Жидкостный ракетный двигатель, как и пороховой, не нуждается в воздухе для своей работы и, следовательно, может работать и в безвоздушном пространстве даже с большим успехом, чем в атмосфере. Вместе с тем он обладает гораздо большей продолжительностью работы, чем пороховой, ибо он работает, как показывает и само название двигателя, не на твердом, а на жидком топливе, которое можно постепенно подавать из баков в камеру сгорания. Именно в этой высказанной Циолковским идее использования в ракетном двигателе жидкого топлива и заключается замечательная суть его изобретения. Эта идея широко используется не только в жидкостных ракетных двигателях, но и в воздушно-реактивных двигателях, о чем было рассказано в предыдущей главе.
Однако топливо для жидкостных ракетных двигателей представляет собой не одну какую-нибудь жидкость, как, например, бензин для поршневых и керосин для турбореактивных двигателей, а обычно состоит из двух различных жидкостей. Каждая из них хранится в особом баке или отсеке корабля, как это показано на схеме Циолковского, и только обе вместе они составляют топливо.
Одна из этих жидкостей — это так называемое горючее. Как видите, в данном случае горючее и топливо — не одно и то же; горючее — это только часть топлива.
Роль горючего и в этом случае такова же, как всегда, — при его сгорании должно выделяться тепло, необходимое для работы жидкостного ракетного двигателя. В качестве горючих применяются обычные нефтяные горючие — бензин, керосин, а также спирт, анилин и другие вещества (на схеме корабля Циолковского на отсеке с горючим написано «углеводород»).
Легко сообразить, какая жидкость должна заполнять второй бак. Ведь для сгорания горючего необходим кислород. Где же взять его, если нельзя заимствовать из окружающей атмосферы? Очевидно, во втором баке должна находиться жидкость, содержащая в себе в достаточном количестве кислород, или так называемый окислитель. В качестве окислителя применяются такие жидкости, как крепкая азотная кислота, перекись водорода высокой концентрации и другие вещества. Широко применяется также предложенный Циолковским чистый кислород, только, конечно, не газообразный (его вошло бы в бак очень мало, да и бак пришлось бы делать очень прочным), а жидкий. Для сжижения, как известно, кислород приходится охлаждать до температуры минус 183°.
Обе части топлива — горючее и окислитель — подаются под высоким давлением в камеру сгорания двигателя. Давление, достигающее десятков атмосфер, может создаваться, например, каким-либо газом, вытекающим в баки с топливом из баллона высокого давления, где он содержится. Подача топлива может осуществляться также с помощью специальных насосов, как это показано на схеме Циолковского.
В камере сгорания происходит встреча составных частей топлива, заканчивающаяся химической реакцией сгорания. При этом выделяется большое количество тепла, так что температура в камере сгорания оказывается очень высокой — она превышает в некоторых случаях 3000°. Раскаленные газы, продукты этого сгорания, вытекают из двигателя через сопло наружу с огромной скоростью, достигающей 2,5 километра в секунду и даже больше.
Естественно, что сила реакции струи вытекающих газов, представляющая собой реактивную тягу двигателя, оказывается очень большой: ведь эта сила прямо пропорциональна скорости истечения газов из двигателя. Реактивная тяга и должна сообщить межпланетному кораблю необходимую большую скорость.
За полвека, прошедшие со времени изобретения Циолковским жидкостного ракетного двигателя, он прошел большой путь развития. Первые десятилетия характеризовались в этом отношении главным образом настойчивым трудом отдельных изобретателей-энтузиастов, их скромными попытками построить жидкостный ракетный двигатель и использовать его для полета ракеты. В настоящее время созданы уже многие проверенные, надежные конструкции таких двигателей. Они устанавливаются на различных самолетах и ракетах, используются для самых разнообразных целей. Над этой проблемой работают научно-исследовательские институты и конструкторские коллективы. Выросла новая, стремительно развивающаяся отрасль промышленности по производству жидкостных ракетных двигателей и реактивных летательных аппаратов.
