เชื้อเพลิงจรวดถูกใช้เป็นมวลปฏิกิริยาที่ถูกปล่อยออกมาจากเครื่องยนต์จรวดเพื่อสร้างแรงขับพลังงานที่ต้องการอาจมาจากเชื้อเพลิงเอง เช่นเดียวกับจรวดเคมีหรือมาจากแหล่งภายนอก เช่นเดียวกับเครื่องยนต์ไอออน

จรวดสร้างแรงขับโดยการผลักมวล ออก ไปด้านหลังด้วยความเร็วสูง แรงขับที่เกิดขึ้นสามารถคำนวณได้โดยการคูณอัตราการไหลของมวลเชื้อเพลิงด้วยความเร็วไอเสียสัมพัทธ์กับจรวด ( แรงดลจำเพาะ ) อาจคิดได้ว่าจรวดถูกเร่งความเร็วโดยแรงดันของก๊าซที่เผาไหม้ซึ่งกระทำต่อห้องเผาไหม้และหัวฉีดไม่ใช่โดยการ "ผลัก" อากาศด้านหลังหรือด้านล่าง เครื่องยนต์จรวดทำงานได้ดีที่สุดในอวกาศเนื่องจากไม่มีแรงดันอากาศภายนอกเครื่องยนต์ ในอวกาศยังสามารถติดตั้งหัวฉีดที่ยาวขึ้นได้โดยไม่เกิดปัญหาการ แยกตัวของกระแสลม

เชื้อเพลิงเคมีส่วนใหญ่ปลดปล่อยพลังงานผ่านปฏิกิริยาเคมีรีดอกซ์โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเผาไหม้ดังนั้นจึงต้องมีทั้งสารออกซิไดซ์และสารรีดิวซ์ (เชื้อเพลิง) อยู่ในส่วนผสม การสลายตัว เช่น การสลายตัวของ พันธะ เปอร์ออกไซด์ ที่ไม่เสถียรอย่างมาก ใน จรวด เชื้อเพลิงเดี่ยวก็สามารถเป็นแหล่งพลังงานได้เช่นกัน

ในกรณีของ จรวดเชื้อเพลิงเหลว แบบสององค์ประกอบ ส่วนผสมของเชื้อเพลิงรีดิวซิงและออกซิไดเซอร์จะถูกป้อนเข้าไปในห้องเผาไหม้โดยทั่วไปจะใช้ปั๊มเทอร์โบเพื่อเอาชนะแรงดัน เมื่อเกิดการเผาไหม้มวล เชื้อเพลิงเหลว จะเปลี่ยนเป็นก๊าซปริมาณมากที่อุณหภูมิและความดันสูง กระแสก๊าซนี้จะถูกพ่นออกจากหัวฉีดของเครื่องยนต์ด้วยความเร็วสูง สร้างแรงต้านที่ผลักดันจรวดไปข้างหน้าตามกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

จรวดเคมีสามารถแบ่งกลุ่มตามสถานะได้ จรวดเชื้อเพลิงแข็งใช้เชื้อเพลิงในสถานะของแข็งจรวดเชื้อเพลิงเหลวใช้เชื้อเพลิงในสถานะของเหลวจรวดเชื้อเพลิงก๊าซใช้เชื้อเพลิงในสถานะก๊าซและจรวดไฮบริดใช้เชื้อเพลิงทั้งของแข็งและของเหลวหรือก๊าซผสมกัน

ในกรณีของเครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงแข็ง เชื้อเพลิงและตัวออกซิไดเซอร์จะถูกผสมเข้าด้วยกันในขั้นตอนการหล่อเครื่องยนต์ การเผาไหม้ของเชื้อเพลิงเกิดขึ้นภายในตัวเรือนเครื่องยนต์ ซึ่งต้องสามารถทนต่อแรงดันที่เกิดขึ้นได้ จรวดเชื้อเพลิงแข็งโดยทั่วไปจะมีแรงขับสูงกว่าแรงดลจำเพาะ น้อย กว่า ระยะเวลาการเผาไหม้สั้นกว่า และมีมวลมากกว่าจรวดเชื้อเพลิงเหลว นอกจากนี้ยังไม่สามารถหยุดได้เมื่อจุดติดแล้ว

