صاروخ

تتكون الصواريخ من وقود دافع ، ومكان لتعبئة الوقود (مثل خزان الوقود )، وفوهة . وقد تحتوي أيضًا على محرك صاروخي واحد أو أكثر ، وجهاز أو أكثر لتثبيت الاتجاه (مثل الزعانف ، أو محركات التوجيه الدقيق ، أو محاور توجيه المحرك ، أو الجيروسكوبات )، وهيكل (عادةً ما يكون أحادي الهيكل ) لتثبيت هذه المكونات معًا. كما تحتوي الصواريخ المصممة للاستخدام الجوي عالي السرعة على غطاء انسيابي مثل مخروط الأنف ، والذي يحمل عادةً الحمولة. ^{[ 37 ]}

إلى جانب هذه المكونات، يمكن أن تحتوي الصواريخ على عدد من المكونات الأخرى، مثل الأجنحة ( في الطائرات الصاروخية )، والمظلات ، والعجلات ( في السيارات الصاروخية )، وحتى، بمعنى ما، شخص ( في حزام الصواريخ ). غالباً ما تمتلك المركبات أنظمة ملاحة وتوجيه تستخدم عادةً أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية وأنظمة الملاحة بالقصور الذاتي .

تعتمد محركات الصواريخ على مبدأ الدفع النفاث . ^{[ 2 ]} وتتوفر محركات الصواريخ التي تُشغل الصواريخ بأنواعٍ عديدة؛ ويمكن الاطلاع على قائمة شاملة بها في المقال الرئيسي " محرك الصاروخ" . معظم الصواريخ الحالية تعمل بالوقود الكيميائي (عادةً محركات احتراق داخلي ، ^{[ 38 ]} ولكن بعضها يستخدم وقودًا أحاديًا قابلًا للتحلل ) وتُصدر غازات عادم ساخنة . يمكن لمحرك الصاروخ استخدام وقود غازي، أو وقود صلب ، أو وقود سائل ، أو مزيج هجين من الوقود الصلب والسائل . تستخدم بعض الصواريخ الحرارة أو الضغط المُستمد من مصدر آخر غير التفاعل الكيميائي للوقود، مثل صواريخ البخار ، والصواريخ الشمسية الحرارية ، ومحركات الصواريخ النووية الحرارية ، أو الصواريخ المضغوطة البسيطة مثل صواريخ الماء أو دافعات الغاز البارد . في حالة استخدام الوقود القابل للاحتراق ، يبدأ تفاعل كيميائي بين الوقود والمؤكسد في غرفة الاحتراق ، وتتسارع الغازات الساخنة الناتجة خارجةً من فوهة (أو فوهات ) محرك الصاروخ في الطرف الخلفي للصاروخ. يُولّد تسارع هذه الغازات عبر المحرك قوة دفع على غرفة الاحتراق والفوهة، مما يدفع المركبة (وفقًا لقانون نيوتن الثالث ). يحدث هذا لأن القوة (الضغط مضروبًا في المساحة) المؤثرة على جدار غرفة الاحتراق لا تتوازن مع فتحة الفوهة؛ وهذا لا يحدث في أي اتجاه آخر. كما يُولّد شكل الفوهة قوةً أيضًا من خلال توجيه غاز العادم على طول محور الصاروخ. ^{[ 2 ]}

وقود الصواريخ هو كتلة تُخزّن، عادةً في خزان أو غلاف خاص ، قبل استخدامها ككتلة دافعة تُقذف من محرك الصاروخ على شكل تيار سائل لتوليد قوة الدفع . ^{[ 2 ]} في الصواريخ الكيميائية، غالبًا ما يكون الوقود عبارة عن وقود مثل الهيدروجين السائل أو الكيروسين يُحرق مع مؤكسد مثل الأكسجين السائل أو حمض النيتريك لإنتاج كميات كبيرة من الغاز شديد السخونة. يُحفظ المؤكسد إما منفصلاً ويُخلط في غرفة الاحتراق، أو يأتي مخلوطًا مسبقًا، كما هو الحال في الصواريخ الصلبة.

في بعض الأحيان لا يتم حرق المادة الدافعة ولكنها لا تزال تخضع لتفاعل كيميائي، ويمكن أن تكون "مادة دافعة أحادية" مثل الهيدرازين أو أكسيد النيتروز أو بيروكسيد الهيدروجين التي يمكن أن تتحلل تحفيزيًا إلى غاز ساخن.

