火箭發動機基本原理
當大多數人想到馬達或發動機時，會認為它們與鏇轉有關。例如，汽車裡的往復式汽油發動機會產生轉動能量以驅動車輪。電動馬達產生的轉動能量則用來驅動風扇或轉動磁碟。蒸汽發動機也用來完成同樣的工作，蒸汽輪機和大多數燃氣輪機也是如此。
火箭發動機則與之有著根本的區別。它是一種反作用力式發動機。火箭發動機是以一條著名的牛頓定律作為基本驅動原理的，該定律認為“每個作用力都有一個大小相等、方向相反的反作用力”。火箭發動機向一個方向拋射物質，結果會獲得另一個方向的反作用力。
開始時您可能很難理解“拋射物質，獲得反作用力”這個概念，因為這好像和真實情況不大一樣。火箭發動機似乎只會發出火焰和噪音，製造壓力，而與“拋射物質”沒什麼關係。我們來看幾個例子，以便更好地了解真實情況：
1、如果您曾經使用過獵槍，特別是那種12鉛徑的大獵槍，那么您就知道它會產生巨大的“撞擊力”。也就是說，當您開槍時，獵槍會狠狠地向後“撞擊”您的肩膀。這種撞擊力就是反作用力。獵槍將31.1克的金屬以大約1120公里/小時的速度沿某個方向發射出去，同時您的肩膀會受到反作用力的撞擊。如果您開槍時穿著輪滑鞋或站在滑雪板上，槍會起到類似於火箭發動機的作用，反作用力會使您向相反的方向滑動。
2、如果您見過粗大的消防水管噴水的場景，可能會注意到消防員要花很大的力氣才能抓住它（有時您會看到有兩名或三名消防員手持同一根消防水管）。水管發生的情況與火箭發動機類似。水管向一個方向噴水，消防員們則運用自身的力量和重量來克服反作用力。如果他們放開水管，那么水管會勁頭十足地四處亂撞。如果消防員全都站在滑雪板上，水管將推動他們以極快的速度向後移動。
3、如果您吹起一個氣球，然後放開它，那么它會滿屋子亂飛，直到裡面的空氣漏光為止，這就是您製造的火箭發動機。在這種情況下，被拋射出去的是氣球中的空氣分子。與許多人的想法不同，空氣分子其實是有質量的（請查看有關氦的頁面，以便更好地了解空氣品質的問題）。如果您讓空氣從氣球的噴口中噴出來，氣球的其餘部分則會向相反的方向運動。
太空棒球賽的場景
想像下面的情景：您穿著一套太空服，飄浮在太空梭外的太空中，您的手中恰好有一個棒球。
如果您把棒球扔出去，反作用力會使您的身體朝與棒球相反的方向移動。身體離開的速度，是由您扔出的棒球的質量和您使它獲得的加速度決定的。質量與加速度相乘即為作用力的大小(f=m*a)。無論您向棒球施加的力有多大，它和作用在您身體上的反作用力總是大小相等(m*a=m*a)。所以，我們不妨假設棒球的質量為1磅，而您的身體與太空服的總質量為100磅。您以9.75米/秒（33.8公里/小時）的速度將棒球扔出去。也就是說，您用手臂加速質量為1磅的棒球，使它獲得33.8公里/小時的速度。您的身體將受到反作用力，但身體的質量是棒球的100倍。因此，它向相反方向運動的速度是棒球的百分之一，即0.098米/秒（0.338公里/小時）。
如果想讓棒球產生更大的推力，您有兩個選擇：增大棒球的質量或提高它的加速度。您可以扔出一個質量更大的棒球，或接連不斷地扔出多個棒球（增大質量），也可以用更快的速度將棒球扔出去（提高它的加速度）。不過，您能採取的方法也僅此而已。
火箭發動機通常拋射的是高壓氣體形式的物質。發動機向某個方向噴出氣體物質，以獲得相反方向的反作用力。這些物質來自火箭發動機燃燒的燃料。燃燒過程使燃料物質得以加速，使之以極高的速度從火箭噴口噴出。燃料在燃燒過程中由固態或液態轉化為氣體，但並不會使其質量發生變化。如果您燃燒一斤火箭燃料，那么就有一斤排出物以高溫高速的氣體形式從噴口噴出。形態發生了改變，但質量則保持不變。而燃燒過程會加快物質的速度。
推力和固體燃料火箭
火箭發動機的“力量”稱為推力。在美國，推力的單位是“推力磅數”，而在公制中則以“牛頓”為單位（4.45牛頓的推力與1磅推力相近）。1磅推力相當於使地球上質量為1磅的物體克服重力作用以保持靜止所需的推力。在地球上，重力加速度為9.8米/秒2。如果您帶著一袋棒球（假設每個棒球的質量為1磅）漂浮在太空中，並且每秒扔出一個棒球，使它與您的相對速度為33.8公里/小時，那么每個棒球將產生相當於1磅的推力。如果您以67.6公里/小時的速度擲出棒球，那么您產生的推力為2磅。如果您以3380公里/小時的速度擲出它們（可能是用某種“棒球炮”來發射它們的），那么您將會產生100磅的推力，以此類推。
