Полёт в космос - необычайно сложное с технической точки зрения предприятие.

 

Конструкторы сталкиваются с множеством проблем, в частности с опасностью, которую представляют для экипажа и конструкции космического аппарата солнечная радиация, космический мусор и холод межзвёздного вакуума.Первые ракеты были созданы много веков назад в Китае: они использовались как для устройства фейерверков, так и в качестве зажигательных снарядов и снаряжались чёрным порохом. Это изобретение наглядно продемонстрировало, что при успешном инженерном решении и наличии подходящего топлива даже достаточно массивным объектам можно придать внушительное ускорение. Любое тело, оказывающееся в воздухе, стремится упасть на землю. Вплоть до XX века человек не умел уверенно преодолевать эту могучую силу, так что внеземные полёты оставались не более чем фантазией писателей. Первые серьёзные работы в области космического ракетостроения появились лишь во второй половине XIX столетия. 

 Теорию создания ракетных двигателей начал развивать американский инженер и физик Роберт Годцард, который первым испытал ракету на жидком топливе. Вывод ракеты на околоземную орбиту стал одной из самых трудных для науки и тогдашней индустрии задач, ведь чтобы какое-либо тело оторвалось от Земли и попало в космос, требуются поистине огромные ускорения. Только для выхода на околоземную орбиту необходимо достичь показателя в 7,8 км/с, для того, чтобы космический аппарат мог покинуть сферу земного притяжения, - около 11,2 километров в секунду, а чтобы он сумел удалиться за пределы Солнечной системы - не меньше 16,7 километров в секунду. Величина соответствующего ускорения определяется третьим законом механики Ньютона, который гласит, что каждому действию соответствует равное, противоположно направленное противодействие. В стоящей на стартовой площадке ракете необходимая тяга достигается путём интенсивного сжигания топлива. Первый искусственный спутник Земли был выведен в космос Советским Союзом с помощью одноступенчатой ракеты-носителя. 

 Первого человека доставлял на орбиту уже двухступенчатый ракетоноситель «Восток», модификации которого ещё около трёх десятков лет использовались для запуска грузовых аппаратов серии «Космос». Ракета-носитель «Протон» вывела на орбиту груз весом 12 тонн, поставив новый рекорд, который, однако, продержался недолго: примерно тогда же американские «Сатурны» начинали выводить в космос «Аполлоны». Для старта советского космического корабля многоразового использования «Буран» была использована ракета-носитель «Энергия», отрывающая от земли до 105 тонн полезного груза. Первые ракеты приводились в движение твердотопливными двигателями, преимуществом которых была простота конструкции и эксплуатации, огромная удельная мощность, а также лёгкость хранения горючего вещества. Среди недостатков - высокая стоимость и невозможность эффективного контроля тяги после начала горения топлива. Твёрдым топливом в основном служат порох и его производные, а также некоторые соли. 

 Однако сегодня твердотопливные элементы размещают в основном снаружи корпуса ракет, где они служат в качестве одноразовых стартовых ускорителей, помогающих космическому аппарату вырваться из плена земной гравитации, а маршевый двигатель работает на жидком топливе. Это позволяет держать под контролем процесс сгорания, достаточно широко регулируя тягу и мощность двигателя, а сам двигатель может быть выключен и включён снова. Жидким топливом ещё относительно недавно служили различные нефтепродукты, но сейчас для этой цели используют в основном жидкий водород или соединения с ним азота, такие как гидразин. Кроме горючего жидкотопливным двигателям необходим окислитель - вещество, делающее возможным их нормальное функционирование или значительно повышающее эффективность их работы. Топливо и окислитель хранятся в отдельных ёмкостях, и лишь попав через систему труб и турбонасосов в камеру сгорания, смешиваются и взрывоподобно сжигаются. Температура образующегося при этом газа зачастую достигает 3000 градусов С, поэтому камера сгорания и дюзы постоянно охлаждаются с помощью системы тонких трубопроводов. Космический аппарат может быть как пилотируемым, так и автоматическим или управляемым с Земли. 

 В обитаемом отсеке пилотируемого корабля кроме самих членов экипажа обычно размещаются комплекс навигации и связи с центром управления полётом, часть систем жизнеобеспечения, а также некоторые приборы для научных наблюдений и измерений. Но сам корабль является лишь одним из сегментов огромного тела ракеты, большая часть которых представляет собой комбинации топливных баков с ракетным двигателем и вспомогательными системами. После выгорания заключённого в них топлива каждая из этих ступеней автоматически отсоединяется. Типичной ракетой – правильнее говоря, ракетой-носителем - был, например, американский «Сатурн-5», использовавшийся во время первого полёта человека на Луну. Он состоял из трёх расположенных друг над другом цилиндрических сегментов. Первая ступень, называемая разгонной, диаметром 10 метров и высотой 42 метров, вмещала пять двигателей, питаемых керосином и жидким кислородом в качестве окислителя. Вторая ступень при том же диаметре была высотой лишь 25 метров; в ней были размещены пять двигателей, использовавших жидкий кислород и водород. Третья ступень - диаметром 6,5 метров и длиной 18 метров - была оборудована лишь одним двигателем, а на вершине всей конструкции располагался пилотируемый космический корабль серии «Аполлон». Полёты в космос были невозможны до изобретения ракетных двигателей: лишь ракетная тяга может привести в движение космический корабль в вакууме. Сходным по принципу действия реактивным двигателям, используемым в авиации, для работы необходим атмосферный кислород.