Ракете в глубоком космосе не нужен воздух, стартовая площадка или какая‑либо опора, чтобы разгоняться. Она меняет свою скорость, просто избавляясь от части собственной массы. При сгорании топлива образуется поток частиц выхлопа, которые вылетают из двигателя в одном направлении, а ракета в ответ начинает двигаться в противоположную сторону. Всем этим управляет закон сохранения импульса — один из ключевых принципов ньютоновской механики.
Импульс — это произведение массы на скорость, и в изолированной системе его полное значение остается постоянным. Когда находящееся на борту топливо нагревается и выбрасывается наружу в виде струи с большой скоростью, у этой струи появляется импульс, направленный назад, и он должен быть скомпенсирован. Корпус ракеты, ставший легче после выброса части массы, получает импульс вперед так, чтобы векторная сумма импульсов не изменилась. Третий закон Ньютона описывает то же самое взаимодействие как пару равных по модулю и противоположно направленных сил между ракетой и выхлопом, даже если вокруг почти идеальный вакуум.
Малые двигатели‑ориентиры на спутниках используют тот же обмен импульсом, только в более скромных масштабах: короткие выбросы газа позволяют поворачивать аппарат или слегка корректировать орбиту. Инженеры описывают эффективность таких систем с помощью ракетного уравнения и удельного импульса — величин, показывающих, насколько результативно выбрасываемая масса может изменить скорость аппарата. Тысячи килограммов топлива могут исчезнуть из баков, так и не «упершись» ни во что снаружи, но каждый килограмм оставляет свой след в растущей скорости ракеты.
