หัวฉีดเครื่องยนต์จรวดเป็นหัวฉีดขับเคลื่อน (โดยทั่วไปเป็น แบบ เดอ ลาวาล ) ที่ใช้ในเครื่องยนต์จรวดเพื่อขยายและเร่งความเร็ว ของผลิตภัณฑ์ จากการเผาไหม้ ให้มี ความเร็ว เหนือเสียงสูง

กล่าวโดยสรุปคือ สารขับดันที่ถูกอัดแรงดันด้วยปั๊ม หรือ ก๊าซในช่องว่าง เหนือฝาสูบที่มีแรงดันสูง ถึงระดับสองถึงหลายร้อยบรรยากาศจะถูกฉีดเข้าไปในห้องเผาไหม้เพื่อเผาไหม้ และจากห้องเผาไหม้จะนำไปสู่หัวฉีดซึ่งจะแปลงพลังงานที่อยู่ใน ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ที่ มีแรงดันสูงและอุณหภูมิสูงให้เป็นพลังงานจลน์โดยการเร่งความเร็วของก๊าซให้มีความเร็วสูงและมีแรงดันใกล้เคียงกับความดันบรรยากาศ

เป้าหมายหลักในการออกแบบหัวฉีดคือการเพิ่ม ค่าสัมประสิทธิ์แรงขับ ให้สูงสุดซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวคูณที่สำคัญต่อความเร็วไอเสียที่เกิดขึ้นเองภายในห้องเผาไหม้ ( ความเร็วลักษณะเฉพาะซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับการออกแบบหัวฉีด) ${\displaystyle C_{F}}$${\displaystyle c^{*}}$

หัวฉีดรูปทรงระฆังแบบเรียง่ายถูกพัฒนาขึ้นในช่วงปี 1500 หัวฉีดเดอลาวาลถูกพัฒนาขึ้นครั้งแรกในศตวรรษที่ 19 โดยกุสตาฟ เดอลาวาลเพื่อใช้ในกังหันไอน้ำ โดยถูกนำมาใช้ครั้งแรกในเครื่องยนต์จรวดรุ่นแรกๆ ที่พัฒนาโดยโรเบิร์ต ก็อดดาร์ดหนึ่งในบิดาแห่งวิทยาการจรวดสมัยใหม่ นับตั้งแต่นั้นมา หัวฉีดเดอลาวาลก็ถูกนำไปใช้ในเครื่องยนต์จรวดเกือบทุกรุ่น รวมถึงการนำไปใช้ของวอลเตอร์ ทีล ซึ่งทำให้ จรวด V-2 ของเยอรมนีเป็นไปได้

ขนาดที่เหมาะสมที่สุดของหัวฉีดเครื่องยนต์จรวดจะเกิดขึ้นเมื่อความดันทางออกเท่ากับความดันแวดล้อม (ความดันบรรยากาศ) ซึ่งจะลดลงเมื่อระดับความสูงเพิ่มขึ้น เหตุผลก็คือ: หากใช้การประมาณการไหลแบบกึ่งหนึ่งมิติ หากความดันแวดล้อมสูงกว่าความดันทางออก จะทำให้แรงขับสุทธิที่ผลิตโดยจรวดลดลง ซึ่งสามารถเห็นได้จากการวิเคราะห์สมดุลแรง หากความดันแวดล้อมต่ำกว่า แม้ว่าสมดุลแรงจะบ่งชี้ว่าแรงขับจะเพิ่มขึ้น แต่ความสัมพันธ์ของ Mach แบบไอเซนโทรปิกแสดงให้เห็นว่าอัตราส่วนพื้นที่ของหัวฉีดอาจมากกว่านี้ ซึ่งจะส่งผลให้ความเร็วทางออกของเชื้อเพลิงสูงขึ้น ทำให้แรงขับเพิ่มขึ้น สำหรับจรวดที่เดินทางจากโลกไปยังวงโคจร การออกแบบหัวฉีดแบบง่ายๆ จะเหมาะสมที่สุดที่ระดับความสูงหนึ่งเท่านั้น ประสิทธิภาพจะลดลงและสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงที่ระดับความสูงอื่นๆ

เมื่อผ่านคอคอดไปแล้ว ความดันของก๊าซจะสูงกว่าความดันบรรยากาศ และจำเป็นต้องลดความดันลงระหว่างคอคอดกับทางออกของหัวฉีดโดยการขยายตัว หากความดันของไอเสียที่ออกจากทางออกของหัวฉีดยังคงสูงกว่าความดันบรรยากาศ แสดงว่าหัวฉีดนั้นขยายตัวไม่เต็มที่หากความดันไอเสียต่ำกว่าความดันบรรยากาศ แสดงว่าหัวฉีดนั้นขยายตัวมากเกินไป^{[ 1 ]}

