Конструкции ракет-носителей, в значительной степени определяющиеся типом применяемого
двигателя, справедливо относятся к вершинам технической мысли.
Существует так называемая формула Циолковского, согласно которой конечная скорость ракеты
равна произведению скорости истечения реактивной струи на натуральный логарифм отношения масс заправленной и пустой машины. Величина первой космической скорости однозначно задана размерами и массой Земли и равна, как уже говорилось, приблизительно 8 км/с. Скорость истечения реактивной струи для лучших существующих ЖРД составляет около 4,5 км/с (чаще 3,8 км/с), а у твердотопливных — ещё меньше. Следовательно, масса носителя с топливом должна быть, по крайней мере, в шесть раз больше, чем без топлива!
Конструкция носителей с ЖРД прошла долгий путь развития и совершенствования. Сначала нагрузки от двигателя (ускорение и вибрации) и набегающего воздушного потока воспринимал жёсткий каркас, к которому крепились топливные баки. Потом — и это явилось
колоссальным шагом вперёд — воспринимать все нагрузки стали сами баки. Более того, их
начали надувать, что позволило значительно облегчить конструкцию без снижения её
жёсткости (вспомните, насколько прочен надутый воздушный шарик).
Впереди ракеты находится отсек полезного груза. Выводимый на орбиту спутник, или
космический корабль, или модуль орбитальной станции закрывается головным обтекателем,
который защищает конструкцию от набегающего потока воздуха и, как правило, сбрасывается
после прохождения плотных слоев атмосферы — на высоте около 40 км.
В двигательном отсеке, в хвостовой части, находятся маршевые и (если есть) рулевые
двигатели с приводами. (Силовая конструкция этого отсека зачастую является той опорой,
которая удерживает ракету на стартовом столе.) Здесь же устанавливается огневая защита,
предотвращающая попадание в отсек газов, истекающих из двигателей (в лабиринте стартовых
газоотводов и в разрежённых верхних слоях атмосферы газы могут обволакивать корпус
аппарата).
Управляют носителем в полёте либо специальными рулевыми двигателями, либо поворачивая
камеры или сопла маршевых агрегатов. На твердотопливных двигателях используют ещё один
способ: в сопло вдувают газ, смещая вбок реактивную струю.
Все современные ракеты-носители многоступенчатые. По мере выгорания топлива ступени с
опустевшими баками отделяются от ракеты и падают на Землю. При этом заметно уменьшается
масса аппарата, а кроме того, по мере подъёма можно переходить на другое топливо и
двигатели оптимальной для данной высоты конструкции — в разрежённой атмосфере размеры
сопла должны быть в несколько раз больше, чем у поверхности Земли.
Космическую технику приходится не только выводить в космос, но и возвращать на Землю. Спускаемые аппараты с экипажем и приборами на борту приземляются на парашютах. Попытки «спасти» отработанные первые ступени, оснастив их крыльями или парашютами, успехом не увенчались: системы после полёта и приземления становятся ненадёжными. Поэтому избрали другой путь — создание аппаратов многоразового использования. В нашей
стране был построен корабль «Буран», в США — серия космических челноков типа «Шаттл»
различного назначения.
Многоразовые корабли напоминают реактивный самолёт с треугольным крылом. Кабина
экипажа герметизирована, а грузовой отсек в космосе может открываться, «выпуская» спутник
или выгружая конструкции орбитальной станции. Все «Шаттлы» оснащены стыковочными
узлами с переходными отсеками, которые позволяют им причаливать к станции «Мир» и
международной космической станции (её строительство началось в 1998 г.).
Запускают челноки при помощи пороховых ускорителей первой ступени и ЖРД — в него
поступает горючее из огромного бака второй ступени. Ускорители и опустевший бак
сбрасываются. Спуск на Землю осуществляется в режиме планирования, с выключенным
двигателем. Система наведения сажает аппарат на аэродром, как обыкновенный самолёт.
При входе в плотные слои атмосферы поверхность аппарата порой разогревается до 1000°С
Поэтому его носовая часть и передние кромки крыльев выложены керамическими плитками,
спасающими кабину от перегревания, а саму конструкцию — от разрушения.

Для того чтобы стать искусственным спутником Земли, любое материальное тело должно
разогнаться до скорости около 8 км/с. Ещё чуть-чуть — 11 км/с, и оно улетит от нашей планеты
совсем. Разогнаться до такой скорости — почти 29000 км/ч — можно только при помощи
ракетного двигателя.