關於火箭，有一個有趣的問題：由於發動機拋射的物體實際上是有質量的，因此火箭必須攜帶這些質量。因此，我們假設您希望每秒擲出一個相對速度為3380公里/小時的棒球來生成100磅的推力，並持續1小時。這意味著您開始時必須攜帶3,600個質量為1磅的棒球（因為1小時有3,600秒），或總質量為3,600磅的多個棒球。由於您穿著太空服時的總質量只有100磅，於是您會發現“燃料”的質量遠遠大於有效負荷（也就是您）。實際上，燃料的質量是有效負荷的36倍。而這是個常見的現象。這就是為什麼目前必須用一枚巨大的火箭來將一個質量很小的人發射到太空——火箭必須攜帶大量燃料。
固體燃料火箭：混合燃料
固體燃料火箭發動機是人類製造的第一種發動機。它在幾百年前由中國人發明，從那以後一直得到廣泛的套用。美國國歌（創作於19世紀初）中有“火箭發出紅焰”（the rocket's red glare）這句歌詞，它說的是用來發射炸彈或燃燒彈的小型軍用固體燃料火箭。由此可以看出固體燃料火箭已經有了相當長的使用歷史。
簡單固體燃料火箭背後的原理十分淺顯。您要做的就是製造出一種既能迅速燃燒又不會爆炸的物質。眾所周知，火藥會發生爆炸。火藥由75%的硝石、15%的碳和10%的硫磺組成。在火箭發動機中，您不希望發生爆炸，而是想讓能量在一段時間內均勻地釋放出來。因此您可以將混合比例改成72%的硝石、24%的碳和4%的硫磺。這種情況下，您得到的不是火藥，而是簡單的火箭燃料。這種混合物的燃燒速度極快，但如果採用了適當的裝填方式，它就不會爆炸。
固體燃料火箭：管道結構
當您閱讀關於高級固體燃料火箭（如太空梭的固體火箭推進器）的文章時，常會讀到類似下面的內容：
各個SRB發動機中的混合推進劑是由高氯酸銨（氧化劑，占總質量的69.6%）、鋁（燃料，16%）、氧化鐵（催化劑，0.4%）、聚合物（將混合物結合在一起的粘結劑，12.04%）和環氧固化劑(1.96%)混合而成的。推進劑在前發動機段有一個十一角星形的孔，而在每個尾段和後蓋中，孔的形狀則像截去兩頭的雙圓錐。這種結構能在點火時提供巨大的推力，並在升空50秒後降低約三分之一的推力，以免在出現最大動態壓力的時間段內使飛行器處於超負載狀態。
液體推進劑及其他類型的火箭
1926年，羅伯特·高德（Robert Goddard）進行了第一台液體推進劑火箭發動機的測試。他的發動機使用了汽油和液氧。他還研究並解決了火箭發動機設計領域的許多基本問題，包括燃料抽運機制、冷卻策略和導向裝置的布局。這些問題也是導致液體推進火箭如此複雜的原因。
火箭發動機的基本原理很簡單。在大多數液體推進劑火箭發動機中，燃料和氧化劑（如汽油和液氧）會被抽取到燃燒室中。在那裡，它們會燃燒並產生一股速度極快的高壓熱蒸汽。這些蒸汽流過一個噴口以便進一步提高它們的速度（噴出時的速度通常為8,000-16,000公里/小時）），之後就會離開發動機。
其他可能的組合
我們經常見到化學火箭發動機靠燃燒燃料來產生推力。不過，還有許多其他方法可以產生推力。任何能夠拋射物體的系統都能做到這一點。如果您能找到一種將棒球加速到極高速度的方法，那么您就有了一種可行的火箭發動機。這種方法的唯一問題是，棒球“排出物”（這裡指讓高速棒球運動的物質）會在太空中繼續運動。由於這個小小的問題，火箭發動機設計師們傾向於讓氣體作為排出物。
許多火箭發動機的體積很小。例如，人造衛星上的姿態推進器無需產生太大的推力。人造衛星常用的一種發動機設計是高壓氮氣推進器，它完全不使用“燃料”，而只是通過噴口將罐中的氮氣噴出。像這樣的推進器不但能使太空實驗室停留在軌道上，而且可以用在太空梭和載人機動系統中。
人們試圖在新的發動機設計中找到將離子或原子微粒加速至極高速度的方法，以便更有效地產生推力。NASA的“深空1號”將是第一艘用離子發動機作為推進裝置的太空船。請訪問此頁面，了解關於等離子和離子發動機的其他討論。