การขยายตัวมากเกินไปเล็กน้อยจะทำให้ประสิทธิภาพลดลงเล็กน้อย แต่โดยทั่วไปแล้วจะไม่ก่อให้เกิดอันตรายมากนัก อย่างไรก็ตาม หากความดันทางออกต่ำกว่าประมาณ 40% ของความดันบรรยากาศ จะ เกิด การแยกตัวของกระแสไหล ซึ่งอาจทำให้ไอเสียไม่เสถียรและอาจทำให้หัวฉีดเสียหาย ควบคุมรถหรือเครื่องยนต์ได้ยาก และในกรณีที่รุนแรงที่สุดอาจทำให้เครื่องยนต์พังได้

ในบางกรณี เพื่อความน่าเชื่อถือและความปลอดภัย จึงจำเป็นต้องจุดเครื่องยนต์จรวดบนพื้นดินเพื่อใช้ตลอดทางจนถึงวงโคจร เพื่อ ประสิทธิภาพ การขึ้นบิน ที่ดีที่สุด ความดันของก๊าซที่ออกจากหัวฉีดควรอยู่ที่ระดับความดันน้ำทะเลเมื่อจรวดอยู่ใกล้ระดับน้ำทะเล (ขณะขึ้นบิน) อย่างไรก็ตาม หัวฉีดที่ออกแบบมาสำหรับการใช้งานที่ระดับน้ำทะเลจะสูญเสียประสิทธิภาพอย่างรวดเร็วที่ระดับความสูงที่สูงขึ้น ใน การออกแบบ หลายขั้นตอนเครื่องยนต์จรวดขั้นตอนที่สองได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้งานที่ระดับความสูงเป็นหลัก โดยจะให้แรงขับเพิ่มเติมหลังจากเครื่องยนต์ขั้นตอนแรกทำการขึ้นบินครั้งแรกแล้ว ในกรณีนี้ นักออกแบบมักจะเลือกใช้หัวฉีดแบบขยายตัวเกิน (ที่ระดับน้ำทะเล) สำหรับขั้นตอนที่สอง ทำให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นที่ระดับความสูงที่สูงขึ้น ซึ่งความดันแวดล้อมต่ำกว่า นี่คือเทคนิคที่ใช้กับเครื่องยนต์หลักแบบขยายตัวเกิน (ที่ระดับน้ำทะเล) ของกระสวยอวกาศ (SSMEs) ซึ่งใช้เวลาส่วนใหญ่ในวิถีโคจรที่ขับเคลื่อนในสภาวะเกือบสุญญากาศ ในขณะที่ จรวดขับดันแข็งที่มีประสิทธิภาพที่ระดับน้ำทะเลสองตัวของกระสวยอวกาศให้แรงขับส่วนใหญ่ในการขึ้นบินครั้งแรก ในสภาวะสุญญากาศในอวกาศ หัวฉีดเกือบทั้งหมดจะขยายตัวไม่เต็มที่ เนื่องจากหากต้องการให้ก๊าซขยายตัวเต็มที่ หัวฉีดจะต้องยาวเป็นอนันต์ ดังนั้นวิศวกรจึงต้องเลือกการออกแบบที่จะใช้ประโยชน์จากการขยายตัวเพิ่มเติม (แรงขับและประสิทธิภาพ) ในขณะเดียวกันก็ต้องไม่เพิ่มน้ำหนักมากเกินไปและไม่ลดทอนประสิทธิภาพของยานอวกาศ

สำหรับหัวฉีดที่ใช้ในสภาวะสุญญากาศหรือที่ระดับความสูงมากนั้น เป็นไปไม่ได้ที่จะปรับความดันให้เท่ากับความดันบรรยากาศ ดังนั้น หัวฉีดที่มีอัตราส่วนพื้นที่ผิวมากกว่าจึงมักมีประสิทธิภาพมากกว่า อย่างไรก็ตาม หัวฉีดที่ยาวมากจะมีมวลมาก ซึ่งเป็นข้อเสีย โดยทั่วไปแล้วจะต้องหาความยาวที่เหมาะสมที่สุดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของยานพาหนะ นอกจากนี้ เมื่ออุณหภูมิของก๊าซในหัวฉีดลดลง ส่วนประกอบบางอย่างของก๊าซไอเสีย (เช่น ไอน้ำจากกระบวนการเผาไหม้) อาจควบแน่นหรือแม้กระทั่งแข็งตัว ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่พึงประสงค์อย่างยิ่งและต้องหลีกเลี่ยง

