На основании приведенных выше примеров нетрудно понять и физический смысл возникновения реактивной силы, образуемой в ракетном двигателе при выбросе из его сопла в окружающее пространство газов. Возникающие от сгорания топлива газы мгновенно расширяются и давят на стенки и дно камеры сгорания. Но так как выход для них расположен как раз против дна камеры сгорания, то вся сила давления газов сосредоточивается на нем.
Таким образом, образовавшиеся в камере сгорания ракетного двигателя газы как бы отталкиваются от ее дна и с огромной силой толкают ракету вперед, образуя так называемую тягу ракеты, в то же время сами газы выбрасываются через сопло с огромной скоростью наружу, т. е. в противоположную сторону движения ракеты. Отсюда видно, что если горючее и кислород, необходимый для его сгорания, запасены на ракете, то она может двигаться и в безвоздушном пространстве.
Все видели сигнальные ракеты или ракеты, применяющиеся для фейерверка. Они-то и являются прообразом ракет, которые полетят в космос.
Основным препятствием для космических полетов служит земное притяжение. Для того чтобы его преодолеть и выйти в пространство, где начнет преобладать притяжение планеты, на которую мы летим, нужны колоссальные количества энергии. Даже для запуска спутника весом 45 кг на орбиту, удаленную от Земли на расстояние 300–500 км, необходимо затратить энергию, соответствующую 4–5 дням работы Днепрогэса. На первый взгляд это может показаться неосуществимым. Однако уже во время второй мировой войны немецкие ракеты «Фау-2», бомбардировавшие Лондон, имели двигатель мощностью 500 000 л. с., работавший, правда, всего около одной минуты. Сейчас ракеты такого типа значительно усовершенствованы, и мощности, которые развивают их двигатели, значительно выше и измеряются миллионами лошадиных сил.
В чем же заключается особенность этих двигателей невиданной мощности? Чем они отличаются от всех известных паровых машин или дизелей?
Возьмем, например, самый совершенный авиационный поршневой двигатель. Он также развивает довольно большие мощности, компактен, не особенно тяжел. Тем не менее для космических полетов он не пригоден. Дело в том, что для его работы необходим кислород, содержащийся в атмосфере. А наша ракета предназначена для полета в пространстве, лишенном атмосферы. Что касается паровой машины или дизеля, то для их работы точно так же требуется кислород атмосферы, не говоря уже о том, что их вес на единицу развиваемой мощности весьма значителен.
Напомним еще одно важное обстоятельство. Корабль или самолет двигается потому, что гребной винт или винт самолета, вращаясь, отталкивается от воды или от воздуха и заставляет тем самым двигаться их вперед. Но ведь в космосе нет воздуха, стало быть винт, вращаясь там, не смог бы создать тяги. Поэтому единственным возможным двигателем для космических полетов является реактивный двигатель, для работы которого нет необходимости в плотной окружающей среде, т. е. в атмосфере. Правда, не все виды реактивных двигателей обладают возможностью работать в безвоздушном пространстве.
Дело в том, что всякий реактивный двигатель вызывает движение какого-нибудь аппарата в результате приложения к нему силы реакции тяги, равной количеству движения отбрасываемого вещества. Если из ракеты в единицу времени выбрасывается масса m со скоростью Vr относительно камеры сгорания, то ракета испытывает тягу P, определяемую по формуле
Для получения большой тяги, как видно из этой формулы, надо отбрасывать большую массу какого-нибудь вещества и с наибольшей скоростью. По тому, откуда берется эта отбрасываемая масса, различают два типа реактивных двигателей: ракетные двигатели, при работе которых происходит отбрасывание вещества, находящегося в самом перемещающемся аппарате, и воздушно-pеактивные, в которых отбрасывается захваченная двигателем и ускоренная внутри аппарата при помощи различных механических или тепловых устройств атмосфера, окружающая этот аппарат. Для доставки ИСЗ на его орбиту в нижних слоях атмосферы можно использовать воздушно-реактивные двигатели. В верхних слоях атмосферы могут быть использованы только ракетные двигатели. Для межпланетных кораблей ближайшего будущего единственными двигателями являются ракетные. Такими двигателями могут быть пороховые, жидкостные, атомные, ионные или фотонные. Первые два типа ракетных двигателей реально существуют и доведены до такого совершенства, что с их помощью ученые могут запускать искусственные спутники Земли. Следующие три типа ракетных двигателей являются перспективными, практическое осуществление их зависит от общего уровня развития техники будущего. Но уже сейчас разработкой атомных ракетных двигателей усиленно занимаются многие страны мира, и, видимо, очень скоро мы узнаем о полете ракеты с атомными ракетными двигателями.