С твердыми видами материалов долго не складывалось. Контролировать горение не удавалось, но новые материалы можно было использовать как взрывчатку. Химики стали производить стабильные соединения, нашедшие применение в горных, строительных, демонтажных работах.

Тогда космические инженеры перешли к жидким видам топлива. Особый интерес вызывал спирт, но он должен был быть невероятно чистым, с меньшим содержанием воды, чем даже у медицинского спирта. Такой очень трудно создать, а его цена огромна. Химики стали искать новые, более эффективные и более дешевые способы перегонки и очищения, и это удалось. Спирт стал более доступным, а его применение – огромным. Это универсальное вещество нужно и в технике, и в медицине, и в энергетике, и в химическом производстве.

Но чтобы на орбиту полетели первый спутник, первое животное и первый человек, ракеты-носители использовали керосин.

Процесс перегонки нефти предполагает нагрев, в котором самые легкие фракции испаряются и улетают. Если пары собрать и охладить, получается бензин. Керосин тяжелее, и чтобы его получить, нужно нагревать сильнее, но вместе с полезной фракцией начинают испаряться примеси, например сера. Легкий бензин слишком быстро испаряется и слишком легко взрывается, чтобы его можно было использовать в ракетах. Керосин тяжелее и лучше подходит, но он был низкого качества. Новые методы глубокой гидроочистки позволили получить новые сорта керосина, применяемые не только в ракетно-космической области, но и в авиации. Метод очистки и отделения фракций стал применяться и для бензина.

Топливо, которое используется сейчас, еще тяжелее, плотнее и безопаснее, чем керосин. Хотя его получают при помощи той же перегонки, но со сверхглубокой очисткой. Его название – нафтил. Также для повышения качества химики разработали синтетический материал, который вообще не имеет негативных примесей. Это чистое топливо получило название синтин; оно также славится своей текучестью и смазочными свойствами. Правда, этот материал крайне дорогой в производстве и сейчас перестал использоваться. Но в будущем, возможно, будет найден более дешевый метод синтеза, который сможет изменить представление о топливной энергетике.

Пока для увеличения эффективности горючего разрабатывают присадки, которые потихоньку начинают использовать не только для покорения космоса, но и в производстве смазочных материалов.

У военных в 1960‐х годах появился новый запрос. Кислород, необходимый для химической реакции, нужно поддерживать в жидком виде, а значит – охлажденным до температуры порядка –180 °C. Долго оставлять окислитель в таком состоянии очень сложно, а сделать так, чтобы ракета стояла на боевом дежурстве несколько лет, невозможно.

Тогда началась разработка высококипящих компонентов топлива, итогом стало появление гидразина и похожего, но более эффективного гептила (несимметричный диметилгидразин). В качестве окислителя для гептила используется тетраксид азота. Компоненты долго хранятся, высокоэффективны, да еще и не надо ничего поджигать – реакция возникает непосредственно при контакте. Но есть огромный минус – вещество крайне токсично, и повсеместно его использовать нельзя, тем более в быту. Однако в фантастическом романе «Марсианин» (и его экранизации) был показан способ использования гептила. По сюжету произведения (внимание, спойлеры до следующего абзаца) американский астронавт по случайности остался в одиночестве на Марсе, где должен был выживать два года до прилета спасателей. Чтобы получить источник пропитания, он решил выращивать картофель, а проблему с поливом решил, зная, что при горении гептила выделяются азот, углекислый газ и вода.

Ракета-носитель, чтобы вернуться на Землю, использовала именно гептил, так как он должен был храниться два года (столько требовалось для полета на Марс и обратно). На самом деле, хотя из гептила действительно можно получить воду, нигде, кроме ракетной техники, гидразин и гептил не применяют.

Неожиданный поворот в истории ракетного топлива случился, когда возникла потребность в утилизации ядовитого вещества. Просто вылить его нельзя, будет экологическая катастрофа. Хранить в боевых ракетах просрочку тоже нельзя. В СССР был объявлен конкурс, и химики начали активно разрабатывать способы переработки гептила. Основные надежды возлагались на создание из ракетного топлива азотных удобрений, ведь их формулы действительно схожи. Так синтезировали некоторые виды полезных для растений веществ, но процесс оказался довольно дорогим, а эффективность незначительно превышала уже существующие образцы. Другое дело – медицинские препараты. Оказалось, что из гептила достаточно просто можно создать лекарственное средство для повышения тонуса и снижения утомляемости. Этот препарат получил известность под названием мельдоний. Его использовали не только как лекарство, но и как стимулятор для спортсменов, однако после многочисленных побед, в том числе на Олимпийских играх, было принято решение включить мельдоний в перечень препаратов, являющихся допингом. Посчитали, что лыжники и легкоатлеты так быстро бегают благодаря ракетному топливу.

Кроме этого, был разработан стимулятор репродуктивной функции птиц, основанный на триметилгидразиния пропионате. Его испытали на курах, и результаты показали увеличение яйценоскости на 8 %.

Также для гептила нашлось применение в создании ингибиторов коррозии и чистящих средств и в технологическом процессе создания полиуретанов.

Но для всех этих производств требуется не так много топлива. Поэтому основную проблему утилизации пришлось решать другим путем – нейтрализацией токсичных компонентов.