ОГНЕННОЕ СЕРДЦЕ
В принципе ракетный двигатель — устройство для разгона и отбрасывания рабочего тела, в
результате чего создаётся реактивная тяга. Это может быть газ, жидкость и т. д. На практике
применяют два способа разгона: с помощью электромагнитного поля или химической реакции в
ёмкости с повышенным давлением — камере сгорания.
Камера сгорания получила такое название потому, что чаще всего давление в ней поднимают до
требуемых величин путём сжигания химического топлива. Как правило, топливо состоит из двух
компонентов — горючего и окислителя. Если их смесь твёрдая, двигатель называется
твердотопливным (РДТТ); если жидкая (или когда система её подачи устроена так, будто она
жидкая) — жидкостным (ЖРД). Возможен вариант, когда один компонент жидкий, другой —
твёрдый; тогда двигатель именуется гибридным.
Рассмотрим на примере ЖРД, как устроен ракетный двигатель. Форсунки, через которые
подаются топливные компоненты, расположены в передней части камеры сгорания, а задняя —
представляет собой сужающуюся часть сопла.
Сопло состоит из двух участков. Первый из них — сужающийся. В нём реактивная струя
движется с дозвуковой скоростью, разгоняясь по мере уменьшения площади сечения сопла. В
самой узкой его части — критическом сечении — скорость газов достигает скорости звука, и
характер их течения радикально меняется. Теперь уже скорость струи повышается с увеличением
сечения, поэтому во втором участке сопло имеет колоколообразную форму.
Эффективность двигателя тем выше, чем больше температура в камере сгорания. Но
возможности материалов далеко не безграничны, и поэтому во всех современных агрегатах
применяется охлаждение: холодные компоненты топлива, прежде чем поступить в камеру,
проходят через её двойные стенки. Ещё один обязательный элемент ЖРД — турбонасосный агрегат. Приводом для него служат газовые турбины, работающие либо на продуктах сгорания основных топливных компонентов, либо на специальном топливе (например, перекиси водорода).
Рабочим телом ракетных двигателей служат газообразные продукты сгорания. Они обычно весьма ядовиты, кроме того, имеют большую молекулярную массу, а, следовательно, меньшую, чем хотелось бы, скорость истечения (она определяет энергетическое совершенство двигателя). Поэтому уже давно были предложены и испытаны на стендах ядерные ракетные двигатели (ЯРД), в которых рабочее тело, например водород, нагревается в атомном реакторе. А в космосе успешно работают электроракетные плазменные двигатели. Они с огромной скоростью выбрасывают поток ионизованных атомов
ксенона, ускоренных электрическим полем. Источником питания плазменных двигателей служат
солнечные батареи. Но мощность этих двигателей мала, и взлететь с Земли на них невозможно.
Их используют только для стабилизации искусственных спутников и космических станций на
орбите и для перехода с одной орбиты на другую. Очень удобны они и для межпланетных
перелётов. Для полёта на Марс, например, понадобится всего-навсего несколько сот
килограммов ксенона вместо десятков тонн жидкого топлива.

Вертолёт может делать то, на что обычный самолёт не способен: вертикально взлетать и приземляться, висеть неподвижно в воздухе и разворачиваться на месте, перемещаться влево-вправо, вперёд-назад. Подъёмная сила создаётся одним или несколькими несущими винтами на вертикальной оси. Несущий винт — главный агрегат вертолётов, однако иногда они оснащаются и крыльями, создающими дополнительную подъёмную силу.
На вертолётах перевозят людей и грузы в районы бездорожья, переправляют терпящих бедствие и больных. С вертолётов обрабатывают сельскохозяйственные угодья, тушат пожары, патрулируют дороги и т. д. При монтажных и строительных работах эти летательные аппараты перемещают на внешней подвеске крупногабаритные грузы и устанавливают их точно в нужное место.