มีการเสนอให้ใช้ หัวฉีดแม่เหล็กในระบบขับเคลื่อนบางประเภท (เช่นจรวดแม่เหล็กพลาสมาแบบปรับแรงขับจำเพาะได้ VASIMR) ซึ่งการไหลของพลาสมาหรือไอออนจะถูกควบคุมโดยสนามแม่เหล็กแทนที่จะใช้ผนังที่ทำจากวัสดุแข็ง ข้อดีของหัวฉีดแม่เหล็กคือ สนามแม่เหล็กเองไม่สามารถหลอมเหลวได้ และอุณหภูมิของพลาสมาสามารถสูงถึงหลายล้านเคลวินอย่างไรก็ตาม มักมีปัญหาด้านการออกแบบทางความร้อนที่เกิดจากขดลวดเอง โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากใช้ขดลวดตัวนำยิ่งยวดในการสร้างคอคอดและสนามขยายตัว

การวิเคราะห์การไหลของก๊าซผ่านหัวฉีดเดอลาวาลเกี่ยวข้องกับแนวคิดและข้อสมมติฐานที่ทำให้ง่ายขึ้นหลายประการ:

• ถือว่าก๊าซที่เกิดจากการเผาไหม้เป็นก๊าซในอุดมคติ
• การไหลของก๊าซเป็นแบบไอเซนโทรปิก กล่าวคือ มี เอนโทร ปีคง ที่ อันเป็นผลมาจากการสมมติว่าของเหลวไม่มีความหนืด และเป็นกระบวนการอะเดียแบติก
• อัตราการไหลของก๊าซจะคงที่ (กล่าวคือ สม่ำเสมอ) ในช่วงเวลาที่เชื้อเพลิงกำลังเผาไหม้
• การไหลของก๊าซเป็นแบบไม่ปั่นป่วนและสมมาตรตามแกนจากทางเข้าก๊าซไปยังทางออกก๊าซไอเสีย (กล่าวคือ ตามแนวแกนสมมาตรของหัวฉีด)
• การไหลนี้สามารถบีอัดได้เนื่องจากของเหลวเป็นก๊าซ

เมื่อก๊าซจากการเผาไหม้เข้าสู่หัวฉีดจรวด มันจะเคลื่อนที่ด้วย ความเร็ว ต่ำกว่าเสียงเมื่อคอหัวฉีดแคบลง ก๊าซจะถูกบังคับให้เร่งความเร็ว จนกระทั่งที่คอหัวฉีด ซึ่งมีพื้นที่หน้าตัดน้อยที่สุด ความเร็วเชิงเส้นจะกลายเป็นความเร็วเสียง จากคอหัวฉีด พื้นที่หน้าตัดจะเพิ่มขึ้น ก๊าซจะขยายตัว และความเร็วเชิงเส้นจะค่อยๆ สูง ขึ้น จนเกินความเร็วเสียง

ความเร็วเชิงเส้นของก๊าซไอเสียที่ออกจากระบบสามารถคำนวณได้โดยใช้สมการต่อไปนี้^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

${\displaystyle v_{\text{e}}={\sqrt {{\frac {TR}{M}}\,{\frac {2\gamma }{\gamma -1}}\left[1-\left({\frac {p_{\text{e}}}{p}}\right)^{\frac {\gamma -1}{\gamma }}\right]}}}$

ที่ไหน:

${\displaystyle T}$,	อุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สที่ทางเข้า (K)
${\displaystyle R}$	≈ 8314.5  J/kmol·K ค่าคงที่ของกฎแก๊สสากล
${\displaystyle M}$,	มวลโมเลกุลหรือน้ำหนักของแก๊ส (กก./กิโลโมล)
${\displaystyle \gamma }$	${\displaystyle =c_{\text{p}}/c_{\text{v}}}$ปัจจัยการขยายตัวแบบไอเซนโทรปิก
${\displaystyle c_{\text{p}}}$,	ความจุความร้อนจำเพาะของก๊าซ ภายใต้ความดันคงที่
${\displaystyle c_{\text{v}}}$,	ความจุความร้อนจำเพาะของก๊าซ ภายใต้ปริมาตรคงที่
${\displaystyle v_{\text{e}}}$,	ความเร็วของก๊าซที่ระนาบทางออกของหัวฉีด (เมตร/วินาที)
${\displaystyle p_{\text{e}}}$,	ความดันสัมบูรณ์ของแก๊สที่ระนาบทางออกของหัวฉีด ( Pa )
${\displaystyle p}$,	ความดันสัมบูรณ์ของแก๊สที่ทางเข้า (Pa)

