В этой реактивной игрушке,как рабочее тело, используется обыкновенная вода. Энергию необходимую для полета мы, с помощью насоса и собственных мускулов, запасем в сжатом воздухе, который содержится над водой в небольшой полости ракеты. Расширяясь, воздух выталкивает воду с большой скоростью через узкое отверстие – сопло ракеты, за счет чего она совершает полет высотой в пару десятков метров. Игрушек, основанных на реактивном принципе движения достаточно много, но сам принцип является уникальным – это пока единственный способ преодолеть земное тяготение и вырваться в открытый космос.
В основе принципа реактивного движения лежит второй закон Ньютона, согласно которому силы, действующие между двумя телами равны и противоположны по направлению. В реактивном движении одно тело отталкивает другое, а само движется в противоположном направлении. В настоящее время самыми мощными и распространенными являются химические реактивные двигатели – твердотопливные или жидкостные. Ракеты, оснащенные такими двигателями, движутся отбрасывая с продукты сгорания ракетного топлива с огромными скоростями, вплоть до 4,5 км/с.
Реактивный принцип движения можно обнаружить не только в технике, созданной людьми, в природе его используют многочисленные животные – осьминоги, кальмары, медузы, личинки стрекозы. Даже некоторые, казалось бы, неподвижные ракушки могут перемещаться, отбрасывая воду, подобно тому, как это делают ракушки под названием «морские гребешки».
Сегодня теория реактивного движения хорошо изучена и описывается разделом механики под названием механика тел переменной массы. Ее основы были заложены русским механиком Иваном Мещерским, который в 1897 вывел основную формулу реактивного движения. В дальнейшем развитии этой теории, направленной на создание ракетной техники и освоение космического пространства, сыграл основную роль русский ученый и изобретатель Константин Циолковский. Он изобрел многоступенчатую ракету, которая, по мере сгорания топлива, отбрасывает ставшие уже не нужными опустевшие части корпуса (ступени), и продолжает полет с уменьшенной массой. Без такого способа экономии топлива даже теоретически невозможно достижение первой космической скорости, необходимой для выхода ракеты с химическим топливом на круговую орбиту вокруг Земли. В 1903 году Циолковский предложил схему ракеты на жидкостном ракетном топливе и теоретически доказал ее пригодность для межпланетных перелетов. Впервые на практике такие реактивные двигатели были созданы и испытаны американским ученым Робертом Годаром в 1926 году и немецким ученым Германом Обертом в 1929 году. Первая советская ракета на жидком топливе, построенная под руководством Сергея Королева, полетела в 1933 году.
Впервые искусственный спутник Земли был выведен на эллиптическую орбиту вокруг Земли в 1957 году с помощью ракеты «Спутник-1» созданной в СССР на базе боевой межконтинентальной баллистической ракеты Р-7. Спутник представлял собой металлическую сферу диаметром 58 сантиметров и весом 83,6 килограмма. Внутри спутника был смонтирован радиопередатчик с источниками питания, который с помощью четырех стержневых антенн равномерно излучал во все стороны прерывистый радиосигнал на общедоступной частоте. Никакого научного или иного оборудования на спутнике не было, те не менее сам его запуск означал начало освоения человеком космического пространства.
Второй искусственный спутник «Спутник-2» был запущен также в СССР, спустя всего лишь месяц после первого, и у него на борту находилась собака Лайка с системой жизнеобеспечения. Этот спутник имел целью доказательство того, что живые существа могут жить на орбите в условиях невесомости. К сожалению, системы мягкого возращения и спуска на Землю этот полет не предусматривал и, хотя на борту была возможность питания, Лайка погибла на орбите. Успешный запуск спутника с живыми существами на борту и их благополучным возвращением на Землю был осуществлен СССР в 1960 году, когда космический аппарат «Спутник –5», сделал 17 витков вокруг Земли с собаками Белка и Стрелка на борту. После полета, длившегося около 25 часов, в течение которого был проведен ряд медико-биологических экспериментов, обе собаки невредимыми вернулись на Землю.
Третьим искусственным спутник Земли стал американский спутник «Эксплоуэр-1», запущенный в 1958 году. Он весил в 10 раз меньше первого, всего 8 килограммов, но имел на борту кроме радиопередатчика и датчиков температуры еще два прибора. Один из них был счетчик Гейгера – прибор для измерения радиации, а другой мог фиксировать попадание микрометеоритов. В ходе полета этого спутника счетчик Гейгера подтвердил наличие в ближайшем космосе вокруг Земли областей с повышенной радиацией, так называемых радиационных поясов. Такие области образуются при захвате магнитным полем Земли заряженных космических частиц - протонов, электронов, альфа-частиц и др. Гипотезу о существовании радиационных поясов, находящихся на расстоянии от Земли от 5000 до 17000 километров, впервые выдвинул американский ученый Ван Ален и впоследствии они стали в его честь называться «поясами Ван Алена».