ในอวกาศการเปลี่ยนแปลงความเร็ว สูงสุด ที่แต่ละส่วนของจรวดสามารถส่งให้แก่สัมภาระได้นั้น ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนมวลและความเร็วของไอเสีย ความสัมพันธ์นี้อธิบายได้ด้วยสมการจรวดความเร็วของไอเสียขึ้นอยู่กับเชื้อเพลิงและเครื่องยนต์ที่ใช้ และมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับแรงขับจำเพาะซึ่งเป็นพลังงานทั้งหมดที่ส่งไปยังยานจรวดต่อหน่วยมวลของเชื้อเพลิงที่ใช้ไป อัตราส่วนมวลก็อาจได้รับผลกระทบจากการเลือกใช้เชื้อเพลิงด้วยเช่นกัน

จรวดที่บินผ่านชั้นบรรยากาศมักใช้เชื้อเพลิงที่มีมวลโมเลกุลสูง ความหนาแน่นสูง ประสิทธิภาพต่ำ เนื่องจากต้องการถังเชื้อเพลิงที่มีขนาดเล็กและน้ำหนักเบากว่า ส่วนบนของจรวดซึ่งส่วนใหญ่หรือเฉพาะในสุญญากาศของอวกาศ มักใช้ เชื้อเพลิง ไฮโดรเจนเหลวที่ มีพลังงานสูง ประสิทธิภาพสูง และความหนาแน่นต่ำ สำหรับภารกิจสำรวจดาวเคราะห์ในอนาคต มีการพิจารณาใช้ทรัพยากรในพื้นที่และพลังงานแสงอาทิตย์สำหรับการผลิตเชื้อเพลิงในพื้นที่^{[ 1 ]}

เชื้อเพลิงแข็งมีสองประเภทหลัก "สารประกอบ" ส่วนใหญ่เป็นส่วนผสมของเม็ดสารออกซิไดเซอร์แข็ง เช่นแอมโมเนียมไนเตรต แอมโมเนียมไดไนตราไมด์ แอมโมเนียมเปอร์คลอเรตหรือโพแทสเซียมไนเตรตในสารยึดเกาะโพลีเมอร์ ร่วมกับเกล็ดหรือผงของสารประกอบเชื้อเพลิงพลังงานสูง เช่นRDX , HMX , อะลูมิเนียม หรือเบริลเลียม อาจมีการเติมสารทำให้พลาสติกอ่อนตัว สารทำให้คงตัว และสารปรับอัตราการเผาไหม้ (เช่น เหล็กออกไซด์หรือทองแดงออกไซด์) เข้าไปด้วย

สารผสมฐานเดี่ยว ฐานคู่ หรือฐานสามชนิด เป็นส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกันของส่วนประกอบหลักหนึ่งถึงสามชนิด ซึ่งต้องมีเชื้อเพลิงและสารออกซิไดเซอร์ และมักมีสารยึดเกาะและสารเพิ่มความยืดหยุ่นรวมอยู่ด้วย ส่วนประกอบทั้งหมดไม่สามารถแยกแยะได้ด้วยตาเปล่า และมักผสมในรูปของเหลวและทำให้แข็งตัวในขั้นตอนเดียว ส่วนประกอบบางอย่างอาจมีบทบาทหลายอย่าง เช่น RDX เป็นทั้งเชื้อเพลิงและสารออกซิไดเซอร์ ในขณะที่ไนโตรเซลลูโลสเป็นทั้งเชื้อเพลิง สารออกซิไดเซอร์ และพอลิเมอร์โครงสร้าง

สารขับดันหลายชนิดประกอบด้วยส่วนประกอบของสารขับดันแบบสองฐานและแบบผสม และมักมีสารเติมแต่งพลังงานผสมอยู่เป็นเนื้อเดียวกันในสารยึดเกาะ ในกรณีของดินปืน (ซึ่งเป็นวัสดุผสมอัดแน่นโดยไม่มีสารยึดเกาะโพลีเมอร์) เชื้อเพลิงคือถ่าน สารออกซิไดเซอร์คือโพแทสเซียมไนเตรต และกำมะถันทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาและยังถูกใช้ไปในการสร้างผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยา เช่นโพแทสเซียมซัลไฟด์