ค่าทั่วไปของความเร็วของก๊าซไอเสียv _eสำหรับเครื่องยนต์จรวดที่ใช้เชื้อเพลิงต่าง ๆ มีดังนี้:

• ความเร็ว 1.7 ถึง 2.9 กิโลเมตรต่อวินาที (3800 ถึง 6500 ไมล์ต่อชั่วโมง) สำหรับเชื้อเพลิงเหลวชนิดโมโนโพรเพลแลนต์
• ความเร็ว 2.9 ถึง 4.5 กม./วินาที (6500 ถึง 10100 ไมล์/ชั่วโมง) สำหรับเชื้อเพลิง เหลวสองชนิด
• ความเร็ว 2.1 ถึง 3.2 กิโลเมตรต่อวินาที (4700 ถึง 7200 ไมล์ต่อชั่วโมง) สำหรับเชื้อเพลิงแข็ง

ข้อสังเกตที่น่าสนใจคือ บางครั้ง v _eถูกเรียกว่าความเร็วของก๊าซไอเสียในอุดมคติเนื่องจากอิงตามสมมติฐานที่ว่าก๊าซไอเสียมีพฤติกรรมเหมือนก๊าซในอุดมคติ

ตัวอย่างการคำนวณโดยใช้สมการข้างต้น สมมติว่าก๊าซจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงมี: ความดันสัมบูรณ์ก่อนเข้าหัวฉีดp  = 7.0  MPa และออกจากท่อไอเสียของจรวดที่ความดันสัมบูรณ์p _e = 0.1  MPa; อุณหภูมิสัมบูรณ์T = 3500  K; ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวแบบไอเซนโทรปิก γ = 1.22 และมวลโมลาร์M  = 22 kg/kmol เมื่อใช้ค่าเหล่านี้ในสมการข้างต้น จะได้ความเร็วไอเสียv _e = 2802 m/s หรือ 2.80 km/s ซึ่งสอดคล้องกับค่าทั่วไปข้างต้น

เอกสารทางเทคนิคอาจสร้างความสับสนได้มาก เนื่องจากผู้เขียนหลายคนไม่ได้อธิบายว่าพวกเขากำลังใช้ค่าคงที่กฎแก๊สสากลRซึ่งใช้ได้กับแก๊สในอุดมคติ ทุกชนิด หรือว่าพวกเขากำลังใช้ค่าคงที่กฎแก๊สR _{_s}ซึ่งใช้ได้เฉพาะกับแก๊สชนิดใดชนิดหนึ่งเท่านั้น ความสัมพันธ์ระหว่างค่าคงที่ทั้งสองคือR_{_s} = R₁ / Mโดยที่Rคือค่าคงที่แก๊สสากล และMคือมวลโมลของแก๊ส

แรงขับคือแรงที่ผลักดันจรวดผ่านอากาศหรืออวกาศ แรงขับถูกสร้างขึ้นโดย ระบบ ขับเคลื่อนของจรวดโดยการประยุกต์ใช้กฎการเคลื่อนที่ข้อที่สามของนิวตัน: "ทุกการกระทำย่อมมีปฏิกิริยาที่เท่ากันและตรงข้าม" ก๊าซหรือของเหลวทำงานถูกเร่งออกจากด้านหลังของหัวฉีดเครื่องยนต์จรวด และจรวดจะถูกเร่งไปในทิศทางตรงกันข้าม แรงขับของหัวฉีดเครื่องยนต์จรวดสามารถกำหนดได้ดังนี้: ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 5 ] [ 6 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}F&={\dot {m}}v_{\text{e}}+\left(p_{\text{e}}-p_{\text{o}}\right)A_{\text{e}}\\[2pt]&={\dot {m}}\left[v_{\text{e}}+\left({\frac {p_{\text{e}}-p_{\text{o}}}{\dot {m}}}\right)A_{\text{e}}\right],\end{aligned}}}$

คำที่อยู่ในวงเล็บเรียกว่า ความเร็วสมมูล

${\displaystyle F={\dot {m}}v_{\text{eq}}.}$

แรงดลจำเพาะคืออัตราส่วนของแรงขับที่เกิดขึ้นต่อการไหลของน้ำหนักของเชื้อเพลิงเป็นตัววัดประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงของเครื่องยนต์จรวด ในหน่วยวิศวกรรมภาษาอังกฤษสามารถคำนวณได้ดังนี้^{[ 7 ]}${\displaystyle I_{\text{sp}}}$

