، می‌توانیم جریان هوای موتور (ṁ)ₑₙg و نیروی پیشرانش ویژه (Fₛ) را تعریف کنیم:

موتورهای موشک که اکسیدکننده خود را حمل می‌کنند، به طور متفاوتی ساده می‌شوند:

عملکرد موشک اغلب از ضربه ویژه (Iₛₚ) استفاده می‌کند که وابستگی به نرخ جریان جرمی را حذف می‌کند:

که در آن Vₑq سرعت معادل (سرعت خروجی نازل به علاوه جمله فشار) و g₀ شتاب گرانشی است.

برای هر دو موشک و موتورهای جت، نازل‌ها دو عملکرد حیاتی دارند: تعیین سرعت خروجی برای شرایط فشار/دمای معین و ایجاد نرخ جریان جرمی از طریق خفگی گلوگاه. بنابراین، طراحی نازل اساساً نیروی پیشرانش سیستم پیشرانش را تعیین می‌کند.

تولید نیروی پیشرانش به تبدیل انرژی - معمولاً از طریق احتراق سوخت - برای شتاب دادن به گازها متکی است. در حالی که سیستم‌های پیشرانش مختلف (ملخ‌ها، جت‌ها، رم‌جت‌ها، موشک‌ها) نیروی پیشرانش را به طور متفاوتی تولید می‌کنند، همه از این اصول فیزیکی اساسی پیروی می‌کنند.