Чему равен КПД ракетного двигателя?

Кпд ракетного двигателя на химическом топливе ничтожен, менее одного процента. Рассчитывается он так. Пусть в камере сгорает водород в среде кислорода. Выделяющееся при сгорании тепло рассчитывается как Q=mH, где m - массовый расход топлива, H - теплота сгорания. С другой стороны, вылетающая из сопла струя газов обладает кинетической энергией Е=mv²/2. А кпд равен отошению кинетической энергии к выделившемуся теплу η=E/Q=v²/(2H). При реакции горения водорода в кислороде выделяется ежесекундно 10.8 Мдж/куб. метр тепла. Разделив эту цифру на плотность водорода 0.09кг/куб. метр, получаем искомую величину Н=120Мдж/кг. Скорости истечения газов в современных ракетах на химтопливе не превышают 4.5 км/сек. Если в расчете исходить из этой предельной цифры, то получим кпд=0.94%. А в реальности кпд будет еще ниже, т. к. 1) в ракетах в качестве топлива используется все же не водород, имеющий максимальное тепловыделение, а иные вещества с заметно более худшими характеристиками, 2) скорости истечения газов из сопла в реальности заметно ниже использованной цифры 4.5 км/сек.
Такой низкий кпд ракетного двигателя на химтопливе является следствием того факта, что химическая энергия топлива выделяется вначале в форме тепла, и лишь затем это тепло переходит в кинетическую энергию газовой струи в сопле. А вследствие того, что весь процесс перехода тепловой энергии в кинетическую происходит в течение нескольких миллисекунд или даже еще меньше, у тепла просто не хватает времени, чтобы более-менее полно преобразоваться в кинетическую энергию.
Чтобы повысить кпд ракетного двигателя, надо отказаться от промежуточной тепловой формы и преобразовывать исходную химическую энергию (или ядерную) сразу в кинетическую энергию газовой струи. То есть надо отказаться от нагрева. Такие двигатели получили название ионных. В них рабочее тело вначале ионизируется, а затем ионы разгоняются в сопле электрическими и магнитными полями до очень высоких скоростей, исчисляемых десятками или даже сотнями км/сек. Поэтому для ионных двигателей кпд оказывается заметно выше (на уровне 30-50%), что позволяет заметно сократить расход рабочего тела. Но большой недостаток ионных двигателей состоит в их малых значениях силы тяги. Лучшие образцы ионных двигателей развивают тягу не более нескольких граммов. Следовательно, они не годятся для старта с земной поверхности. Но, когда корабль уже вышел в открытый космос, там ионные двигатели могут прекрасно работать.

вообще КПД - штука хитрая. Его для тепловых машин придумали.
Оценивать ракетные двигатели совсем бессмысленно. Ракетный движок придает импульс, а не энергию.

Если посчитаете - у вас получится разный КПД в зависимости от скорости полета, от массы груза и топлива на борту.
куда важнее скорость истечения или удельный импульс.

Ну, может один процент. До пяти во всяком случае.

60%, но можно до 70% догнать если он водородом плюваться будет.

Ракетные двигатели характеризуются тягой и удельным импульсом. Понятие КПД для них применять не совсем корректно.

КПД реактивного двигателя - вполне нормальная характеристика. Реактивный двигатель использует химическую энергию топлива и тратит его на два полезных действия: преодоление лобового сопротивления и повышение кинетической энергии ракеты. Так что надо поделить сумму двух последних на первое - и все. Получим нормальную величину меньше 100%.

При движении в вакууме, КПД легко рассчитать, т. к. лобовое сопротивление отсутствует. Химическая энергия тратится на расширение газа, к сожалению не равновесному, так что просто посчитать не удается. Зато дальше просто. Реактивные газы истекают из сопла с определенной скоростью, закон сохранения импульса выполняется - можно посчитать какая доля энергии передается ракете. Есть, конечно диссипация энергии, и затраты на обеспечение работы двигателя, но ими можно пренебречь. А можно и померить экспериментально. Все это возможно, а иначе как бы люди узнали сколько топлива требуется для того, чтобы долететь до Юпитера?