بدلاً من ذلك، يمكن استخدام وقود خامل يمكن تسخينه خارجياً، كما هو الحال في الصواريخ البخارية أو الصواريخ الحرارية الشمسية أو الصواريخ الحرارية النووية . ^{[ 2 ]}

بالنسبة للصواريخ الأصغر حجماً والأقل أداءً، مثل محركات التحكم في الوضعية حيث لا تكون الأداء العالي ضرورية، يُستخدم سائل مضغوط كوقود دافع يخرج ببساطة من المركبة الفضائية عبر فوهة دفع. ^{[ 2 ]}

كان أول صاروخ يعمل بالوقود السائل ، الذي صممه روبرت إتش. جودارد ، مختلفًا اختلافًا كبيرًا عن الصواريخ الحديثة. فقد كان محرك الصاروخ في الأعلى وخزان الوقود في الأسفل، ^{[ 39 ]} استنادًا إلى اعتقاد جودارد بأن الصاروخ سيحقق الاستقرار من خلال "التعلق" بالمحرك كالبندول أثناء الطيران. ^{[ 40 ]} ومع ذلك، انحرف الصاروخ عن مساره وتحطم على بُعد 56 مترًا (184 قدمًا) من موقع الإطلاق ، ^{[ 41 ]} مما يشير إلى أن الصاروخ لم يكن أكثر استقرارًا من صاروخ آخر يكون محركه في القاعدة. ^{[ 42 ]} 

تستخدم بعض الأسلحة العسكرية الصواريخ لدفع الرؤوس الحربية نحو أهدافها. يُشار إلى الصاروخ وحمولته معًا عمومًا باسم " صاروخ" عندما يكون مزودًا بنظام توجيه (لا تستخدم جميع الصواريخ محركات صاروخية، فبعضها يستخدم محركات أخرى مثل المحركات النفاثة )، أو باسم "صاروخ" إذا كان غير موجه. تستخدم الصواريخ المضادة للدبابات والطائرات محركات صاروخية لاستهداف الأهداف بسرعة عالية وعلى مدى عدة كيلومترات، بينما يمكن استخدام الصواريخ الباليستية العابرة للقارات لحمل رؤوس حربية نووية متعددة من على بعد آلاف الكيلومترات، وتحاول الصواريخ المضادة للباليستية إيقافها. كما تم اختبار الصواريخ لأغراض الاستطلاع ، مثل صاروخ "بينغ بونغ" الذي أُطلق لمراقبة أهداف العدو، إلا أن صواريخ الاستطلاع لم تُستخدم على نطاق واسع في المجال العسكري.

تُستخدم صواريخ السبر عادةً لحمل أجهزة تقيس الارتفاعات من 50 كيلومترًا (31 ميلًا) إلى 1500 كيلومتر (930 ميلًا) فوق سطح الأرض. ^{[ 43 ]} وقد التُقطت أولى صور الأرض من الفضاء بواسطة صاروخ V -2 عام 1946 ( الرحلة رقم 13 ). ^{[ 44 ]}  

تُستخدم محركات الصواريخ أيضاً لدفع زلاجات الصواريخ على طول سكة حديدية بسرعات فائقة. ويبلغ الرقم القياسي العالمي في هذا المجال 8.5 ماخ. ^{[ 45 ]}

تُطلق الصواريخ الكبيرة عادةً من منصة إطلاق توفر دعماً ثابتاً لبضع ثوانٍ بعد الاشتعال. ونظراً لسرعة عادمها العالية - من 2500 إلى 4500 متر/ثانية (من 9000 إلى 16200 كيلومتر/ساعة؛ من 5600 إلى 10100 ميل/ساعة) - تُعد الصواريخ مفيدةً للغاية عند الحاجة إلى سرعات عالية جداً، مثل السرعة المدارية التي تبلغ حوالي 7800 متر/ثانية (28000 كيلومتر/ساعة؛ 17000 ميل/ساعة) . تتحول المركبات الفضائية التي تُطلق في مسارات مدارية إلى أقمار صناعية ، تُستخدم في العديد من الأغراض التجارية. في الواقع، لا تزال الصواريخ هي الوسيلة الوحيدة لإطلاق المركبات الفضائية إلى المدار وما بعده. ^{[ 46 ]} كما تُستخدم أيضاً لتسريع المركبات الفضائية بسرعة عند تغيير مداراتها أو عند خروجها من المدار للهبوط . كذلك، يمكن استخدام الصاروخ لتخفيف حدة الهبوط بالمظلة قبل ملامسة الأرض مباشرةً (انظر: صاروخ الكبح ).      

