火箭发动机喷管

火箭发动机喷管是用于火箭发动机的一种（通常是渐缩渐阔喷管）推力喷管。它用于膨胀并加速由燃烧室燃烧推进产生的燃气，使之达到超高音速。

历史

渐缩渐阔喷管最初是由现代火箭之父罗伯特·戈达德发明并用于早期火箭。后来，几乎所有火箭发动机都采用这种理念，包括沃尔特·蒂尔（Walter Thiel）为德国制造的V2火箭。

大气层内使用

用于大气层内的火箭发动机的最佳设计，就是喷管出口压力等于随高度降低的围压。而火箭从地球发射到地球轨道，简单的喷管设计只能保证在某一高度最优工作，因此损失效率和推进剂。  
喷管出口压力高于围压，则称喷管“不完全膨胀”，如果出口压力低于围压，则称喷管“过度膨胀”。轻微的过度膨胀导致轻微效率损失，但无害。如果喷射压力近似等于围压的40%，则会产生“流动分离”，这将带来喷流不稳定性，损伤喷管。轻者造成运载器速度难以控制。
大多数情况下，出于可靠性和安全性的考虑，火箭发动机在地面点火并一直工作到入轨，那么最佳压力就等于围压。但如果火箭离地时推力主要来自助推器，则发动机会采用过度膨胀喷管。航天飞机的航天飞机主发动机就采用这种技术。

真空使用

若发动机用于真空或极高海拔，则不可能设计出满足围压的喷管，具有更大面积比的喷管效率更高。但是极长的喷管更重，对整体性能的影响也更显著。而且，随着废气温度在喷管处不断降低，废气中某些成分（如氢氧推进剂产生水蒸气）会在喷管处液化甚至冻结。这是设计时需要避免的。
磁力喷管计划用于某些类型推进器（如VASIMR）。磁场代替可融化的固体喷管壁控制等离子或离子流。因此等离子温度可高达数百万开。但是这种设计的线圈部分存在热力学难题，尤其是使用超导线圈来成型喉部和膨胀部分。

空气静力学反压和最佳膨胀

废气流经喷管的膨胀部分，压力和温度降低而速度增加。由于废气流的超音速特征，使得其压力可以与围压有显著区别，即由于喷流的极高速度，外围空气不能补偿上游压力，所以喷管的出口废气可以极其低于或高于围压。如果出口压力过低，则可能造成喷流与喷管分离，进而导致不稳定并逐渐产生偏轴推力，对喷管造成机械损伤。
分离过程在出口压力大约为围压的30--40%时发生，但如果将喷管设计为可以增加边缘压力，则此过程可以延缓至出口压力极低，SSME采用这种技术。(1-2 psi 对应15 psi围压)
当发动机启动或刹车时，室压产生变化。低室压时发动机不可避免地发生超过度膨胀。

最佳形状

膨胀废气转换为线性速度的效率主要由喷管喉部最窄处面积与出口平面面积之比决定。废气速度进而影响推力。（气体的性质也有影响）因此喷管的外形设计必须谨慎考虑。最简单的喷管外形呈向内约12度的圆锥，转换效率约97%。减小角度可略微提高效率，而增加角度效率降低。
通常使用更复杂的回转体，如钟形喷管或抛物线形喷管，可比普通锥形喷管效率高约1%，但更短更轻。这类形状的喷管用于运载器发射，因为重量是重要指标。但由于形体复杂难以制造，成本也更高。
理论上存在可以达到最大废气速度的最佳喷管外形，但钟形喷管却广泛使用。因为它能带来更佳的整体性能，更轻更短，低阻力。
其他因素也对效率有影响，如喉部需十分圆滑，通向喉部的收缩角度也有轻微影响。