Принцип работы ракетного двигателя прост до безобразия: сжигаем что-то, получаем горячие газы. У них есть некоторая масса. Расширяясь, они улетают в сторону с некоторой скоростью. То есть обладают импульсом. А так как импульс системы должен сохраняться, то наша ракета приобретает тот же импульс со знаком минус. То есть летит в другую сторону. Самая простая ракета – бочка с порохом и дыркой. Но плохая. Гореть порох будет только около самой дырки, и тяга будет никакая. Прессуем порох и сверлим дырку уже в самом порохе. Теперь гореть будет порох уже во всём получившимся канале. Делаем дырку больше, и поверхность горения будет больше, больше будет мощность. Перестараемся, и бочка не выдержит давления и температуры – будет большой бадабум. Ну, ракета уже летает, но низенько-низенько. Надо что-то придумывать. Вспоминаем про импульс газов. Чем он больше, тем лучше. Можно попробовать увеличить массу газов, то есть взять бочку побольше. Но тогда она будет весить больше, и чтобы её сдвинуть, нужно ещё больше тяги. Бяда. Тогда пробуем увеличить скорость газов. Делаем дырку в бочке чуть уже снаружи, чем внутри, то есть в виде конуса. Получаем сопло. Теперь газы вырываются с большей скоростью, ракета летит чуть дальше чем в соседский огород. Но опять же, если сопло будет слишком узким, то газ наоборот затормозится. А в крайнем случае опять бабах. И снова бяда. Газ таким макаром не разогнать быстрее скорости звука. Но для этого придумали сопло хитрой формы – сопло Лаваля. Оно сперва сужается, а потом внезапно расширяется. Как песочные часы. А всё потому, что на сверхзвуке газ ведёт себя иначе. Ну всё, теперь у нас не бочка с порохом, а вполне себе твердотопливный ракетный двигатель.
Простота это хорошо. Кроме того, ТРД можно сделать очень мощными. Твёрдотопливные ускорители Шаттла – самые мощные ракетные двигатели из когда-либо созданных. Однако, не самые эффективные. У двигателя есть ещё один параметр. Удельный импульс. Чем он выше, тем больший импульс получит ракета с одной единицы топлива. Так вот, у твердотопливников с этим проблемы. К тому же, их нельзя выключить, если что-то пойдёт не так. Наука говорит, что жечь жидкое топливо эффективнее. Поэтому и летают ракеты в космос на ЖРД. А ТРД остаётся роль ускорителей. Ну или доставлять не совсем мирный атом в каждый дом в случае Третьей Мировой. Что нужно, чтобы жидкостный двигатель заработал? Во-первых, камера сгорания и сопло. Ну и как-то заставить топливо туда попадать. Проще всего сделать бак над двигателем, и оно само будет туда литься под силой тяжести. Вот только делать оно будет это крайне неохотно. Нужны насосы. Да помощнее. Чтобы больше керосина жечь. Для этого есть турбонасосный агрегат, ТНА. Он берёт немного топлива, сжигает и крутит турбину, а она крутит насосы. А выхлоп идёт мимо сопла, просто в атмосферу, не создавая никакой тяги.
Это в двух словах. На самом деле ЖРД намного сложнее. Например, чтобы сопло не прогорело, его стенки охлаждают топливом. Перед тем как попасть в камеру сгорания, оно течёт по трубкам внутри стенок сопла. Сама камера тоже хитро устроена. Чтобы топливо горело равномерно, оно течёт не из одной большой дырки, а впрыскивается из сотни форсунок. А чтобы ЖРД был чуть эффективнее, можно выхлоп из ТНА подать в камеру сгорания. Получится двигатель закрытого цикла. Кроме того, ракетой нужно управлять. Для этого делают поворотное сопло или же маленькие рулевые двигатели. Их, например, хорошо видно на советской Р-7.
Как бы ни были круты ЖРД, у них есть предел. Используя энергию горения невозможно разогнать газы быстрее определённого порога, а стало быть, нужно изобретать что-то ещё, чтобы сделать эффективные двигатели для межпланетных перелётов. Например, греть топливо ядерным реактором. Серьёзно. Ну точнее, не совсем топливо. Рабочее тело. У ЖРД рабочее тело – продукты реакции топлива и окислителя. У ядерного ракетного двигателя это водород или другой лёгкий газ. Удельный импульс ЯРД минимум в два раза больше ЖРД. Почему не летаем? Ну во-первых, ракеты часто взрываются, и если ядерный реактор упадёт на голову, то светится от счастья никто не будет. Да и тяжёлые они. И дорогие. Но ни разу не фантастичные, в отличие от ядерных поездов и танков. В СССР и США были разработаны и испытаны ЯРД. Уже готовые к производству и установке на ракеты. Но не срослось. Хотя, скорее всего люди к Марсу полетят именно с потенциальным Чернобылем за спиной.
Ионные двигатели. Прямо как в Звёздных Войнах. Фантастика? Да ни разу! Берём газ, разгоняем электричеством. Почему ионный? Потому, что нейтральным атомам на электричество плевать, а вот если оторвать парочку электронов, то получатся заряженные ионы. Их-то в ионном двигателе и разгоняют до огромных скоростей. Выходит огромный удельный импульс. Только вот тяга у них в граммах измеряется, а не в тоннах, как у ЖРД. Поэтому, зонды с ионными двигателями ускоряются месяцами, а то и годами.
А теперь уже фантастика. Фотонный двигатель. В качестве «горючего» – антиматерия. При аннигиляции создаётся поток гамма-квантов (фотонов). Отражаясь от специального зеркала, создают тягу. Перспективно. Да вот только как эту антиматерию добыть, да ещё и хранить, не знает никто.