استُخدمت الصواريخ لدفع حبل إلى سفينة منكوبة، بحيث يمكن استخدام عوامة الإنقاذ (Breeches) لإنقاذ من على متنها. كما تُستخدم الصواريخ لإطلاق مشاعل الطوارئ .

تحتوي بعض الصواريخ المأهولة، ولا سيما ساتورن 5 ^{[ 47 ]} وسويوز [ ^{48 ]،} على أنظمة هروب عند الإطلاق ^. وهي عبارة عن صاروخ صغير، عادةً ما يكون يعمل بالوقود الصلب، قادر على سحب الكبسولة المأهولة بعيدًا عن المركبة الرئيسية نحو بر الأمان في لحظة. وقد تم تشغيل هذه الأنظمة عدة مرات، سواء في الاختبارات أو أثناء الطيران، وعملت بشكل صحيح في كل مرة.

حدث هذا عندما نجح نظام ضمان السلامة (التسمية السوفيتية) في فصل كبسولة L3 خلال ثلاث من أصل أربع محاولات إطلاق فاشلة لصاروخ القمر السوفيتي N1 ، وهي المركبات 3L و5L و7L. في الحالات الثلاث، نُقذت الكبسولة، رغم كونها غير مأهولة، من التدمير. كانت أنظمة ضمان السلامة الفعّالة موجودة فقط في صواريخ N1 الثلاثة المذكورة آنفًا. أما المركبة 6L، فكانت مزودة بمراحل علوية وهمية، وبالتالي لم يكن بها نظام هروب، مما منح معزز N1 نسبة نجاح 100% في الخروج من عملية إطلاق فاشلة. ^{[ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]}

حدث هروب ناجح لكبسولة مأهولة عندما انفجرت مركبة سويوز تي-10 ، التي كانت في مهمة إلى محطة الفضاء ساليوت 7 ، على منصة الإطلاق. ^{[ 53 ]}

تُستخدم مقاعد القذف التي تعمل بالصواريخ الصلبة في العديد من الطائرات العسكرية لدفع الطاقم بعيدًا عن المركبة إلى بر الأمان عند فقدان السيطرة على الطيران. ^{[ 54 ]}

الصاروخ النموذجي هو صاروخ صغير مصمم للوصول إلى ارتفاعات منخفضة (على سبيل المثال، 100-500 متر (330-1640 قدم) للنموذج الذي يزن 30 جرامًا (1.1 أونصة) ) ويمكن استعادته بوسائل متنوعة.    

وفقًا لقانون السلامة الصادر عن الرابطة الوطنية الأمريكية لعلم الصواريخ (NAR)، ^{[ 55 ]} تُصنع صواريخ النماذج من الورق والخشب والبلاستيك ومواد أخرى خفيفة الوزن. كما يُقدّم القانون إرشادات حول استخدام المحركات، واختيار مواقع الإطلاق، وطرق الإطلاق، ووضع منصات الإطلاق، وتصميم نظام الاستعادة ونشره، وغير ذلك. منذ أوائل الستينيات، تُرفق نسخة من قانون سلامة صواريخ النماذج بمعظم مجموعات ومحركات صواريخ النماذج. على الرغم من ارتباطها الوثيق بالمواد شديدة الاشتعال والأجسام ذات الرؤوس المدببة التي تتحرك بسرعات عالية، فقد أثبت علم صواريخ النماذج تاريخيًا ^{[ 56 ] [ 57 ]} أنه هواية آمنة للغاية ، ويُنسب إليه الفضل في كونه مصدر إلهام هام للأطفال الذين يصبحون في نهاية المطاف علماء ومهندسين . ^{[ 58 ]}

يبني الهواة ويطلقون أنواعًا عديدة من الصواريخ النموذجية. تنتج العديد من الشركات مجموعات وأجزاء الصواريخ النموذجية، ولكن نظرًا لبساطتها، يُعرف عن بعض الهواة صنع صواريخ من أي شيء تقريبًا. تُستخدم الصواريخ أيضًا في بعض أنواع الألعاب النارية الاستهلاكية والاحترافية . صاروخ الماء هو نوع من الصواريخ النموذجية يستخدم الماء ككتلة تفاعل. عادةً ما يكون وعاء الضغط (محرك الصاروخ) عبارة عن زجاجة بلاستيكية مستعملة للمشروبات الغازية. يُدفع الماء للخارج بواسطة غاز مضغوط، عادةً ما يكون هواءً مضغوطًا. وهو مثال على قانون نيوتن الثالث للحركة.

