Формула К. Э. Циолковского учит: для получения больших скоростей ракета должна иметь совершенную конструкцию двигателя, высококалорийное топливо и малый вес конструкции.
Еще две показательные черты могут отличать одну ракету от другой: удельный расход топлива и удельный вес двигателя. Первое понятие включает в себя количество топлива, приходящееся на единицу тяги двигателя в секунду. Оно имеет отношение к дальности полета: чем ниже удельный расход топлива, тем при прочих равных условиях больше дальность полета. Степень конструктивного совершенства двигателя характеризуется его удельным весом — отношением веса конструкции двигателя к его тяге. Обычно он характеризуется сотыми долями единицы (0,02 — 0,05 кг/кг).
Итак, отличием ракеты от обычного артиллерийского снаряда является наличие двигателя. За счет энергии этого двигателя совершается полет управляемого снаряда в атмосфере и его разгон для выхода в безвоздушное пространство. От него зависят все основные характеристики ракеты — скорость, дальность полета, высота, грузоподъемность. При помощи двигателя ракета набирает высоту, достигает необходимой скорости и, значит, обеспечивает заданную дальность. Работу двигателя ракеты можно сравнить с работой сердца, от деятельности которого зависит функционирование всех систем живого организма.
В ракетостроении применяются два основных вида «сердец» — ракетные двигатели на твердом топливе (РДТТ) и жидкостно-реактивные двигатели (ЖРД).
Характерно для ракетных двигателей то, что их работа не зависит от внешних условий, например, от концентрации кислорода в атмосфере, как в самолетных двигателях. У самолетных двигателей окислителем — веществом, необходимым для сгорания топлива, служит кислород воздуха. Значит, с подъемом самолета на высоту, где все сильнее сказывается разрежение воздуха, снижается эффективность работы двигателя. С ракетным двигателем этого не бывает. Все вещества, необходимые для работы этого двигателя, расположены на борту летательного аппарата. Экономичность и тяга ракетного двигателя не меняются в зависимости от скорости полета, а с ростом высоты даже несколько улучшаются. Эти свойства ракетного двигателя и открыли перспективы сверхдальних и сверхскоростных полетов ракет, в том числе в безвоздушное космическое пространство.
Двигателем, который действительно как бы взял человека за руку и вывел в космос, стал жидкостно-реактивный двигатель. Он же надежное «сердце» многих типов боевых ракет. В этих двигателях и окислителем и горючим служат специальные жидкие вещества. По данным иностранной печати, в качестве окислителя могут применяться, например, жидкий кислород, азотная кислота, а в качестве горючего — керосин, спирт, анилин и т. п.
Каждый, кому хотя бы в общих чертах известна работа самолетного турбореактивного двигателя, знает, что в нем есть специальные камеры сгорания, куда поступают воздух из атмосферы и керосин из баков и где происходит сгорание топлива. В жидкостном двигателе и окислитель и горючее подаются из специальных баков с помощью насосов или под действием давления. В камере двигателя они смешиваются и сгорают. Образующиеся при этом газы имеют температуру около 3000°, они расширяются в реактивном сопле и истекают, создавая силу тяги.
Сила тяги жидкостного двигателя получается весьма высокой при его относительно небольшом весе. Но при этом расходуется очень много топлива. Зарубежные специалисты подсчитали, что в двигателе с тягой 100 т ежесекундно (!) в камеру подается почти полтонны топлива. Понятно, что запас топлива на борту ракеты не может быть бесконечным, поэтому обычно ЖРД рассчитываются на сравнительно кратковременную работу. Но и за короткое время они дают ракете такой импульс энергии, что она оказывается в силах преодолевать континентальные и даже межконтинентальные расстояния.
У жидкостных двигателей все новые эксперименты и исследования позволяют увеличивать их удельную тягу, то есть ту тягу, которую дает топливо, сгорающее в одну секунду. Для этого применяют наиболее эффективные сорта топлива.
В качестве окислителя может использоваться жидкий кислород или такие соединения, как азотная кислота, четырехокись азота и другие. Окислители делят обычно на высококипящие и низкокипящие. К первым относится азотная кислота (кипит при температуре +86 °C), ко вторым — жидкий кислород (кипит при температуре −183 °C).
Каковы свойства окислителей и что следует учитывать, когда приходится иметь с ними дело? Азотная кислота неустойчива и при комнатной температуре разлагается. Оттого что в кислоте постоянно содержатся окислы азота, она приобретает красно-бурый оттенок.