На старте все легко - топливо спускается в двигатель под действием гравитации. После выключения первой ступени наступает невесомость и тут появляется вопрос запуска следующих двигателей.
В чем же сложность. Сначала разберемся в конструкции двигателя и баков.
Основное отличие ракетного двигателя от авиационного то, что ракетный работает на двух компонентах. В самолете и автомобиле заливают один компонент - горючее. Второй - кислород - приходит из вне. Это атмоферный кислород. Попробуйте на машине добраться до верхней точки Анд, вокруг так мало кислорода что двигатель заглохнет. Космическая ракета пока не может себе позволить такой роскоши брать компоненты в космосе. Горючее в ракете храниться по соседству с окислителем. Не обязательно с кислородом.
Помните что было, когда впервые дунули в сок с трубочкой? Также топливо выдавливается газом из баков. Баки всегда должны чем-то заполняться по мере ухода жидкого топлива. В невесомости жидкость пытается принять форму шара, липнет к стенкам, перемешивается с газом.
Почему просто не выдуть давлением газа топливо и запустить двигатель - на этот вопрос нам ответит Блэз Этьенович Паскаль - давление газа распределяется равномерно по всей поверхности жидкости. Сила давления уравновешивает саму себя с противоположной стороны жидкого шара, поэтому как ни дуй в бак, жидкость не двинется.
Чтобы завести ракету в космосе, надо два компонента смешать в двигателе и воспламенить. Но в невесомости топливо не вытекает из бака.
Есть минимум три давно освоенных способа запуска:
Предварительное ускорение.
Нужно немного ускорить корабль вперед, тогда жидкое топливо прижмется ко дну бака и самотеком пойдет в трубопровод затем в насосы и двигатель. Вопрос - как создать такое микроускорение, если двигатель еще не включился. На помощь придет самый простой реактивный двигатель, имеющий только одну подвижную деталь - клапан. Это двигатель на сжатом газе. Может выглядеть как металлический баскетбольный мяч с выпирающим соплом. Хочешь включить двигатель, открой клапан, выключить - закрой. Очень надежно и очень просто. нацеливаем корабль на нужную планету, мягко включаем газовый двигатель, топливо аккуратно прижимается ко дну, начинает поступать в трубу, еще немного правим направление корабля, включаем насосы и маршевый двигатель работает. Сколько работает двигатель столько и топливо прижато ко дну бака.
Газовая подушка.
Такая подушка похожа на мягкую упаковку кубанского вина. В начале, на старте, баки полны жидкого топлива и по соседству находиться сдутая подушка. В начальном виде похожа на вакуумный пакет для одежды. Затем уже на орбите в невесомости, когда нужно включить двигатель, надуваем подушку любым газом (да хоть водой), подушка раздувается и вытесняет окружающее топливо в трубопровод. Важно отметить, при таком способе газ и жидкость честко разделены перегородкой то есть оболочкой подушки. В противном случае газ попадет через трубопровод в насос что приведет к разрушению насоса. Классический насос это центробежный, быстровращающийся. И когда он разрушается, уносит на тот свет обычно весь отсек.
Сетка удерживающая топливо.
Благодаря поверхностному натяжению жидкости топливо липнет к сетке. Сетка располагается около места где топливо попадает в трубопровод. Когда первая ступень выключается и наступает невесомость, топливо расплывается по всему баку, однако существенная часть топлива остается на сетке у трубопровода. Забираем это топливо насосом, включаем двигатель и тогда остальная масса топлива рухнет вниз ко дну т.е. к заборному устройству.
Еще варианты
Центробежное прижатие топлива к стенкам бака путём раскручивания. Тогда газ будет на оси вращения, топливо на периферии.
Выдавливание жидкого топлива поршнем. В этом способе нужно внимательно следить, чтобы в отсеке жидкости не было газа. Иначе перемешавшись с жидкостью в невесомости, пузыри газа пойдут в трубопровод к насосу.
И это не все варианты, тут нет единственно лучшего способа включения. У каждого свои плюсы и минусы. Вы и сами можете придумать еще способы.