Больше всего в мире вертолётов с одним несущим винтом. На хвосте этих машин установлен рулевой винт значительно меньшего диаметра, чем несущий, и с горизонтальной осью. Двухвинтовые вертолёты принято различать по схеме размещения винтов на корпусе машины: соосной, продольной, поперечной, с перекрещивающимися осями. Вертолёты соосной схемы уже много лет успешно строит российская фирма «Камов». Их несущие винты находятся один над другим, а ось верхнего винта проходит внутри оси нижнего. На вертолётах продольной схемы несущие винты располагаются один за другим. Эти вертолёты выпускала американская фирма «Боинг-Вертол». Когда несущие винты размещаются рядом, поперёк машины, схема называется поперечной. Она использована, в частности, в вертолёте Ми-12, самом большом в мире. В схемах с перекрещивающимися осями винты максимально сближены и установлены с небольшим развалом. Поэтому требуется особо тщательно синхронизировать их вращение, чтобы избежать «схлёстывания» лопастей; отсюда и название таких вертолётов — синхроптеры. Их производит только американская фирма «Каман».
Вертолёты с числом несущих винтов более двух строились очень редко и не выходили из стадии эксперимента. Силовыми установками на вертолётах служат газотурбинные и поршневые двигатели мощностью от 80 до 11 500 л. с. Чтобы повысить безопасность полётов, на вертолётах устанавливают не менее двух двигателей. Они, как правило, располагаются в фюзеляже (корпусе) и передают мощность на несущий винт и другие агрегаты при помощи трансмиссии. Основная часть трансмиссии — главный редуктор, который монтируется непосредственно под несущим винтом и распределяет мощность двигателей между ним, рулевым винтом и прочими агрегатами. Трансмиссия — самый сложный элемент вертолёта, поэтому неоднократно пытались обойтись без неё,
например, размещая на концах лопастей несущего винта реактивные двигатели. Но из-за
большого расхода топлива и сильного шума вертолёты с реактивным приводом так и не нашли
широкого применения. В 50—60-х гг. XX в. для увеличения скорости полёта некоторые
опытные модели вертолётов оснащались дополнительными движителями (например,
реактивными). Эти машины назывались винтокрылами, но в серийное производство не
поступили.
В настоящее время во всём мире известно свыше 500 типов вертолётов. Общее число
выпущенных машин превышает 100 тыс. Их взлётная масса колеблется от нескольких десятков
килограммов до 105 т, грузоподъёмность достигает 40 т, скорость — 400 км/ч, высота полёта —
12 500 м, а дальность — из-за возможности дозаправки в воздухе — практически не
ограничена.
Современные вертолёты способны выполнять почти все фигуры высшего пилотажа и вести
манёвренный воздушный бой.

В 50-х гг. стало ясно, что будущее — за самолётами с реактивными двигателями. Появились они в военной авиации ещё в 1944 г. Сначала использовали несколько типов, но затем конструкторы остановились на турбореактивных двигателях (ТРД). На входе такого двигателя установлен компрессор, который сжимает поступающий воздух, и тот нагревается. После впрыска и сгорания топлива образуется большое количество газов. Вырываясь с высокой скоростью из сопла', истекающие газы, по закону сохранения импульса, сообщают самолёту движение в противоположном направлении. Попутно они приводят во вращение турбину, а та — компрессор, и процесс становится самоподдерживающимся.
Первыми к созданию пассажирских реактивных самолётов приступили англичане. В 1949 г. прошёл испытания новый самолёт DH 106 «Комета» фирмы «Дэ Хэвилленд». Он был рассчитан на 36 пассажиров и мог держать на маршруте скорость почти 700 км/ч. Для пассажиров переход на новые двигатели означал не только высокую скорость полёта, но ещё и увеличение комфорта — шум и вибрация значительно снизились. На «Комете» установили четыре двигателя тягой по 2030 кгс. 2 мая 1952 г. «Комета-1» вышла на пассажирские линии, но после двух катастроф весной 1954 г. эксплуатация была прекращена. Расследование показало, что фюзеляж не выдерживал нагрузок, которые лайнер испытывал во время взлёта. Лишь в 1958 г. «Комета» вернулась на пассажирские линии, но в значительно изменённом виде. «Комета-4» (106 пассажиров; 4x4767 кгс; рейсовая скорость 846 км/ч; дальность полёта 4380 км) стала первым реактивным лайнером, совершавшим регулярные пассажирские рейсы через Атлантику.