Как и в других отраслях реактивной техники, не только первое слово, но и дальнейшие заслуги в развитии жидкостных ракетных двигателей принадлежат во многом нашей стране.
Несколько позже Циолковского и независимо от него начал работать над проблемой межпланетных полетов и, в этой связи, реактивной техникой талантливый исследователь и изобретатель-самоучка Ю. В. Кондратюк. Наряду с теорией межпланетных полетов, которую рассматривал в своих работах Кондратюк, он высказал ряд оригинальных мыслей в отношении совершенствования жидкостных ракетных двигателей. В частности, им было высказано независимо от Циолковского, первым выдвинувшего эту идею, предложение об использовании в качестве окислителя озона вместо кислорода, что является перспективным и в настоящее время.
Много сделал для развития жидкостных ракетных двигателей последователь и продолжатель идей Циолковского — Ф. А. Цандер. Это был первый инженер в нашей стране, который посвятил себя работе в области межпланетного полета и ракетной техники. Цандеру принадлежит ряд идей, способствующих успешному решению задачи межпланетного полета. Он осуществил исследования многих вопросов развития и совершенствования двигателей для межпланетных кораблей.
Еще в 1920 году, когда наша страна только выходила из пламени гражданской войны и перед ней стояли тяжелые задачи восстановления разрушенного войной народного хозяйства, Цандер выступал на Московской конференции изобретателей с докладом о проекте своего межпланетного корабля и двигателя для него. Владимир Ильич Ленин обещал тогда изобретателю поддержку в его дальнейшей работе. Это явилось ярким свидетельством того повседневного внимания, которым окружено в нашей стране смелое творчество и дерзание в науке.
В 1930 году Цандер построил свой первый двигатель, работавший на бензине и газообразном воздухе. Этот двигатель представлял собой, по существу, только модель другого, большего двигателя, развивавшего тягу до 50 килограммов и работавшего на бензине и жидком кислороде, который был построен Цандером в 1932 году. Он проходил испытания уже после преждевременной смерти Цандера в 1933 году. Это был один из первых жидкостных ракетных двигателей в мире. Цандер высказал мысль об использовании некоторых металлов в качестве горючего для жидкостных ракетных двигателей (независимо от Цандера эта мысль была высказана также Кондратюком). Это позволяет, в частности, сжигать части конструкции самого межпланетного корабля, становящиеся ненужными в процессе полета: опустошившиеся баки и т. п. Цандер разработал также методику расчета жидкостных ракетных двигателей.
Первый у нас в стране жидкостный ракетный двигатель был создан коллективом советских ученых, конструкторов, инженеров и рабочих в 1930 году. Этот двигатель, получивший название ОРМ-1 («Опытный реактивный мотор — первый»), был для того времени весьма совершенным по своей конструкции. Он состоял из 93 деталей, имел цилиндрическую стальную камеру сгорания и набор сменных стальных сопел. Двигатель работал на топливе, состоявшем из четырехокиси азота — в качестве окислителя и толуола — в качестве горючего. Три форсунки служили для подачи окислителя и три — для подачи горючего. При испытании двигатель развивал тягу до 20 килограммов.
Тогда же были осуществлены важные исследования в области теории жидкостных ракетных двигателей, предложен ряд топлив для них, в том числе нашедшие широкое применение азотная кислота и перекись водорода, и некоторые перспективные топлива, а также создано большое число жидкостных ракетных двигателей различного назначения. Так, двигатель ОРМ-50 тягой 150 килограммов, работавший на азотной кислоте и керосине, был предназначен для установки на отечественной экспериментальной ракете. Кстати сказать, 17 августа 1933 года состоялся первый запуск этой ракеты, вслед за которым были совершены и многие другие полеты, в том числе и на значительные высоты.