เชื้อเพลิงแข็งไนตรามีนรุ่นใหม่ล่าสุดที่ใช้CL-20 (HNIW)สามารถเทียบเท่าประสิทธิภาพกับ เชื้อเพลิงเหลวแบบเก็บรักษาได้ NTO / UDMHแต่ไม่สามารถควบคุมปริมาณหรือเริ่มต้นการพ่นใหม่ได้

กำลังมีการสำรวจการผลิตในสถานที่นอกโลกโดยการผสมผสานอะลูมิเนียมและน้ำแข็ง ( ALICE )

จรวดเชื้อเพลิงแข็งนั้นจัดเก็บและจัดการได้ง่ายกว่าจรวดเชื้อเพลิงเหลวมาก ความหนาแน่นของเชื้อเพลิงสูงยังทำให้มีขนาดกะทัดรัดอีกด้วย คุณสมบัติเหล่านี้ รวมถึงความเรียบง่ายและต้นทุนต่ำ ทำให้จรวดเชื้อเพลิงแข็งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานทางทหาร

ความเรียบง่ายของจรวดเชื้อเพลิงแข็งทำให้เป็นตัวเลือกที่ดีเมื่อต้องการแรงขับจำนวนมากและต้นทุนเป็นปัจจัยสำคัญ ยานอวกาศสเปซชัตเติล และ ยานปล่อยขึ้น สู่ วงโคจรอื่นๆ อีกมากมายใช้จรวดเชื้อเพลิงแข็งในขั้นตอนการเร่งความเร็ว ( จรวดเชื้อเพลิงแข็ง ) ด้วยเหตุผลนี้

จรวดเชื้อเพลิงแข็งมีแรงขับจำเพาะ ต่ำกว่า จรวดเชื้อเพลิงเหลวซึ่งเป็นการวัดประสิทธิภาพของเชื้อเพลิง^{[ 2 ]}ส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมของขั้นบนที่เป็นเชื้อเพลิงแข็งต่ำกว่าขั้นบนที่เป็นเชื้อเพลิงเหลว แม้ว่าอัตราส่วนมวลของเชื้อเพลิงแข็งมักจะอยู่ในช่วง 0.91 ถึง 0.93 ซึ่งดีเท่าหรือดีกว่าขั้นบนที่เป็นเชื้อเพลิงเหลวส่วนใหญ่ อัตราส่วนมวลสูงที่เป็นไปได้สำหรับขั้นบนที่เป็นเชื้อเพลิงแข็งแบบไม่แบ่งส่วนเหล่านี้เป็นผลมาจากความหนาแน่นของเชื้อเพลิงสูงและอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักของปลอกหุ้มที่สูงมาก

ข้อเสียของจรวดเชื้อเพลิงแข็งคือไม่สามารถควบคุมแรงขับได้แบบเรียลไทม์ แม้ว่าจะสามารถสร้างตารางแรงขับที่ตั้งโปรแกรมไว้ได้โดยการปรับรูปทรงภายในของเชื้อเพลิงก็ตาม จรวดเชื้อเพลิงแข็งสามารถระบายไอเสียเพื่อดับการเผาไหม้หรือลดแรงขับเพื่อควบคุมระยะทางหรือรองรับการแยกส่วนของจรวด การหล่อเชื้อเพลิงในปริมาณมากต้องอาศัยความสม่ำเสมอและความสามารถในการทำซ้ำเพื่อหลีกเลี่ยงรอยแตกและช่องว่างในมอเตอร์ที่เสร็จสมบูรณ์ การผสมและการหล่อเกิดขึ้นภายใต้การควบคุมของคอมพิวเตอร์ในสภาวะสุญญากาศ และส่วนผสมของเชื้อเพลิงจะถูกกระจายให้บางและตรวจสอบเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีฟองก๊าซขนาดใหญ่เข้าไปในมอเตอร์

จรวดเชื้อเพลิงแข็งไม่ทนต่อรอยแตกและช่องว่าง และจำเป็นต้องมีการตรวจสอบหลังการผลิต เช่น การสแกนด้วยรังสีเอ็กซ์ เพื่อระบุข้อบกพร่อง กระบวนการเผาไหม้ขึ้นอยู่กับพื้นที่ผิวของเชื้อเพลิง ช่องว่างและรอยแตกแสดงถึงการเพิ่มขึ้นของพื้นที่ผิวการเผาไหม้ในบริเวณนั้น ทำให้เพิ่มอุณหภูมิในบริเวณนั้น ซึ่งส่งผลให้เพิ่มอัตราการเผาไหม้ในบริเวณนั้น วงจรป้อนกลับเชิงบวกนี้สามารถนำไปสู่ความเสียหายร้ายแรงของตัวถังหรือหัวฉีดได้ง่าย