Осенью 1952 г. на линии вышел другой английский лайнер — «Виккерс Вайкаунт». Этот самолёт был оснащён турбовинтовыми двигателями (ТВД), в которых турбина вращает не только компрессор, но и воздушный винт, создающий основную долю тяги. Такая конструкция обеспечивает хорошие взлётные характеристики и значительно большую экономичность на скоростях 500— 600 км/ч. «Вайкаунт» (43—53 пассажира, позже до 65; 4x1500 л. с; рейсовая скорость 500 км/ч; дальность полёта 2800—3600 км) имел огромный успех, и вскоре разные его модификации уже летали по всему миру. После «Вайкаунта» наступил недолгий период увлечения сравнительно крупными турбовинтовыми самолётами (британские «Вэнгард» и «Британния», американский «Локхид» L-188 «Электра»). Однако на Западе время магистральных турбовинтовых лайнеров ушло безвозвратно — на средних и дальних трассах стали безраздельно господствовать реактивные самолёты.
В конце 50-х гг. в США построили два самолёта, успех которых во многом предопределил бурное развитие авиаперевозок в следующем десятилетии. 20 декабря 1957 г. поднялся в воздух первый «Боинг-707», а полгода спустя — новый самолёт компании «Дуглас» DC-8, ставший основным конкурентом «707-го». Эти две очень похожие машины определили облик дальнего лайнера, и сегодня пассажирские самолёты внешне мало отличаются от них. Ранние (выпуска 1958—1959 гг.) «Боинг-707» и DC-8 обладали примерно
одинаковыми данными: 105 — 179 пассажиров, 4 турбореактивных двигателя тягой по 6120
кгс.
С появлением «707-го» фирма «Боинг» заняла лидирующее положение на рынке пассажирских
самолётов, сохранив эту позицию до сегодняшнего дня.
Реактивные двигатели той поры имели большой расход топлива, что препятствовало созданию
действительно дальних машин с ТРД. Выход нашли английские моторостроители. Они сделали
двухконтурный ТРД. В отличие от обычного ТРД турбина вращала два компрессора: высокого
давления (подавал воздух к самой турбине) и низкого давления (отбрасывал сжатый воздух во второй — внешний контур). Это нововведение значительно повышало коэффициент полезного
действия и, следовательно, экономичность двигателя и на взлёте, и во время полёта.
К концу 50-х гг. на местных линиях появились двухмоторные самолёты с турбовинтовыми
двигателями: в ноябре 1958 г. началось производство голландского «Фоккер» F.27, а чуть
позже — английского «Хокер Сиддли» HS 748. Оба были рассчитаны на 40—56 пассажиров и
выпускались много лет. Третьим в этом классе стал советский Ан-24.
В 1955 г. французские авиастроители предложили новую схему компоновки двигателей,
представив самолёт SE 210 «Каравелла» для трасс средней дальности. Двигатели в машине
были установлены по бокам хвостовой части фюзеляжа. Неудачной оказалась попытка
англичан использовать эту схему на дальнем четырёхмоторном «Виккерс» VC-10 — он заметно
уступал «707-му».
На Западе схема «двигатели в хвосте» применялась почти на всех самолётах для трасс средней
протяжённости. Первыми были английские лайнеры «Трайдент» (третий двигатель установили
в фюзеляже под килем) и ВАС-111 — небольшой двухмоторный самолёт, имевший
значительный успех. Но самыми популярными самолётами 60-х гг. считались трёхмоторный «Боинг-727» (для трасс средней протяжённости) и двухмоторный DC-9 (малой и средней протяжённости). Лайнер компании «Боинг» (вышел на трассы в 1964 г.) выпускался в течение 20 лет (1832 машины) и составил основу парка многих авиакомпаний. DC-9 (1965 г.) вначале имел сравнительно небольшую вместимость и дальность полёта. В последующих модификациях оба параметра увеличились. В середине 80-х гг. были созданы DC-9 второго поколения (MD-81, MD-82, MD-87), а в настоящее время выпуск этих лайнеров продолжается под маркой «Боинг-717».
В 60-х гг. одним из немногих исключений из компоновки «двигатели в хвосте» стал «Бэби Боинг» — широко известный теперь «Боинг-737». Фирма настойчиво совершенствовала самолёт (после «737-200» появились новые модификации — от «737-300» до «737-800» включительно); в результате производство машины продолжается более 30 лет (в январе 1998 г. был выпущен 3000-й самолёт). Разумеется, последние модификации достаточно сильно отличаются от первых «Бэби Боингов», вышедших на линии в 1968 г.
