Como os motores de foguete produzem mais empuxo do que os motores a jato de aviões?

Por um lado, não olhe apenas para o motor, mas para todo o sistema de propulsão. Isso inclui tanques, tubulações, controles, bombas e o motor real. Agora o foguete parece muito menos favorável, especialmente se você dimensionar os tanques por tempos de execução iguais.

O foguete não precisa de nenhuma das partes que estão à frente da câmara de combustão de um jato e também não precisa da turbina. Além disso, sendo projetado somente para o empuxo total, ele não precisa de um bico ajustável. Por favor, olhe abaixo para a instalação do motor de um avião de passageiros típico (tentei, mas não consegui encontrar uma seção transversal de encaixe de um turbojato mais entrada):

Desenho de motor a jato e fraque de nacele (foto source ). Como @Talisker observou corretamente nos comentários, os rótulos "jet de alta velocidade" e "jet de baixa velocidade" precisam ser trocados para estarem corretos.

Apenas a parte marcada como "combustor" e a seção posterior da turbina são realmente comparáveis a um motor de foguete - tudo o mais é necessário para condicionar e comprimir o ar ou acionar a máquina turbo na frente. Um foguete desfruta do luxo de ser alimentado com propelente e oxidante na proporção, condição e pressão corretas, e como o oxidante é principalmente oxigênio líquido puro, as bombas turbo para comprimir podem ser muito menores do que as máquinas turbo de um jato. que trabalha com uma mistura de oxigênio de 80% de nitrogênio - 20% de gases.

Parece que todo mundo perdeu a resposta simples e óbvia: a taxa na qual o motor queima combustível. Para dar um exemplo concreto, o primeiro estágio do Saturno V carregava 205.400 galões / 770.000 litros de combustível a querosene, que queimava em menos de 3 minutos: link

O motor de foguete produz o mesmo impulso, independentemente da velocidade que se move. Diferentemente, o impulso do motor a jato depende da velocidade e diminui à medida que a velocidade aumenta, devido ao arrasto do aríete. É em grande parte inútil se a velocidade do motor se aproximar da velocidade de escape. A fórmula exata pode ser encontrada aqui .

Como resultado, o motor de foguete pode produzir um impulso significativamente maior se a velocidade for realmente alta. Também é mais simples, então o motor projetado para o mesmo empuxo é mais leve.

A resposta é mais simples do que os outros mencionam aqui. É simplesmente que o foguete opera a temperaturas muito mais altas do que as turbinas a gás. Isso se traduz em mais empuxo nas temperaturas maiores. Lâminas de turbina em turbojatos derreteriam a altas temperaturas. Os foguetes resfriam o revestimento externo da câmara de combustão do foguete. Isso é feito usando hidrogênio líquido que é extremamente frio em tubos que envolvem a câmara de combustão quente. A temperatura mais alta nos foguetes dá mais impulso.

A primeira e mais significativa razão é porque mais combustível é bombeado e queimado. Por que uma bateria de carro tem mais energia armazenada do que uma bateria AA? Porque, ele é projetado para ser maior, porque isso é necessário para os requisitos de design. Mas isso nem sempre é o caso. O foguete de mercúrio-vermelho, que carregava Alan Shepard, tinha 78.000 libras de empuxo, enquanto o Boeing 777 pode ter até 115.000 libras de empuxo por motor!

Algumas razões.

1. O ar atmosférico é um oxidante relativamente ruim. Em primeiro lugar é apenas 20% de oxigênio, em segundo lugar é um gás, então você precisa mover grandes volumes para a câmara de combustão. Em terceiro lugar, a pressão e o volume disponíveis variam de acordo com o regime de voo.
2. Os motores a jato têm uma turbina a jusante da câmara de combustão. Isso limita as temperaturas da câmara que podem ser usadas (desde que você consiga contornar isso usando um pós-combustor).

Os foguetes de lançamento orbital usam oxigênio líquido alimentado por bombas turbo acionadas separadamente, então eles não têm esses problemas.

É claro que o trade-off é que os foguetes queimam muito combustível e oxidam, então eles só podem sustentar o empuxo alto por um tempo relativamente curto. Para entrar em órbita é o que você precisa, para pilotar um avião, um motor com maior empuxo ao peso, mas menor consumo específico de combustível é uma escolha melhor.

O empuxo gerado por um foguete pode ser relacionado matematicamente à quantidade e energia específica do propulsor ou propelentes e ao tempo de queima. Ao contrário do impulso de um motor turbojato, ele não é limitado pela massa do ar que pode ser comprimido e misturado com combustível em um determinado tempo ou pela concentração de oxigênio na atmosfera.