يتراوح نطاق هواة إطلاق الصواريخ من صاروخ صغير يُطلق في الفناء الخلفي للمنزل إلى صاروخ وصل إلى الفضاء. ^{[ 59 ]} تُقسم هواة إطلاق الصواريخ إلى ثلاث فئات وفقًا لقوة دفع المحرك الكلية : منخفضة الطاقة، ومتوسطة الطاقة، وعالية الطاقة .

تُستخدم صواريخ بيروكسيد الهيدروجين لتشغيل حقائب الطيران النفاثة ، ^{[ 60 ]} وقد استُخدمت لتشغيل السيارات ، وتحمل سيارة صاروخية الرقم القياسي (وإن كان غير رسمي) في سباقات السرعة . ^{[ 61 ]}

يُعدّ صاروخ "كوربولنت ستامب" أقوى صاروخ غير تجاري تم إطلاقه على الإطلاق بمحرك من إنتاج شركة "أيروتك" في المملكة المتحدة. ^{[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]}

يؤدي احتراق الوقود في محرك الصاروخ إلى زيادة الطاقة الداخلية للغازات الناتجة، مستغلًا الطاقة الكيميائية المخزنة في الوقود. ومع ازدياد الطاقة الداخلية، يزداد الضغط، ويُستخدم فوهة لتحويل هذه الطاقة إلى طاقة حركية موجهة. ينتج عن ذلك قوة دفع في مواجهة البيئة المحيطة التي تُطلق إليها هذه الغازات. يكون الاتجاه الأمثل لحركة العادم هو الاتجاه الذي يُسبب قوة الدفع. عند الطرف العلوي لغرفة الاحتراق، لا يستطيع سائل الغاز الساخن ذو الطاقة العالية التحرك للأمام، لذا فهو يدفع لأعلى باتجاه الجزء العلوي من غرفة احتراق محرك الصاروخ . ومع اقتراب غازات الاحتراق من مخرج غرفة الاحتراق، تزداد سرعتها. ويؤدي تأثير الجزء المتقارب من فوهة محرك الصاروخ على سائل غازات الاحتراق ذي الضغط العالي إلى تسارع الغازات إلى سرعات عالية. وكلما زادت سرعة الغازات، انخفض ضغط الغاز ( مبدأ برنولي أو حفظ الطاقة ) المؤثر على ذلك الجزء من غرفة الاحتراق. في محرك مصمم بشكل صحيح، يصل التدفق إلى سرعة ماخ 1 عند عنق الفوهة، وعندها تزداد سرعة التدفق. بعد عنق الفوهة، يسمح جزء التمدد المخروطي الشكل للغازات المتمددة بدفع ذلك الجزء من محرك الصاروخ. وبالتالي، يُعطي الجزء المخروطي من الفوهة قوة دفع إضافية. ببساطة، لكل فعل رد فعل مساوٍ له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه، وفقًا لقانون نيوتن الثالث، مما ينتج عنه رد فعل للغازات الخارجة بقوة تؤثر على الصاروخ وتؤدي إلى تسريعه. ^{[ 70 ] [ ملاحظة 2 ]}

في حجرة مغلقة، تتساوى الضغوط في جميع الاتجاهات، فلا يحدث تسارع. أما إذا وُجدت فتحة في قاع الحجرة، فإن الضغط لا يؤثر على الجزء المفقود، مما يسمح بخروج العادم. وتُنتج الضغوط المتبقية قوة دفع على الجانب المقابل للفتحة، وهي التي تدفع الصاروخ للأمام.

يُعدّ شكل الفوهة عاملاً مهماً. تخيّل بالوناً يُدفع بواسطة هواء يخرج من فوهة مخروطية الشكل. في هذه الحالة، يكون مزيج ضغط الهواء والاحتكاك اللزج بحيث لا تدفع الفوهة البالون، بل يسحبها . [ ^{72 ] استخدام} فوهة متقاربة/متباعدة يُعطي قوة أكبر، لأن العادم يضغط عليها أيضاً أثناء تمددها للخارج، مما يُضاعف القوة الكلية تقريباً. إذا أُضيف غاز الدفع باستمرار إلى غرفة الاحتراق، يُمكن الحفاظ على هذه الضغوط طالما بقي الوقود. تجدر الإشارة إلى أنه في حالة محركات الوقود السائل، يجب أن تحافظ المضخات التي تنقل الوقود إلى غرفة الاحتراق على ضغط أكبر من ضغط غرفة الاحتراق، وعادةً ما يكون في حدود 100 ضغط جوي. ^{[ 2 ]}

