Raketendüsen
Um eine möglichst hohe Schubleistung und damit hohe Geschwindigkeit zu erreichen, benötigt man weit auslaufende Düsen. Die Brennkammer ist der eigentlichen Düse direkt vorgeschaltet. Die Mündung der Brennkammer verjüngt sich zur Düse hin, d. h. sie wird schmaler. Die Düse selbst wird zum Ende hin immer breiter. Dadurch kann der Durchmesser des Düsenendes das Vier- bis Fünffache des Durchmessers der Brennkammer betragen.
Ein ernsthaftes Wärmeübertragungsproblem erzeugen die Hochgeschwindigkeitsgase an der Düsenwand, besonders wenn die Startzeit mehrere Minuten und nicht nur Sekunden beträgt (siehe Wärmeübertragung). Am größten ist dieses Problem in dem Bereich zwischen Brennkammer und Düse. Hier wendet man häufig die so genannte regenerative Kühlung an. Beispielsweise kann in einem Triebwerk mit flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff der extrem kalte Wasserstoff (unter –250 °C) durch ein System von schmalen Leitungen in der Düsenwand zur Brennkammer hochgepumpt werden. Mit dieser Verfahrensweise gelingt die Kühlung der problematischen Stellen.
Zur Erhöhung der Endgeschwindigkeit verwendet man anstelle von Einstufenraketen so genannte Mehrstufenraketen. Jede Stufe stellt eine selbständige Einheit dar, die nach Verbrauch des Treibstoffes eine ihr eigene Endgeschwindigkeit erreicht. Weil diese Geschwindigkeit bereits die Startgeschwindigkeit für die nachfolgende Stufe darstellt, addieren sich die Endgeschwindigkeiten der einzelnen Stufen. Um beispielsweise aus der Erdumlaufbahn zu gelangen, benötigt die Rakete eine Fluchtgeschwindigkeit von etwa elf Kilometern pro Sekunde.
Bei elektrischen Raketen nutzt man entweder eine leistungsstarke Energieversorgung oder eine externe Energiequelle, in diesem Fall Sonnenenergie. Mit den Triebwerken elektrischer Raketen lassen sich zwar hohe Ausströmgeschwindigkeiten erreichen, aber aufgrund des ebenfalls hohen Energiebedarfs bleibt die Schubleistung gering. Man unterscheidet den elektrothermischen Antrieb vom elektrostatischen Antrieb. In elektrothermischen Raketen wird der Treibstoff (z. B. Ammoniak oder Wasserstoff) über ein Pumpensystem in die Brennkammer gefördert und durch ein Widerstandselement (Resistojet) oder einen Lichtbogen (Arcjet) gezündet. Bei elektrostatischen Raketen beschleunigt man elektrisch geladene Teilchen, in erster Linie Ionen, in einem elektrischen Feld (Ionentriebwerk). Als Brennstoffe werden beispielsweise Cäsium oder Quecksilber verwendet. Diese Antriebsvariante ist technisch am weitesten entwickelt worden. Im elektromagnetischen Triebwerk (auch Plasmastrahltriebwerk) beschleunigt man ein Plasma (Gemisch aus freien Elektronen, Ionen und Neutralteilchen eines Gases) durch elektromagnetische Felder. Das hypothetische Photonentriebwerk würde einen Strahl von Photonen oder leichten Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit ausstoßen und auf diese Weise den notwendigen Schub erzeugen . Versuche mit dem „Kernenergietriebwerk" wurden wieder eingestellt.
Eine der jüngsten Entwicklungen gelang einer Forschergruppe am militärischen Raketenforschungszentrum White Sands (US-Bundesstaat New Mexico) Ende September 1997. Mit Hilfe eines Kohlendioxid-Lasers konnten die Experten eine zehn Zentimeter kleine Testrakete antreiben. Dazu erhitzt ein Bodenlaser Luft, die anschließend über ein Düsensystem ausgestrahlt wird. Auf diese Weise überflog die Testrakete eine längere Strecke in einer Höhe von zwei Metern.