${\displaystyle I_{\text{sp}}={\frac {F}{{\dot {m}}g_{\text{o}}}}={\frac {{\dot {m}}v_{\text{eq}}}{{\dot {m}}g_{\text{o}}}}={\frac {v_{\text{eq}}}{g_{\text{o}}}},}$

ที่ไหน:

${\displaystyle F}$,	แรงขับรวมของเครื่องยนต์จรวด (N)
${\displaystyle {\dot {m}}}$,	อัตราการไหลของมวลก๊าซ (กก./วินาที)
${\displaystyle v_{\text{e}}}$,	ความเร็วของก๊าซที่ออกจากหัวฉีด (เมตร/วินาที)
${\displaystyle p_{\text{e}}}$,	ความดันก๊าซที่ปลายหัวฉีด (Pa)
${\displaystyle p_{\text{o}}}$,	ความดันบรรยากาศภายนอก หรือความดันกระแสอิสระ (Pa)
${\displaystyle A_{\text{e}}}$,	พื้นที่หน้าตัดของท่อไอเสียหัวฉีด ( ตร.ม. )
${\displaystyle v_{\text{eq}}}$,	ความเร็วเทียบเท่า (หรือความเร็วประสิทธิผล) ของก๊าซที่ปลายหัวฉีด (เมตร/วินาที)
${\displaystyle I_{\text{sp}}}$,	แรงดลจำเพาะ (วินาที)
${\displaystyle g_{\text{o}}}$,	แรงโน้มถ่วงมาตรฐาน (ที่ระดับน้ำทะเลบนโลก); ประมาณ 9.807 เมตร/วินาที²

สำหรับกรณีหัวฉีดที่ขยายตัวอย่างสมบูรณ์ ซึ่งสูตรจะกลายเป็น ${\displaystyle p_{\text{e}}=p_{\text{o}}}$

${\displaystyle I_{\text{sp}}={\frac {F}{{\dot {m}}\,g_{\text{o}}}}={\frac {{\dot {m}}\,v_{\text{e}}}{{\dot {m}}\,g_{\text{o}}}}={\frac {v_{\text{e}}}{g_{\text{o}}}}}$

ในกรณีที่อาจไม่เป็นเช่นนั้น เนื่องจากสำหรับหัวฉีดจรวดนั้นเป็นสัดส่วนกับจึงสามารถกำหนดปริมาณคงที่ที่เป็นสุญญากาศสำหรับเครื่องยนต์ใดๆ ได้ดังนี้: ${\displaystyle p_{\text{e}}}$${\displaystyle {\dot {m}}}$${\displaystyle I_{\text{sp,vac}}}$

${\displaystyle I_{\text{sp,vac}}={\frac {1}{g_{\text{o}}}}\left(v_{\text{e}}+{\frac {p_{\text{e}}A_{\text{e}}}{\dot {m}}}\right),}$

ดังนั้น:

${\displaystyle F=I_{\text{sp,vac}}\,g_{\text{o}}{\dot {m}}-A_{\text{e}}p_{\text{o}},}$

ซึ่งก็คือแรงขับในสุญญากาศลบด้วยแรงดันบรรยากาศโดยรอบที่กระทำต่อระนาบทางออกนั่นเอง

โดยหลักการแล้ว สำหรับหัวฉีดจรวด ความดันบรรยากาศที่กระทำต่อเครื่องยนต์จะหักล้างกัน ยกเว้นบริเวณระนาบทางออกของเครื่องยนต์จรวดในทิศทางด้านหลัง ในขณะที่ไอพ่นไอเสียจะสร้างแรงขับไปข้างหน้า

แรงดลจำเพาะมักแสดงในรูปผลคูณของความเร็วลักษณะเฉพาะ และสัมประสิทธิ์แรงขับ (หารด้วยแรงโน้มถ่วงมาตรฐาน) ประสิทธิภาพของหัวฉีดสรุปได้จากสัมประสิทธิ์แรงขับ ในขณะที่ความเร็วลักษณะเฉพาะเป็นตัววัดประสิทธิภาพของห้องเผาไหม้และส่วนใหญ่ไม่เกี่ยวข้องกับการออกแบบหัวฉีด ${\displaystyle c^{*}}$${\displaystyle C_{F}}$

${\displaystyle I_{sp}={\frac {c^{*}C_{F}}{g_{0}}}}$

เมื่อก๊าซไหลลงไปตามส่วนขยายของหัวฉีด ความดันและอุณหภูมิจะลดลง ในขณะที่ความเร็วของก๊าซจะเพิ่มขึ้น