كنتيجة جانبية، تؤثر هذه الضغوط على الصاروخ أيضًا على العادم في الاتجاه المعاكس، مما يُسرّعه إلى سرعات عالية جدًا (وفقًا لقانون نيوتن الثالث ). ^{[ 2 ]} وبناءً على مبدأ حفظ الزخم، تُحدد سرعة عادم الصاروخ مقدار الزيادة في الزخم الناتجة عن كمية معينة من الوقود. يُسمى هذا بالدفع النوعي للصاروخ . ^{[ 2 ]} ولأن الصاروخ والوقود والعادم أثناء الطيران، دون أي مؤثرات خارجية، يُمكن اعتباره نظامًا مغلقًا، فإن الزخم الكلي يكون ثابتًا دائمًا. لذلك، كلما زادت السرعة الصافية للعادم في اتجاه ما، زادت سرعة الصاروخ في الاتجاه المعاكس. ويصدق هذا بشكل خاص لأن كتلة جسم الصاروخ عادةً ما تكون أقل بكثير من كتلة العادم الكلية النهائية.

تُعدّ الدراسة العامة للقوى المؤثرة على الصاروخ جزءًا من مجال علم المقذوفات . أما المركبات الفضائية فتُدرس بشكل أعمق في مجال فرعي هو ديناميكا الفضاء .

تتأثر الصواريخ الطائرة بشكل أساسي بما يلي: ^{[ 73 ]}

• قوة الدفع من المحرك (المحركات)
• الجاذبية الناتجة عن الأجرام السماوية
• مقاومة الهواء عند الحركة في الغلاف الجوي
• الرفع ؛ عادةً ما يكون تأثيره صغيراً نسبياً باستثناء الطائرات التي تعمل بالصواريخ

بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكون القصور الذاتي والقوة الزائفة للطرد المركزي كبيرين بسبب مسار الصاروخ حول مركز الجسم السماوي؛ فعند تحقيق سرعات عالية بما يكفي في الاتجاه والارتفاع الصحيحين، يتم الحصول على مدار مستقر أو سرعة إفلات .

ستؤدي هذه القوى، مع وجود ذيل مُثبِّت ( الذيل )، ما لم تُبذل جهود تحكم مُتعمَّدة، إلى أن تتبع المركبة مسارًا شبه مكافئ يُسمى الدوران بفعل الجاذبية ، ويُستخدم هذا المسار غالبًا، على الأقل خلال الجزء الأول من الإطلاق. (ينطبق هذا حتى لو كان محرك الصاروخ مُثبَّتًا في المقدمة). وبالتالي، يُمكن للمركبات الحفاظ على زاوية هجوم منخفضة أو حتى معدومة، مما يُقلل من الإجهاد العرضي على مركبة الإطلاق ، ويسمح باستخدام مركبة إطلاق أضعف، وبالتالي أخف وزنًا. ^{[ 74 ] [ 75 ]}

قوة الدفع الصافية

يستطيع محرك الصاروخ النموذجي التعامل مع جزء كبير من كتلته من الوقود كل ثانية، حيث يخرج الوقود من الفوهة بسرعة عدة كيلومترات في الثانية. هذا يعني أن نسبة الدفع إلى الوزن لمحرك الصاروخ، وغالبًا للمركبة بأكملها، قد تكون عالية جدًا، وفي الحالات القصوى تتجاوز 100. ويُقارن هذا بمحركات الدفع النفاث الأخرى التي قد تتجاوز 5 في بعض المحركات الأفضل ^{[ 77 ]} . ^{[ 78 ]}

قوة الدفع الصافية للصاروخ هي

${\displaystyle F_{n}={\dot {m}}\;v_{e},}$^{[ 2 ] : 2-14}

أين

${\displaystyle {\dot {m}}=\,}$معدل تدفق الوقود الدافع (كجم/ثانية أو رطل/ثانية)

${\displaystyle v_{e}=\,}$سرعة العادم الفعالة ( م/ث أو قدم/ث).

