تکانه ویژه، نیروی رانش و هزینه: موازنه‌های پیشران‌های موشکی جامد، مایع و هیبریدی

مهندسان طراح وسایل پرتاب با یک مصالحه فیزیکی اجتناب‌ناپذیر روبرو هستند: یا انرژی استخراج شده از هر کیلوگرم پیشران را به حداکثر برسانند، یا پیچیدگی و هزینه لوله‌کشی مورد نیاز برای سوزاندن آن را به حداقل برسانند. طرفداران سیستم‌های دوپیشرانه مایع استدلال می‌کنند که تکانه ویژه بالای مایعات کرایوژنیک مانند اکسیژن مایع و هیدروژن مایع، تنها مسیر عملی برای رسیدن به فضای عمیق است و هزینه هنگفت توربوپمپ‌ها و شیرآلات پیچیده را می‌پذیرند. در مقابل، طرفداران موتورهای موشک جامد، قابلیت اطمینان و چگالی را در اولویت قرار می‌دهند و معتقدند که یک دانه پیشران از پیش مخلوط شده و ریخته‌گری شده در محل، خطر خرابی پمپ را از بین می‌برد و هزینه‌های پرتاب را کاهش می‌دهد، حتی اگر به معنای قربانی کردن قابلیت تنظیم یا خاموش کردن موتور پس از احتراق باشد.

در میان این دو معماری تثبیت شده، موتور موشک هیبریدی قرار دارد. یک سیستم هیبریدی اکسیدکننده خود را به صورت مایع یا گاز (مانند اکسیژن مایع یا نیتروز اکسید) و سوخت خود را به صورت دانه جامد ذخیره می‌کند، که اغلب یک هیدروکربن مانند هیدروکسیل-ترمینیتد پلی‌بوتادین (HTPB) یا موم پارافین است. هنگامی که نیروی رانش مورد نیاز است، اکسیدکننده مایع به هسته توخالی دانه سوخت جامد تزریق شده و مشتعل می‌شود. از آنجا که سوخت و اکسیدکننده در فازهای مختلف وجود دارند، نمی‌توانند به طور فاجعه‌بار با هم مخلوط شوند، و خطر انفجارهای مهیبی که سیستم‌های مایع و جامد را تهدید می‌کند، از بین می‌رود.[1][4]

معیار تعیین‌کننده برای هر یک از این سیستم‌ها، تکانه ویژه است که بر حسب ثانیه اندازه‌گیری می‌شود و میزان کارایی تبدیل جرم پیشران به نیروی رانش توسط موتور را کمی‌سازی می‌کند. سیستم‌های مایع بر این معیار تسلط دارند. یک موتور اکسیژن مایع و هیدروژن مایع می‌تواند به تکانه ویژه خلاء تقریباً ۴۵۰ ثانیه دست یابد. موتورهای موشک جامد، با استفاده از پیشران مرکب پرکلرات آمونیوم (APCP)، معمولاً در حدود ۲۷۰ تا ۲۹۰ ثانیه به اوج می‌رسند. موتورهای هیبریدی در رده میانی قرار می‌گیرند؛ یک موتور هیبریدی نیتروز اکسید و موم پارافین که به خوبی بهینه‌سازی شده باشد، می‌تواند تکانه ویژه‌ای بین ۲۹۰ تا ۳۲۰ ثانیه ارائه دهد که به نسبت انبساط نازل بستگی دارد.[2]