ลักษณะความเร็วเหนือเสียงของไอพ่นไอเสียหมายความว่าความดันของไอเสียอาจแตกต่างจากความดันบรรยากาศอย่างมาก เนื่องจากอากาศภายนอกไม่สามารถปรับความดันให้เท่ากันได้ก่อนถึงหัวฉีดเพราะความเร็วไอพ่นสูงมาก ดังนั้น สำหรับหัวฉีดความเร็วเหนือเสียง ความดันของก๊าซที่ออกจากหัวฉีดจึงอาจต่ำกว่าหรือสูงกว่าความดันบรรยากาศอย่างมากก็ได้

หากแรงดันทางออกต่ำเกินไป ไอพ่นอาจแยกตัวออกจากหัวฉีด ซึ่งมักจะไม่เสถียร และโดยทั่วไปแล้วไอพ่นจะทำให้เกิดแรงผลักนอกแกนขนาดใหญ่และอาจทำให้หัวฉีดเสียหายทางกลได้

โดยทั่วไปการแยกนี้จะเกิดขึ้นหากความดันทางออกลดลงต่ำกว่าประมาณ 30-45% ของความดันบรรยากาศ แต่การแยกอาจล่าช้าไปจนถึงความดันที่ต่ำกว่ามากหากหัวฉีดได้รับการออกแบบให้เพิ่มความดันที่ขอบ ดังที่ทำได้ในเครื่องยนต์หลักของกระสวยอวกาศ (SSME) (1-2 psi ที่ความดันบรรยากาศ 15 psi) ^{[ 8 ]}

นอกจากนี้ เมื่อเครื่องยนต์จรวดเริ่มทำงานหรือเร่งกำลัง ความดันในห้องเผาไหม้จะเปลี่ยนแปลงไป ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำงานแตกต่างกันไป ในกรณีที่ความดันในห้องเผาไหม้ต่ำ เครื่องยนต์จะขยายตัวมากเกินไปอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

อัตราส่วนของพื้นที่ส่วนที่แคบที่สุดของหัวฉีดต่อพื้นที่ระนาบทางออกเป็นปัจจัยหลักที่กำหนดประสิทธิภาพในการแปลงการขยายตัวของก๊าซไอเสียไปเป็นความเร็วเชิงเส้น ความเร็วไอเสีย และแรงขับของเครื่องยนต์จรวด คุณสมบัติของก๊าซก็มีผลเช่นกัน

รูปทรงของหัวฉีดมีผลเพียงเล็กน้อยต่อประสิทธิภาพในการแปลงการขยายตัวของก๊าซไอเสียให้เป็นการเคลื่อนที่เชิงเส้น หัวฉีดรูปทรงที่ง่ายที่สุดมีมุมครึ่งกรวยประมาณ 15° ซึ่งมีประสิทธิภาพประมาณ 98% มุมที่เล็กกว่าจะให้ประสิทธิภาพสูงขึ้นเล็กน้อย ในขณะที่มุมที่ใหญ่กว่าจะให้ประสิทธิภาพต่ำลง

รูปทรงที่ซับซ้อนกว่าของหัวฉีดแบบหมุนนั้นถูกนำมาใช้บ่อย เช่นหัวฉีดรูปทรงระฆังหรือรูปทรงพาราโบลา รูปทรงเหล่านี้ให้ประสิทธิภาพสูงกว่าหัวฉีดรูปทรงกรวยประมาณ 1% และสามารถสั้นและเบากว่าได้ มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในยานปล่อยจรวดและจรวดอื่นๆ ที่น้ำหนักเป็นสิ่งสำคัญ แน่นอนว่าการผลิตหัวฉีดเหล่านี้ยากกว่า ดังนั้นจึงมีราคาสูงกว่าโดยทั่วไป

นอกจากนี้ ยังมีรูปทรงหัวฉีดที่เหมาะสมที่สุดในเชิงทฤษฎีสำหรับความเร็วไอเสียสูงสุด อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปจะใช้รูปทรงระฆังที่สั้นกว่า ซึ่งให้ประสิทธิภาพโดยรวมที่ดีกว่าเนื่องจากน้ำหนักที่เบากว่า ความยาวที่สั้นกว่า การสูญเสียแรงต้านที่น้อยกว่า และความเร็วไอเสียที่ลดลงเพียงเล็กน้อยเท่านั้น^{[ 9 ]}