سرعة العادم الفعالة${\displaystyle v_{e}}$تُعدّ سرعة العادم الخارج من المركبة تقريبًا هي السرعة الفعلية للعادم، وفي فراغ الفضاء، غالبًا ما تساوي هذه السرعة متوسط ​​سرعة العادم الفعلية على طول محور الدفع. مع ذلك، تأخذ سرعة العادم الفعلية في الحسبان خسائر مختلفة، ومن أبرزها انخفاضها عند التشغيل داخل الغلاف الجوي.

غالبًا ما يتم تغيير معدل تدفق الوقود الدافع عبر محرك الصاروخ عمدًا أثناء الرحلة، وذلك للتحكم في قوة الدفع وبالتالي سرعة المركبة. وهذا، على سبيل المثال، يسمح بتقليل الخسائر الديناميكية الهوائية ^{[ 76 ]} ويمكن أن يحد من زيادة قوى التسارع الناتجة عن انخفاض كمية الوقود الدافع.

يُعرَّف الدفع بأنه قوة تؤثر على جسم ما بمرور الوقت، والتي تُغير، في غياب قوى معاكسة (كالجاذبية ومقاومة الهواء)، زخم الجسم (محصلة الكتلة والسرعة). ولذلك، يُعد الدفع أفضل مؤشر لأداء الصاروخ (كتلة الحمولة وقدرة السرعة النهائية)، بدلاً من قوة الدفع عند الإقلاع أو الكتلة أو "الطاقة". الدفع الكلي لصاروخ (مرحلة) يحرق وقوده هو: ^{[ 2 ] : 27}

${\displaystyle I=\int Fdt}$

عندما يكون هناك دفع ثابت، يكون الأمر ببساطة كالتالي:

${\displaystyle I=Ft\;}$

إن إجمالي قوة دفع الصاروخ متعدد المراحل هو مجموع قوى الدفع للمراحل الفردية.

كما يتضح من معادلة الدفع، فإن السرعة الفعالة للعادم تتحكم في مقدار الدفع الناتج عن كمية معينة من الوقود المحترق في الثانية الواحدة.

يُطلق على المقياس المكافئ، وهو صافي الدفع لكل وحدة وزن من الوقود المنبعث، اسم الدفع النوعي .${\displaystyle I_{sp}}$وهذا أحد أهم المؤشرات التي تصف أداء الصاروخ. ويُعرَّف بحيث يرتبط بسرعة العادم الفعالة بالعلاقة التالية:

${\displaystyle v_{e}=I_{sp}\cdot g_{0}}$^{[ 2 ] : 29}

أين:

${\displaystyle I_{sp}}$وحداتها الثواني

${\displaystyle g_{0}}$هو التسارع على سطح الأرض

وبالتالي، كلما زادت قوة الدفع النوعية، زادت قوة الدفع الصافية وأداء المحرك.${\displaystyle I_{sp}}$يتم تحديدها عن طريق القياس أثناء اختبار المحرك. عمليًا، تختلف سرعات العادم الفعالة للصواريخ، ولكنها قد تكون عالية للغاية، حوالي 4500  متر/ثانية، أي ما يعادل 15 ضعف سرعة الصوت في الهواء عند مستوى سطح البحر.

إن قدرة دلتا-في للصاروخ هي التغير الكلي النظري في السرعة الذي يمكن أن يحققه الصاروخ دون أي تدخل خارجي (بدون مقاومة الهواء أو الجاذبية أو قوى أخرى).

متى${\displaystyle v_{e}}$إذا كان ثابتًا، فإن دلتا-v التي يمكن أن توفرها مركبة صاروخية يمكن حسابها من معادلة تسيولكوفسكي الصاروخية : ^{[ 82 ]}

${\displaystyle \Delta v\ =v_{e}\ln {\frac {m_{0}}{m_{1}}}}$

أين:

${\displaystyle m_{0}}$الكتلة الإجمالية الأولية، بما في ذلك الوقود الدافع، بالكيلوغرام (أو الرطل)

${\displaystyle m_{1}}$الكتلة الإجمالية النهائية بالكيلوغرام (أو الرطل)

${\displaystyle v_{e}}$هي سرعة العادم الفعالة بالمتر في الثانية (أو القدم في الثانية)

${\displaystyle \Delta v\ }$هل دلتا-في بوحدة متر/ثانية (أو قدم/ثانية)؟

عند إطلاقها من الأرض، يمكن أن تصل سرعة التغيير العملية (دلتا-فس) لصاروخ واحد يحمل حمولات إلى بضعة كيلومترات في الثانية. وتتضمن بعض التصاميم النظرية صواريخ ذات سرعة تغيير تتجاوز 9  كيلومترات في الثانية.