К концу 60-х гг. прогресс в двигателестроении позволил создать сверхзвуковой пассажирский самолёт. Разработки начались в США, Европе и СССР. Но лишь англо-французский «Конкорд» после длительных испытаний (с 1969 г.) начал в январе 1976 г. регулярные коммерческие перевозки. Было построено всего 14 машин. Эксплуатация лайнера (128 пассажиров; 4x17 500 кгс; рейсовая скорость 2130 км/ч; дальность полёта 6580 км) продолжалась многие годы по соображениям скорее национального престижа, нежели коммерческой выгоды. «Конкорд» значительно сократил время перелёта из Парижа и Лондона в Нью-Йорк, Вашингтон или Майами, но позволить себе такие путешествия могли только состоятельные люди. В 50—60-х гг. интенсивность полётов значительно возросла. Количество рейсов увеличилось настолько, что аэропорты перестали справляться с их обслуживанием. Порой время ожидания очереди на взлёт превышало время полёта. Интервалы между посадками лайнеров иногда сокращались до 30—40 с, что ставило пилотов и диспетчеров воздушного движения в очень трудные условия. Возрастала вероятность ошибок, последствия которых измерялись десятками и сотнями жертв. Одним из способов снизить напряжённость стало создание лайнеров на 300 и более пассажиров (заодно снижались расходы на одного пассажира). Большая вместимость обеспечивалась, в частности, за счёт «толстого» фюзеляжа — один ряд в самолёте состоял из 10 кресел. Первым из самолётов-гигантов стал знаменитый «Боинг-747» «Джамбо Джет» («Реактивный слон»), появившийся в 1969 г. Ранние модификации «747-го» брали на борт до 450 пассажиров, а позже более мощные двигатели и изменение конструкции позволили довести это число до 560.
Если «747-й» был самолетом для «богатых» авиакомпаний, то «Макдоннелл-Дуглас» и «Локхид» приступили к созданию сравнительно дешёвых трёхмоторных широкофюзеляжных лайнеров. В 1970 г. DC-10 (380 пассажиров) и L-1011 (400 мест) совершили первый полёт и вскоре вышли на линии.
Разразившийся в 1973 г. топливный кризис поставил авиакомпании в трудное положение — как никогда требовались деньги для покупки более экономичных самолётов нового поколения, а прибыли резко сократились. Однако именно в это время консорциум «Эрбас Индастри» (несколько ведущих европейских производителей аэрокосмической техники), полный решимости противопоставить «Боингам» и «Дугласам» самолёты собственной разработки, вышел на рынок широкофюзеляжных лайнеров средней и большой дальности с двухмоторным самолётом А-300. За 350-местным А-300 последовала машина поменьше — А-310, а в середине 80-х гг. консорциум потеснил своими А-320, А-321 и А-319 признанных фаворитов рынка
самолётов малой и средней дальности — «Боинг-737» и DC-9. В конце 80-х «Эрбас» выпустил четырёхмоторный
А-340 и двухмоторный А-330, ставшие конкурентами «Боинга-747» и «Боинга-767»
соответственно.
Начиная с середины 70-х гг. внешний вид лайнеров изменился достаточно мало. Основными
направлениями развития стали совершенствование приборного оборудования, автоматизация,
разработка более экономичных двигателей большой степени двухконтурности (где компрессор
низкого давления превратился в огромный многолопастный вентилятор). Разработчики
самолётов, пользуясь компьютерными средствами (системами автоматизированного
проектирования и моделирования конструкции с точки зрения аэродинамики, прочности и
веса), стремятся сэкономить во всём — ни одного лишнего килограмма веса, минимальное
сопротивление воздуха, широкие возможности для модернизации (самолёт стоит дорого и
должен служить, не устаревая достаточно долго). Счёт в экономии топлива идёт уже не на
проценты, а на доли процентов; снижение массы самолёта на несколько десятков килограммов
(при взлётном весе более сотни тонн!) считается хорошим достижением.
В начале 80-х гг. компания «Боинг» выпустила два новых лайнера, разработанных в
соответствии с этими принципами, — «Боинг-757» и «Бо-инг-767». «767-й» предполагалось
использовать в качестве универсальной машины большой вместимости, способной
обслуживать как дальние, так и средние линии. Оба самолёта имеют большой успех, и их
выпуск (как и «737-го», «747-го») продолжится и в XXI столетии.