ดินปืนซึ่งสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงจรวดแข็ง ได้รับการพัฒนาขึ้นในช่วงศตวรรษที่ 7 โดยราชวงศ์ซ่งของ จีน อาวุธดินปืนถูกนำมาใช้ครั้งแรกในปี 732 ระหว่างการล้อมเมืองไคเฟิง^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

ในช่วงทศวรรษ 1950 และ 1960 นักวิจัยในสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาเชื้อเพลิงผสมแอมโมเนียมเปอร์คลอเรต (APCP) ส่วนผสมนี้โดยทั่วไปประกอบด้วยแอมโมเนียมเปอร์คลอเรตบด ละเอียด 69-70% (สารออกซิไดเซอร์) ผสมกับ ผงอะลูมิเนียมละเอียด 16-20% (เชื้อเพลิง) โดยมีฐานเป็นโพลีบิวทาไดอีนอะคริโลไนไตรล์ (PBAN) หรือโพลีบิวทาไดอีนที่มีหมู่ไฮดรอกซิลที่ปลาย (เชื้อเพลิงยางโพลีบิวทาไดอีน) 11-14% ส่วนผสมนี้ถูกทำให้เป็นของเหลวข้นแล้วหล่อขึ้นรูปเป็นรูปร่างที่ถูกต้องและทำให้แข็งตัวเป็นของแข็งที่รับน้ำหนักได้แต่มีความยืดหยุ่น ในอดีตจำนวนเชื้อเพลิงแข็ง APCP ค่อนข้างน้อย อย่างไรก็ตาม กองทัพใช้เชื้อเพลิงแข็งหลายประเภท ซึ่งบางประเภทมีประสิทธิภาพเหนือกว่า APCP การเปรียบเทียบแรงขับจำเพาะสูงสุดที่ได้จากส่วนผสมเชื้อเพลิงแข็งและของเหลวต่างๆ ที่ใช้ในยานปล่อยจรวดในปัจจุบันมีอยู่ในบทความเกี่ยวกับจรวดเชื้อเพลิงแข็ง^{[ 8 ]}

ในช่วงทศวรรษ 1970 และ 1980 สหรัฐอเมริกาเปลี่ยนมาใช้ขีปนาวุธข้ามทวีปแบบเชื้อเพลิงแข็งทั้งหมด ได้แก่LGM-30 MinutemanและLG-118A Peacekeeper (MX) ในช่วงทศวรรษ 1980 และ 1990 สหภาพโซเวียต/รัสเซียก็ใช้งานขีปนาวุธข้ามทวีปแบบเชื้อเพลิงแข็งเช่นกัน ( RT-23 , RT-2PMและRT-2UTTH ) แต่ยังคงใช้ขีปนาวุธข้ามทวีปแบบเชื้อเพลิงเหลวอยู่สองรุ่น ( R-36และUR-100N ) ขีปนาวุธข้ามทวีปแบบเชื้อเพลิงแข็งทั้งหมดของทั้งสองฝ่ายมีส่วนประกอบเชื้อเพลิงแข็งสามส่วนในขั้นต้น และขีปนาวุธที่มีหัวรบหลายหัวที่สามารถกำหนดเป้าหมายได้อย่างอิสระจะมีส่วนลำตัวที่สามารถควบคุมทิศทางได้อย่างแม่นยำเพื่อปรับวิถีการโคจรของหัวรบให้เหมาะสม

จรวดเชื้อเพลิงเหลวมีแรงขับจำเพาะ สูง กว่าจรวดเชื้อเพลิงแข็ง และสามารถควบคุมกำลังขับเคลื่อน ปิดระบบ และเริ่มต้นใหม่ได้ เฉพาะห้องเผาไหม้ของจรวดเชื้อเพลิงเหลวเท่านั้นที่ต้องทนต่อแรงดันและอุณหภูมิสูง การระบายความร้อนสามารถทำได้โดยการใช้เชื้อเพลิงเหลวหมุนเวียน ในยานที่ใช้ปั๊มเทอร์โบถังเชื้อเพลิงจะมีแรงดันต่ำกว่าห้องเผาไหม้ ทำให้มวลของถังลดลง ด้วยเหตุผลเหล่านี้ ยานปล่อยขึ้นสู่วงโคจรส่วนใหญ่จึงใช้เชื้อเพลิงเหลว