В СССР разрабатывались и другие виды топлива, например с использованием фтора и его соединений. Предложенные химические соединения оказались еще эффективнее, но и токсичнее. Был даже создан и испытан двигатель РД‐301 на жидком фторе и аммиаке, но из-за высокой токсичности инженеры были вынуждены от него отказаться. Сейчас набирают популярность метан и метановые ракеты. Куда приведут исследования в этих направлениях, мы увидим в ближайшем будущем.

Но вернемся к зарождению космонавтики. Первые космические инженеры крайне удивились тому факту, что за тысячелетия использования человечеством огня так и не родилась теория горения. Конечно, некоторые моменты были понятны, например, как поддерживать огонь, какие материалы горят. Сейчас кажется невероятным, что до XVIII века не было известно, что для реакции горения нужен кислород. Тем не менее на интуитивном уровне все работало, и даже достаточно сложные и опасные пороховые пушки заряжались «на глаз» и прекрасно стреляли.

Но с ракетными двигателями на интуицию рассчитывать было нельзя. Тем более подобные попытки имели место, но все они заканчивались взрывами и разрушениями. В СССР с появлением ГДЛ и ГИРДа ученые начали исследования процессов теплопереноса, распространения огня, детонации, концентрации газообразных смесей и распространения ударных волн. Дело в том, что для создания мощных ракетных двигателей на жидком топливе нужно было в первую очередь понять, как распределение компонентов и уровень смешивания влияет на выход энергии. Например, если поджечь горелку или масляную лампу, горение будет равномерным, так как кислород подходит постепенно. Но в случае утечки и насыщения горючего материала воздухом происходит взрыв. С твердым топливом все еще сложнее, так как сначала было совершенно непонятно, как контролировать горение. Многое зависит от формы заряда, плотности и даже рельефа. Любая трещинка может привести к неожиданным результатам.

В 1930‐х годах в СССР развитие получили все направления – горение и твердых материалов, и жидких, и газовых смесей. Правда, получив результаты по критериям и ограничениям пороховых зарядов, ученые натолкнулись на предел своих технологических возможностей и резко потеряли интерес к дальнейшим разработкам. В США продолжили исследования советских ученых, правда, для прорыва потребовалось 30 лет. Решение оказалось простым, но не очевидным – в заряде проделывалось сквозное отверстие в виде звездочки. Химическая реакция шла только внутри него. Размер подбирался такой, чтобы площадь поверхности отверстия не менялась со временем и горело всегда одинаковое количество взрывчатки. Форма звездочки позволяла стабилизировать скорость химической реакции даже при больших объемах заряда.

В СССР все силы были сконцентрированы на изучении процессов горения в жидких и газовых смесях. Особенно много открытий ученые сделали в области распространения звуковых волн, колебаний и их влияния на горение и детонацию. Звуковая волна – это колебания воздуха, при распространении звуковой волны в одном месте атомы расположены более плотно, в другом – менее, соответственно, в одной области горит сильнее, чем в другой. При этом само горение вызывает разлет газов, а отражение их от стенок корпуса двигателя – сжатие. Двигатели буквально создают звук, музыку колебания. Недаром в знаменитой песне есть слова «и снится нам не рокот космодрома».

Создание стройной теории далось нелегко. Горение в турбулентных потоках до сих пор остается нерешенной проблемой, и многие новые знания приходят из опытов на орбите в невесомости, о чем будет рассказано ниже.

Естественно, информация о пламени очень важна не только для ракет. 90 % энергии в мире добывается при сжигании ископаемого топлива. Однако такие эффекты наблюдаются лишь при очень активном горении, в повседневной практике люди с ними не сталкиваются. Тем не менее в мощных двигателях или печах их нужно учитывать. Помимо ракетных двигателей, специальные расчеты необходимы для турбореактивных авиационных двигателей. Были даже разработки особых детонационных двигателей. Для экономии и повышения безопасности тепловых электростанций начали использовать теорию горения во время проектировки оборудования. Кроме того, новые знания о горении открыли дополнительные возможности металлургии. Благодаря ударным волнам – области повышенного давления и температуры – стало возможно расплавлять самые тугоплавкие металлы. В последнее время к теории горения обращаются инженеры двигателей внутреннего сгорания, используя ее для повышения эффективности. Например, пламегасители и каталитические нейтрализаторы решают проблемы гашения вибрации и колебаний. Их разработали при испытаниях ракетных двигателей. Пламегаситель охлаждает выхлопные газы, замедляет их выход и снижает негативное воздействие на силовую установку. В автомобилях их часто используют как узел между глушителем и двигателем. Похожую работу выполняет каталитический нейтрализатор, который за счет химической реакции еще и поглощает опасные, отработанные двигателем газы.

Так как был взят курс на создание ракет на жидком топливе, требовались устройства для перекачки горючего и окислителя – насосы, турбины, компрессоры для распыления топлива – форсунки, сопла и смесители для двухкомпонентных двигателей.

Эти устройства были придуманы раньше, например для водопроводов, но ракетные инженеры создали новые системы и механизмы с лучшими свойствами, а также глубже проработали теорию движения жидкостей и газов.