يمكن أيضًا حساب قيمة دلتا-في المطلوبة لمناورة معينة؛ فعلى سبيل المثال، تبلغ قيمة دلتا-في اللازمة للإطلاق من سطح الأرض إلى مدار أرضي منخفض حوالي 9.7  كم/ث، مما يجعل المركبة تتمتع بسرعة جانبية تبلغ حوالي 7.8  كم/ث على ارتفاع حوالي 200  كم. وفي هذه المناورة،  تُفقد حوالي 1.9 كم/ث بسبب مقاومة الهواء ، ومقاومة الجاذبية ، واكتساب الارتفاع .

النسبة${\displaystyle {\frac {m_{0}}{m_{1}}}}$يُطلق عليه أحيانًا نسبة الكتلة .

تتكون كتلة مركبة الإطلاق بالكامل تقريبًا من الوقود. ^{[ 83 ]} نسبة الكتلة، في أي عملية احتراق، هي النسبة بين كتلة الصاروخ الابتدائية وكتلته النهائية. ^{[ 84 ]} مع ثبات جميع العوامل الأخرى، تُعدّ نسبة الكتلة العالية مرغوبة لتحقيق أداء جيد، لأنها تدل على أن الصاروخ خفيف الوزن وبالتالي يؤدي أداءً أفضل، وذلك للأسباب نفسها التي تجعل الوزن الخفيف مرغوبًا في السيارات الرياضية.

تتميز الصواريخ، كمجموعة، بأعلى نسبة دفع إلى وزن مقارنةً بأي نوع آخر من المحركات؛ وهذا يُساعد المركبات على تحقيق نسب كتلة عالية ، مما يُحسّن أداء رحلاتها. وكلما ارتفعت هذه النسبة، قلّت كتلة المحرك المطلوبة. وهذا يسمح بحمل كمية أكبر من الوقود، مما يُحسّن بشكل كبير من سرعة التغيير (دلتا-في). في المقابل، تحمل بعض الصواريخ، مثل تلك المُستخدمة في عمليات الإنقاذ أو السباقات، كمية قليلة نسبيًا من الوقود والحمولة، وبالتالي لا تحتاج إلا إلى هيكل خفيف الوزن، وتحقق تسارعًا عاليًا. على سبيل المثال، يُمكن لنظام الهروب في مركبة سويوز توليد تسارع يصل إلى 20 ضعف تسارع الجاذبية الأرضية . ^{[ 48 ]} 

تعتمد نسب الكتلة التي يمكن تحقيقها بشكل كبير على العديد من العوامل مثل نوع الوقود الدافع، وتصميم المحرك الذي تستخدمه المركبة، وهوامش الأمان الهيكلية، وتقنيات البناء.

تُحقق أعلى نسب الكتلة عمومًا باستخدام الصواريخ السائلة، وعادةً ما تُستخدم هذه الأنواع في مركبات الإطلاق المدارية ، وهو وضع يتطلب دلتا-في عاليًا. تتميز المواد الدافعة السائلة عمومًا بكثافة مماثلة للماء (باستثناءات ملحوظة مثل الهيدروجين السائل والميثان السائل )، وتستطيع هذه الأنواع استخدام خزانات خفيفة الوزن ومنخفضة الضغط، وعادةً ما تعمل بمضخات توربينية عالية الأداء لدفع الوقود إلى غرفة الاحتراق.

توجد بعض النسب الكتلية البارزة في الجدول التالي (تم تضمين بعض الطائرات لأغراض المقارنة):

حتى الآن، لم يتمكن أي صاروخ منفرد من بلوغ السرعة المطلوبة (دلتا-في) للوصول إلى المدار، وذلك لأن الوقود والخزانات والهيكل ونظام التوجيه والصمامات والمحركات، وغيرها، تشغل نسبة دنيا محددة من كتلة الإطلاق، وهي نسبة كبيرة جدًا بالنسبة لكمية الوقود التي يحملها الصاروخ لتحقيق تلك السرعة المطلوبة مع حمولات معقولة. ولأن الوصول إلى المدار بمرحلة واحدة لم يكن ممكنًا حتى الآن، فإن الصواريخ المدارية تتكون دائمًا من أكثر من مرحلة.