Беда в том, что часто вводят всякие "полетные КПД", "полные мощности" и т. п. Это приводит к путанице, т. к. подобных характеристики могут принимать немыслимые значения.

Еще одна проблема появляется, когда мы начинаем задумываться, а так уж полезно для нас тащить с собой это самое топливо для двигателя. Может быть, кинетическая энергия топлива не должна входить в знаменатель КПД?

близок к нулю

Е кин.1 тонного спутника = mv^2/2
E= 1000кг • 10 км/с^2 / 2 = 1000 • 10 000 м/c ^2 / 2
E = 1000 • 10000 • 10000 / 2 ~ 50 000 000 000 дж
Q 1 кг хим. топлива ~ 50 Мдж
50 млрд. Дж = 1 тонне хим. топлива
То есть 1 тонный спутник летящий со скоростью 10 км/с - это 1 тонна топлива, или 1 тонна взрывчатки ( чтобы легче образно представить энергию)
На старте ракеты львиная доля массы это топливо, пусть будет 1000 тонн
То есть кпд будет (1:1000)•100= 0.1%

никакой двигатель не перепрыгнул барьер в 70%

Кпд ракетного двигателя намного более 100 это очевидно она затрачивает намного меньше топлива чем потом выдает энергии во время полета каким же нужно быть дебилом что бы писатьб что кпд ракеты меньше 100

Филипп Гиревка восстановил репутацию ЖРД )) . Что касается термодинамического КПД в 92%, то это - верхняя оценка, а не КПД, как таковой. Но 76% - это КПД преобразования теловой энергии в механическую струи, а не КПД двигательной системы. Если его считать, то нужно умножить эти 76% на отношение массового расхода топлива (водород+ кислород) к массе всей ракеты. Эта величина будет конечно переменной. Вначале КПД очень мал, но по мере разгона ракеты он растет. В эотм смысле нет однозначного ответа на вопрос, каков КПД у ЖРД.

сынок... я хоть и самый умный в мире человек... но даже мне это не по силе

Итак, считаем по методу Корпускуляр Гения.
Теплота сгорания водорода - 120 МДж/кг, скорость истечения газов для водород-кислородной пары - 4,5 м/с.
Для того, чтобы сжечь 1 моль водорода нужно 0.5 моль кислорода или на 1 кг H2 - 8 кг О2. Таким образом на 1 кг топлива, получаем 9 кг рабочего тела, движущегося со скоростью 4.5 км/с. Считаем кинетическую энергию -
E = mV^2/2 или 9*(4500)^2/2 = 91 МДж.
Теперь кпд - (91/120)*100% =76%.
Таким образом, ракетный двигатель преобразует в кинетическую энергию 76% внутренней энергии рабочего тела.

Имеется в виду то, что пропадает тепловая составляющая. Огромный факел горячих газов вылетающий из сопла, уносит большое колличество энергии. Поэтому, конечно, кпд крайне низок. Правильнее было бы говорить о кпд топлива и полном его использовании, двигателем. Кстати, ничего не слыхали о наноантенах? Пленка с напечатанными на ней элементами антен, величина которых соответствует длине поглощаемых волн. Вот где высокий кпд! Осталось подождать создания террагерцевого выпрямителя.

КПД тут не применимо, но если смотреть на эффективность перевода тепловой энергии топлива в кинетическую, то тут около 70%

А теперь давайте посчитаем "в лоб", по "школьной" формуле для КПД.
КПД=100%* (Т1-Т2)/Т1,
где Т1 - температура нагревателя (температура внутри камеры сгорания реактивного двигателя),
Т2 - температура холодильника (наружной атмосферы.)
Для керосин-кислородного РД: Т1=3750 К, В качестве Т2 (наружного воздуха) примем обычные Т2=20 град. С = 293 К.
Итак: КПД=100* (3755-293)/3755=92,2% (!!!)
А в космосе, где еще холоднее и того круче!