דוחפים בלי להישען על כלום
טיל לא דוחף את הקרקע או את האוויר. הוא פועל הכי טוב בחלל הריק. הוא זורק מסה, את הדלק הבוער שלו, החוצה מהנחיר במהירות עצומה, ושאר הטיל נדחף לכיוון ההפוך, כמו רוכב סקייטבורד שזורק לאחור תיק כבד ומתגלגל קדימה. ככל שהגז יוצא מהר יותר, כל קילוגרם דוחף חזק יותר. המהירות הזאת, מהירות הפליטה, היא הנתון החשוב ביותר של מנוע רקטי.
כדי להיכנס למסלול ממש מעל האטמוספרה, חללית צריכה לנוע הצידה במהירות של כ־7.8 קילומטרים בשנייה, מהר מספיק כדי שבזמן שהיא נופלת לעבר כדור הארץ, הקרקע תתעקל ותתרחק מתחתיה. הטיפוס דרך האוויר ונגד כוח הכובד עולה עוד כ־1.5 km/s, ולכן משגר צריך לצבור בסך הכול כ־9.4 km/s.
משוואת הטיל
וכאן המלכוד. בהמראה, כל קילוגרם של גזי פליטה צריך לדחוף לא רק את המטען אלא גם את כל הדלק שעוד מחכה לבעור. מאוחר בטיסה, כשהמכלים כמעט ריקים, אותו קילוגרם דוחף הרבה פחות מסה ומוסיף הרבה יותר מהירות. סכום כל הדחיפות האלה נותן את משוואת הטיל, שניסח קונסטנטין ציולקובסקי בשנת 1903:
Δv = vₑ × ln(m₀ ÷ m_f)
Δv היא המהירות שנצברה, vₑ מהירות הפליטה, m₀ המסה כשהטיל מלא בדלק ו־m_f המסה אחרי שהדלק נגמר. הלוגריתם הטבעי, ln, הוא מה שהופך את בניית הטילים לקשה כל כך. בכל פעם שמכפילים את היחס בין המסה המלאה למסה הריקה, מרוויחים אותה תוספת מהירות קבועה, ולא יותר. כדי להגיע למהירות של פי שלושה ממהירות הפליטה, טיל צריך להתחיל כבד פי עשרים ממה שהוא מסיים, כלומר 95 % ממנו חייבים להיות דלק.
למה טילים בנויים בשלבים
המכלים והמנועים של טיל צריכים להיות גדולים וחזקים מספיק לכל הדלק שבהמראה. אחרי שרובו נשרף, המבנה הריק הזה הוא משקל מת שיתרת הדלק צריכה להמשיך לדחוף. לכן טילים נבנים כערימה של טילים קטנים יותר. כשהשלב התחתון מתרוקן, הוא נושר יחד עם המכלים הריקים והמנועים הכבדים שלו, והשלב הבא מתחיל לפעול בטיל קל בהרבה.
נסו: כוונו את מהירות הפליטה לקרוסין, שנו את מספר השלבים מ־1 ל־2, ובחרו פועל תחת הצגת המשוואה. אותו דלק, מחולק לשניים, מגיע עכשיו לקו המסלול.
בסצנה, טיל קרוסין בשלב אחד שהוא 88 % דלק מגיע לכ־6.8 km/s, רחוק מהיעד. חלקו את אותו דלק ואותו מבנה לשני שלבים, והמהירות בסוף הבעירה עולה לכ־9.4 km/s; שלושה שלבים נותנים כ־10.2. כל שלב נוסף עוזר פחות מקודמו, וכל אחד מוסיף מנועים, מנגנוני הפרדה ודברים שיכולים להשתבש, ולכן רוב המשגרים כיום משתמשים בשני שלבים, לפעמים עם רקטות האצה מוצמדות בצדדים.
פליטה מהירה יותר
הדרך האחרת להשיג יותר מהירות היא דלק טוב יותר. מנועי דלק מוצק, כמו זיקוקים גדולים, פשוטים ונותנים דחיפה אדירה, אבל הפליטה שלהם יוצאת במהירות של כ־2.5 עד 2.8 km/s בלבד. קרוסין שבוער עם חמצן נוזלי מגיע לכ־3.0 עד 3.3 km/s. מימן נוזלי עם חמצן נוזלי נותן כ־4.4 km/s, הטוב ביותר מכל טיל כימי שנמצא בשימוש שגרתי. המימן קל כל כך שהוא דורש מכלים ענקיים ומבודדים שנשמרים ב־−253 °C, וזה מכביד על המבנה ומבטל חלק מהרווח. בסצנה, שלב מימן יחיד עובר את קו המסלול כשהוא בערך 89 % דלק. אף טיל עוד לא הגיע למסלול בשלב יחיד, כי מכלים, מנועים והפסדים אמיתיים משאירים מרווח קטן מדי.
מה המודל הזה משמיט
המהירות המוצגת היא המהירות האידאלית לפי משוואת הטיל, כאילו הטיל נמצא בחלל ריק. המחיר של הטיפוס נגד כוח הכובד ושל הדחיפה דרך האוויר אינו מדומה; במקום זאת הוא מתווסף ליעד כהקצבה גסה. מהירות הפליטה האמיתית נמוכה יותר בגובה פני הים מאשר בריק, ושלבים אמיתיים משתמשים במנועים ובסוגי דלק שונים. השלבים כאן מתוכננים לפי כלל פשוט, כל אחד באותה כפולה של המסה שהוא נושא, והם מצוירים קצרים או ארוכים מכפי שהיו באמת, כדי שהשלבים העליונים הקטנים יישארו גלויים. השיגור, השלבים הנופלים, העננים, משב האוויר והשמיים שמחשיכים בדרך לחלל מצוירים כדי להראות את סדר האירועים, לא גבהים, זמנים או מרחקים אמיתיים, וההחזקה על כן השיגור נמשכת יותר מכמה השניות שהיא נמשכת במציאות.