ลักษณะการออกแบบอื่นๆ ก็มีผลต่อประสิทธิภาพของหัวฉีดจรวดเช่นกัน คอหัวฉีดควรมีรัศมีโค้งมน มุมภายในที่แคบลงไปยังคอหัวฉีดก็มีผลต่อประสิทธิภาพโดยรวมเช่นกัน แต่ผลกระทบนั้นน้อย มุมทางออกของหัวฉีดจำเป็นต้องมีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ (ประมาณ 12°) เพื่อลดโอกาสที่จะเกิดปัญหาการแยกตัวที่ความดันทางออกต่ำ

มีการเสนอแบบการออกแบบที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นหลายแบบสำหรับการชดเชยระดับความสูงและการใช้งานอื่นๆ

หัวฉีดที่มีขอบเขตบรรยากาศ ได้แก่:

• ^หัวฉีดขยาย-เบี่ยงเบน [ ^{10 ]}
• หัวฉีดอุด
• แอโรสไปค์^{[ 10 ] [ 11 ]}
• หัวฉีดแบบขยายตัวด้านเดียว (SERN) เป็นหัวฉีดแบบขยายตัวเชิงเส้น ซึ่งการถ่ายเทแรงดันก๊าซเกิดขึ้นเพียงด้านเดียว และอาจอธิบายได้ว่าเป็นหัวฉีดแอโรสไปค์แบบด้านเดียว

แต่ละแบบช่วยให้การไหลเหนือเสียงปรับตัวเข้ากับความดันแวดล้อมได้โดยการขยายหรือหดตัว ซึ่งจะเปลี่ยนอัตราส่วนการไหลออกเพื่อให้มีความดันการไหลออกที่เหมาะสม (หรือใกล้เคียง) สำหรับระดับความสูงที่สอดคล้องกัน หัวฉีดแบบปลั๊กและแบบแอโรสไปค์มีความคล้ายคลึงกันมากตรงที่เป็นการออกแบบการไหลเข้าแบบรัศมี แต่หัวฉีดแบบปลั๊กมีแกนกลางที่เป็นของแข็ง (บางครั้งอาจถูกตัดออก) และหัวฉีดแบบแอโรสไปค์มี "ช่องระบาย" ของก๊าซที่ฐานเพื่อจำลองแกนกลางที่เป็นของแข็ง หัวฉีด ED เป็นหัวฉีดการไหลออกแบบรัศมีโดยมีการไหลถูกเบี่ยงเบนโดยแกนกลาง

หัวฉีดแยกการไหลแบบควบคุม ได้แก่:

• หัวฉีดขยาย
• หัวฉีดทรงระฆังพร้อมชิ้นส่วนภายในที่ถอดเปลี่ยนได้
• หัวฉีดแบบขั้นบันไดหรือหัวฉีดแบบระฆังคู่^{[ 12 ]}

โดยทั่วไปแล้ว หัวฉีดเหล่านี้จะคล้ายกับหัวฉีดทรงระฆังมาก แต่จะมีส่วนประกอบหรือกลไกเพิ่มเติมที่สามารถเพิ่มอัตราส่วนพื้นที่หน้าตัดทางออกได้เมื่อความดันแวดล้อมลดลง

หัวฉีดแบบสองโหมดประกอบด้วย:

• หัวฉีดแบบขยายคู่
• หัวฉีดแบบสองทาง

หัวฉีดเหล่านี้มีคอสองอันหรือห้องขับดันสองห้อง (พร้อมคอที่สอดคล้องกัน) คอตรงกลางมีดีไซน์มาตรฐานและล้อมรอบด้วยคอวงแหวน ซึ่งระบายก๊าซจากห้องขับดันเดียวกัน (แบบสองคอ) หรือแยกกัน (แบบสองส่วนขยาย) ในทั้งสองกรณี คอทั้งสองจะระบายออกไปยังหัวฉีดแบบระฆัง ที่ระดับความสูงที่สูงขึ้นซึ่งความดันบรรยากาศต่ำกว่า หัวฉีดตรงกลางจะถูกปิด ทำให้พื้นที่คอลดลงและเพิ่มอัตราส่วนพื้นที่หัวฉีด การออกแบบเหล่านี้ต้องการความซับซ้อนเพิ่มเติม แต่ข้อดีของการมีห้องขับดันสองห้องคือสามารถกำหนดค่าให้เผาไหม้เชื้อเพลิงที่แตกต่างกันหรืออัตราส่วนส่วนผสมเชื้อเพลิงที่แตกต่างกันได้ ในทำนองเดียวกัน Aerojet ยังได้ออกแบบหัวฉีดที่เรียกว่า "หัวฉีดเสริมแรงขับ" ^{[ 13 ] [ 14 ]}ซึ่งฉีดเชื้อเพลิงและออกซิไดเซอร์โดยตรงเข้าไปในส่วนหัวฉีดสำหรับการเผาไหม้ ทำให้สามารถใช้หัวฉีดที่มีอัตราส่วนพื้นที่ขนาดใหญ่ขึ้นในชั้นบรรยากาศที่ลึกกว่าที่จะใช้ได้หากไม่มีการเสริมแรงขับเนื่องจากผลกระทบของการแยกการไหล พวกเขาจะอนุญาตให้ใช้เชื้อเพลิงหลายชนิดร่วมกันได้อีกครั้ง (เช่น RP-1) ซึ่งจะช่วยเพิ่มแรงขับให้สูงขึ้นไปอีก

