Сядьте в лодку с грузом в виде большого камня, возьмите камень, с силой отбросьте его от кормы, — и лодка поплывет вперед. Это и будет простейшая модель принципа работы ракетного двигателя. Средство передвижения, на котором он установлен, содержит в себе и источник энергии, и рабочее тело.
Ракетный двигатель работает до тех пор, пока в его камеру сгорания поступает рабочее тело — топливо. Если оно жидкое, то состоит из двух частей: горючего (хорошо горящего) и окислителя (повышающего температуру горения). Чем больше температура, тем сильнее вырываются газы из сопла, тем больше сила, увеличивающая скорость ракеты.
Топливо бывает и твердым. Тогда оно запрессовывается в емкость внутри корпуса ракеты, служащую одновременно и камерой сгорания. Твердотопливные двигатели проще, надежнее, дешевле, легче транспортируются, дольше хранятся. Но энергетически они слабее, чем жидкостные.
Из применяющихся в настоящее время жидких ракетных топлив наибольшую энергетику дает пара «водород + кислород». Минус: чтобы хранить компоненты в жидком виде, нужны мощные низкотемпературные установки. Плюс: при сгорании этого топлива образуется водяной пар, так что водородно-кислородные двигатели экологически чистые. Мощнее них теоретически только двигатели со фтором в качестве окислителя, но фтор — вещество крайне агрессивное.
Рабочее зеркало ТТР Казино.
На паре «водород + кислород» работали самые мощные ракетные двигатели: РД-170 (СССР) для ракеты «Энергия» и F-1 (США) для ракеты «Сатурн-5». Три маршевых жидкостных двигателя системы «Спейс Шаттл» также работали на водороде и кислороде, но их тяги все равно не хватало, чтобы оторвать сверхтяжелый носитель от земли, — пришлось для разгона использовать твердотопливные ускорители.
Меньше по энергетике, но проще в хранении и использовании топливная пара «керосин + кислород». Двигатели на этом топливе вывели на орбиту первый спутник, отправили в полет Юрия Гагарина. По сей день, практически без изменений, они продолжают доставлять на Международную космическую станцию пилотируемые «Союзы ТМА» с экипажами и автоматические «Прогрессы М» с топливом и грузами.
Топливную пару «несимметричный диметилгидразин + азотный тетраоксид» можно хранить при обычной температуре, а при смешивании она сама воспламеняется. Но это топливо, носящее имя гептил, очень ядовито. Уже которое десятилетие оно применяется на российских ракетах серии «Протон», одних из самых надежных. Тем не менее, каждая авария, сопровождающаяся выбросом гептила, превращается в головную боль для ракетчиков.
Ракетные двигатели единственные из существующих помогли человечеству сначала преодолеть притяжение Земли, затем отправить автоматические зонды к планетам Солнечной системы, а четыре из них — и прочь от Солнца, в межзвездное плавание.
Существуют еще ядерные, электрические и плазменные ракетные двигатели, но они либо не вышли из стадии проектирования, либо только начинают осваиваться, либо неприменимы при взлете и посадке. Во втором десятилетии XXI века подавляющее большинство ракетных двигателей — химические. И предел их совершенства практически достигнут.
Теоретически описаны еще фотонные двигатели, использующие энергию истечения квантов света. Но пока еще нет даже намеков на создание материалов, способных выдержать звездную температуру аннигиляции. А экспедиция к ближайшей звезде на фотонном звездолете вернется домой не ранее чем через десять лет. Нужны двигатели на ином принципе, чем реактивная тяга…