В бурном развитии космонавтики, которое началось сразу после запусков первых спутников можно отметить следующие важнейшие этапы:
- первый космический полет Юрия Гагарина в 1961 году
- высадка Нила Армстронга и Базза Олдрина на поверхность Луны в 1969 году
- первая долговременная обитаемая космическая станция «Салют-1» на орбите Земли в 1971 году
- создание международной космической станции на орбите Земли – 1998 год
В ближайших планах колонизация Луны и Марса. Реализация столь грандиозных задач будет проводиться с помощью уже испытанных и технически отработанных ракетоносителей на жидком ракетном топливе, однако существуют проекты и других технических решений.
Уже сегодня существуют электрические ракетные двигатели - ионные, плазменные, электротермические и другие. У всех таких двигателей для разгона частиц рабочего тела вместо химической реакции горения служит электрическая энергия. Частицы рабочего тела, а ими могут быть ионизированные молекулы различных газов или вещество, разогретое до состояния плазмы, ускоряются в электростатическом поле, электромагнитом или в комбинации обоих полей. Электрические ракетные двигатели просты по конструкции, компактны, имеют небольшую массу, просты в управлении, а также для них нет необходимости в сложных системах хранения рабочего тела. Однако наряду с очевидными преимуществами таких двигателей, им присущ принципиальный недостаток – малая тяга, составляющая всего десятки ньютонов по сравнению с химическими двигателями, способными развивать тягу в сотни тысяч ньютонов. Тем не менее, у электрических ракетных двигателей есть своя ниша применения. Если химические двигатели развивают огромную тягу на относительно небольшом промежутке времени, то электрические могут работать с малой тягой, но очень и очень долго. Это обстоятельство ставит их вне конкуренции при полетах к самым удаленным телам Солнечной системы, а также, возможно, даже к выходу за ее пределы. Кроме того, электрические ракетные двигатели могут эффективно использоваться орбитальными космическими станциями для коррекции параметров орбиты.
Еще одним перспективным направлением развития космической техники является создание ракетных двигателей, использующих энергию атома. Существуют разработки нескольких типов таких двигателей – ядерные, радиоизотопные и термоядерные.
Ядерные ракетные двигатели — это реактивные двигатели, в которых рабочее тело, чаще всего водород или аммиак, разогревается до больших энергий за счет реакции управляемой реакции распада ядерного топлива в компактном атомном реакторе. Практические работы по созданию таких ядерных реактивных двигателей проводились только в США и СССР, а впервые были начаты в 1958 году Американским проектом «Орион». Этот проект был закрыт в 1965 году в связи с большими затратами по Лунному проекту и развитием программы «Спейс Шатл». В СССР к 1980 году был создан ядерный ракетный двигатель РД0410, который на испытаниях показал тягу в 35,2 кН, но в летающих ракетах использован не был. В 2018 году появились сообщения, что США рассматривают перспективы возобновления работ по использованию ядерных ракетных двигателей в полетах к Луне.
Радиоизотопные ракетные двигатели атомных реакторов в своем составе не содержат, нагрев рабочего тела, того же водорода или аммиака, до больших температур происходит здесь за счет энергии, выделяемой при постоянном радиоактивном распаде вещества ядерного топлива. В качестве таких веществ используется, например изотопы урана U-232 и плутония Pu-238. Их периоды полураспада составляют 67 и 88 лет соответственно, в течение которых эти изотопы обеспечивает постоянный и высокий выход энергии. Существуют схема радиоизотопных двигателей, в которых продукты радиоактивного распада сами используются для создания реактивной струи. Еще одна разновидность таких двигателей предусматривает преобразование тепловой энергии распада изотопов в энергию электрическую, и ее последующее использование в электрических ракетных двигателях.
Использование термоядерной энергии термоядерного синтеза предусматривал первый, хорошо проработанный теоретически, проект «Дедал», который разрабатывали сотрудники Британского межпланетного общества с 1973 по 1977 года. Проект предполагал создание необитаемого межзвездного космического корабля с целью достижения звезды Бернара, красного карлика, удаленного на расстоянии 5,9 световых лет от Солнца. Возглавлял проект исследования Алан Бонд. Оказалось, что основная сложность состоит в практической реализации ряда технологий, необходимых для использования в конструкции корабля - импульсный термоядерный ракетный двигатель с инерционным удержанием плазмы, щит из бериллия, а также необходимость запаса гелия-3. Такой корабль, к сожалению, пока невозможно построить даже в том случае, если за его реализацию возьмется все человечество.
Хотя современные разработки ракетных двигателей, использующих термоядерную реакцию синтеза для нагрева рабочего тела также далеки от практической реализации,работы в этом направлении продолжаются. Из новейших публикаций особый интерес представляет термоядерный двигатель (Direct Fusion Drive, DFD) разрабатываемый в Принстоне (США), компанией "Princeton Satellite Systems". Разработчики утверждают, что если всё пойдёт по графику, то первый полёт с таким двигателем может состояться уже в 2028 году.