على سبيل المثال، استطاعت المرحلة الأولى من صاروخ ساتورن 5، التي تحمل وزن المراحل العليا، تحقيق نسبة كتلة تبلغ حوالي 10، وحققت دافعًا نوعيًا قدره 263 ثانية. وهذا يُعطي تغيرًا في السرعة (دلتا-في) يبلغ حوالي 5.9 كم/ث، بينما يلزم تغير في السرعة (دلتا-في)  يبلغ حوالي 9.4 كم/ث للوصول إلى المدار مع الأخذ في الاعتبار جميع الخسائر. 

تُحل هذه المشكلة غالبًا بتقنية المراحل - حيث يتخلص الصاروخ من الوزن الزائد (عادةً خزانات الوقود الفارغة والمحركات المرتبطة بها) أثناء الإطلاق. وتكون المراحل إما متسلسلة ، حيث تشتعل الصواريخ بعد انفصال المرحلة السابقة، أو متوازية ، حيث تحترق الصواريخ معًا ثم تنفصل عند نفاد وقودها. ^{[ 90 ]}

إن أقصى السرعات التي يمكن تحقيقها باستخدام المراحل محدودة نظرياً بسرعة الضوء فقط. ومع ذلك، فإن الحمولة التي يمكن حملها تتناقص هندسياً مع كل مرحلة إضافية مطلوبة، بينما تكون الزيادة في السرعة لكل مرحلة تراكمية.

من قانون نيوتن الثاني، التسارع،${\displaystyle a}$، بالنسبة للمركبة، هو ببساطة:

${\displaystyle a={\frac {F_{n}}{m}}}$

حيث m هي الكتلة اللحظية للمركبة و${\displaystyle F_{n}}$هي القوة المحصلة المؤثرة على الصاروخ (معظمها قوة دفع، ولكن مقاومة الهواء والقوى الأخرى يمكن أن تلعب دورًا).

مع انخفاض كمية الوقود المتبقي، تصبح المركبات الصاروخية أخف وزنًا، ويميل تسارعها إلى الزيادة حتى ينفد الوقود. وهذا يعني أن معظم تغير السرعة يحدث قرب نهاية الاحتراق عندما تكون المركبة أخف وزنًا بكثير. ^{[ 2 ]} ومع ذلك، يمكن التحكم في قوة الدفع لتعويض هذا التغير أو تغييره عند الحاجة. كما تحدث انقطاعات في التسارع عند احتراق المراحل، وغالبًا ما يبدأ التسارع بانخفاض مع كل مرحلة جديدة تعمل.

يمكن زيادة التسارع الأقصى بتصميم المركبة بكتلة مخفّضة، ويتحقق ذلك عادةً بتقليل حمولة الوقود وخزاناته والهياكل المرتبطة به، ولكن من الواضح أن هذا يقلل من المدى، والتغير في السرعة، ومدة الاحتراق. مع ذلك، في بعض التطبيقات التي تُستخدم فيها الصواريخ، يُعدّ التسارع الأقصى العالي لفترة قصيرة أمرًا مرغوبًا للغاية.

تتكون الكتلة الدنيا للمركبة من محرك صاروخي مع الحد الأدنى من الوقود والهيكل اللازم لحمله. في هذه الحالة، تحدد نسبة الدفع إلى الوزن ^{[ ملاحظة 3 ]} للمحرك الصاروخي أقصى تسارع يمكن تصميمه. وقد تبين أن المحركات الصاروخية تتمتع عمومًا بنسب دفع إلى وزن ممتازة (137 لمحرك NK-33 ؛ ^{[ 91 ]} بعض الصواريخ الصلبة تتجاوز 1000 ^{[ 2 ] : 442} )، وتستخدم جميع المركبات ذات التسارع العالي تقريبًا ، أو استخدمت سابقًا، صواريخ.

بفضل التسارع العالي الذي تتمتع به الصواريخ بطبيعتها، غالباً ما تكون المركبات الصاروخية قادرة على الإقلاع العمودي ، وفي بعض الحالات، مع التوجيه والتحكم المناسبين في المحركات، على الهبوط العمودي أيضاً . ولإتمام هذه العمليات، من الضروري أن توفر محركات المركبة قوة دفع تتجاوز التسارع الناتج عن الجاذبية الأرضية .

منذ أوائل العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين، ظهرت خيارات خاصة جديدة للحصول على خدمات رحلات الفضاء، مما أدى إلى ضغط كبير على أسعار السوق القائمة. ^{[ 105 ] [ 106 ] [ 107 ] [ 108 ]}