Двигатель выбрасывает горячий газ назад, и сохранение импульса ускоряет аппарат вперёд. В вакууме сопло даже эффективнее расширяет газ.
На старте тяга должна превысить вес. Ракета сначала поднимается вертикально, чтобы уйти от плотной атмосферы, затем постепенно наклоняется. Цель — набрать горизонтальную скорость: низкая орбита представляет собой непрерывное падение мимо кривизны Земли.
Зачем нужны ступени
Уравнение Циолковского связывает изменение скорости со скоростью истечения и отношением начальной массы к конечной. Пустые баки и двигатели становятся грузом, поэтому ступень отделяют и следующая разгоняет меньшую массу.
Пересечь условную линию Кармана на 100 километрах недостаточно для орбиты. Без примерно 7,8 км/с горизонтальной скорости аппарат вскоре упадёт. Реальной ракете требуется больше из-за гравитационных и аэродинамических потерь.
Орбита — это задача об энергии и направлении
Вертикальный подъём занимает лишь начало полёта. Если продолжать разгон только вверх, двигатель потратит топливо против тяжести, а аппарат после выключения вернётся вниз. Поворот по программе тангажа переводит тягу в горизонтальное ускорение; к концу выведения именно боковая скорость позволяет поверхности Земли всё время уходить из-под падающего аппарата.
Траекторию выбирают как компромисс. Слишком ранний наклон увеличивает сопротивление в плотном воздухе, слишком поздний — гравитационные потери. Ограничения прочности, нагрева и допустимого ускорения меняют режим работы двигателей. Поэтому одинаковая конечная орбита может достигаться разными профилями, а запас скорости включает не только идеальную орбитальную величину.
Ракета движется не потому, что выхлоп отталкивается от воздуха. Тяга возникает при выбросе массы и сохранении импульса. Ступени отбрасывают лишнюю конструкционную массу.
Наведение контролирует направление тяги, а обтекатель защищает полезную нагрузку до разреженной атмосферы. Финальная ступень выводит аппарат на расчётную траекторию. Взлёт выглядит вертикальным, но успех орбитальной ракеты измеряется прежде всего скоростью и точностью.