Ракетный двигатель выбрасывает массу топлива назад со скоростью в несколько километров в секунду. Именно эта скорость истечения задает фундаментальный предел эффективности через закон сохранения импульса и ракетное уравнение. Двигатель превращает запас химической энергии в кинетическую энергию выхлопа и самой ракеты. Цифры выглядят впечатляюще, но конечный прирост скорости оказывается довольно скромным.
Во время набора высоты энергетический баланс почти полностью определяется постоянной работой против гравитационного притяжения и сопротивления атмосферы. Тяга сначала должна просто уравновесить собственный вес ракеты, а затем превысить его, чтобы она начала подниматься. Огромная доля топлива сгорает фактически на «удержание» ракеты от падения, компенсируя потери на гравитацию, вместо того чтобы разгонять аппарат до орбитальной скорости. Дополнительные потери возникают из‑за аэродинамического сопротивления в плотных слоях воздуха: механическая энергия уходит в нагрев воздуха вокруг ракеты.
Лишь когда аппарат поднимается выше основной массы атмосферы и переходит к длительному горизонтальному участку разгона, большая часть оставшейся энергии начинает идти в увеличение тангенциальной скорости. Даже в этом режиме ограничение по скорости истечения выхлопа приводит к тому, что каждый дополнительный килограмм топлива дает все меньший прирост скорости. В итоге система, которая выглядит как сверхэффективный высокотехнологичный двигатель, на деле большую часть времени работает как грубая силовая «лифтовая» установка, выталкивающая груз из гравитационной ямы.