หัวฉีดควบคุมทิศทางแรงขับด้วยการฉีดของเหลวเป็นอีกหนึ่งการออกแบบขั้นสูงที่ช่วยให้สามารถควบคุมการเอียงและการหมุนจากหัวฉีดที่ไม่ยึดกับแกนหมุนได้จรวด PSLV ของอินเดีย เรียกการออกแบบนี้ว่า "ระบบควบคุมทิศทางแรงขับด้วยการฉีดของเหลวรอง" โดยฉีดสารสตรอนเทียมเปอร์คลอเรตผ่านทางเดินของเหลวต่างๆ ในหัวฉีดเพื่อให้ได้การควบคุมที่ต้องการ ขีปนาวุธข้ามทวีปและจรวดขับดันบางชนิด เช่นTitan IIICและMinuteman IIใช้การออกแบบที่คล้ายกันนี้

• การไหลติดขัด – เมื่อความเร็วของก๊าซถึงความเร็วเสียงขณะที่ก๊าซไหลผ่านสิ่งกีดขวาง
• หัวฉีดเดอลาวาล – หัวฉีดแบบลู่เข้า-ลู่แยกที่ออกแบบมาเพื่อสร้างความเร็วเหนือเสียง
• เครื่องยนต์จรวดแบบแรงขับคู่
• โจวันนี บาติสตา เวนตูริ
• เจ็ทแรงดันกลูฮาเรฟฟ์
• เครื่องยนต์ไอพ่น – เครื่องยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยไอพ่น (รวมถึงจรวด)
• จรวดหลายขั้นตอน
• NK-33 – เครื่องยนต์จรวดของรัสเซีย
• ห้องเพลนัม
• เครื่องยนต์ไอพ่นแบบพัลส์
• มอเตอร์จรวดแบบพัลส์
• Reaction Engines Skylon – เครื่องบินอวกาศแบบขึ้นสู่วงโคจรในขั้นตอนเดียว ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์ไฮบริดแบบใช้ลมหายใจอากาศ/ออกซิเจนภายใน ( Reaction Engines SABRE )
• จรวด – ยานพาหนะจรวด
• เครื่องยนต์จรวด – ใช้ในการขับเคลื่อนยานอวกาศ
• SERN, หัวฉีดแบบทางลาดขยายตัวเดี่ยว – แอโรสไปค์ที่ไม่สมมาตรตามแกน
• เพชรช็อก – แถบสีที่มองเห็นได้ซึ่งเกิดขึ้นในไอเสียของเครื่องยนต์จรวด
• จรวดเชื้อเพลิงแข็ง
• ระบบขับเคลื่อนยานอวกาศ
• แรงขับจำเพาะ – การวัดความเร็วไอเสีย
• วัฏจักรการเผาไหม้แบบหลายขั้นตอน (จรวด) – เครื่องยนต์จรวดชนิดหนึ่ง
• ปรากฏการณ์เวนทูริ

• เครื่องคำนวณความเร็วของก๊าซไอเสีย เก็บถาวรเมื่อ 2018-08-16 ที่Wayback Machine
• เกณฑ์การออกแบบยานอวกาศของ NASA, หัวฉีดเครื่องยนต์จรวดเหลว
• คู่มือสำหรับผู้เริ่มต้นใช้งานจรวดของ NASA
• เครื่องยนต์แอโรสไปค์
• เว็บไซต์จรวดทดลองของริชาร์ด นัคกา
• บทความ "ระบบขับเคลื่อนจรวด" บนเว็บไซต์ของโรเบิร์ต เบรอูนิง
• เครื่องมือออกแบบฟรีสำหรับการวิเคราะห์ทางเทอร์โมไดนามิกของเครื่องยนต์จรวดเหลว