ข้อได้เปรียบหลักด้านแรงขับจำเพาะของเชื้อเพลิงเหลวเกิดจากการมีสารออกซิไดเซอร์ประสิทธิภาพสูงให้เลือกใช้ สารออกซิไดเซอร์เหลวที่ใช้งานได้จริงหลายชนิด ( ออกซิเจนเหลวไดไนโตรเจนเตตระออกไซด์และไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ) มีแรงขับจำเพาะดีกว่าแอมโมเนียมเปอร์คลอเรตที่ใช้ในจรวดเชื้อเพลิงแข็งส่วนใหญ่ เมื่อใช้ร่วมกับเชื้อเพลิงที่เหมาะสม

ก๊าซบางชนิด โดยเฉพาะออกซิเจนและไนโตรเจน อาจสามารถเก็บรวบรวมจากชั้นบรรยากาศด้านบนและถ่ายโอนขึ้นไปยังวงโคจรต่ำของโลกเพื่อใช้ในคลังเชื้อเพลิงได้ในราคาที่ลดลงอย่างมาก^{[ 9 ]}

ปัญหาหลักของเชื้อเพลิงเหลวก็คือสารออกซิไดเซอร์ สารออกซิไดเซอร์ที่เก็บรักษาได้ เช่นกรดไนตริกและไนโตรเจนเตตระออกไซด์มักเป็นพิษอย่างมากและมีปฏิกิริยาสูง ในขณะที่เชื้อเพลิงแช่แข็งตามนิยามแล้วจะต้องเก็บรักษาที่อุณหภูมิต่ำและอาจมีปัญหาเรื่องปฏิกิริยา/ความเป็นพิษ เช่นกัน ออกซิเจนเหลว (LOX) เป็นสารออกซิไดเซอร์แช่แข็งเพียงชนิดเดียวที่ใช้ในการบิน สารอื่นๆ เช่น FLOX ซึ่ง เป็นส่วนผสมของ ฟลูออรีน /LOX ไม่เคยถูกนำมา ใช้ ในการบินเนื่องจากความไม่เสถียร ความเป็นพิษ และการระเบิด^{[ 10 ]}มีการเสนอสารออกซิไดเซอร์อื่นๆ ที่ไม่เสถียร มีพลังงานสูง และเป็นพิษหลายชนิด ได้แก่โอโซน เหลว (O ₃ ), ClF ₃และClF ₅

จรวดที่ใช้เชื้อเพลิงเหลวจำเป็นต้องใช้ชิ้นส่วนวาล์ว ซีล และปั๊มเทอร์โบ ซึ่งอาจก่อให้เกิดปัญหาได้ ทำให้ต้นทุนของยานปล่อยจรวดสูงขึ้น ปั๊มเทอร์โบนั้นก่อให้เกิดปัญหาเป็นพิเศษเนื่องจากต้องการประสิทธิภาพสูง

• ออกซิเจนเหลว (LOX) และน้ำมันก๊าด บริสุทธิ์สูง ( RP-1 ) ถูกนำมาใช้ในขั้นตอนแรกของจรวดAtlas V , Falcon 9 , Falcon Heavy , Soyuz , Zenit , AngaraและLong March 6เป็นต้น ส่วนผสมนี้ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นส่วนผสมที่ใช้งานได้จริงที่สุดสำหรับจรวดที่ขึ้นบินจากระดับพื้นดินและต้องทำงานที่ความดันบรรยากาศเต็มที่
• ออกซิเจนเหลว (LOX) และไฮโดรเจนเหลวใช้ในขั้นบนของจรวดเซนทอร์ (Centaur upper stage) , จรวดเดลต้า IV (Delta IV) , จรวด H-IIA , ขั้นส่วนใหญ่ของ จรวด อาริแอน 5 ของยุโรป และขั้นแกนและขั้นบนของระบบปล่อยจรวดอวกาศ (Space Launch System )
• LOX และมีเทนเหลว (จากก๊าซธรรมชาติเหลว ) ถูกนำมาใช้ในจรวดZhuque-2 , Vulcan , New Glenn , SpaceX Starshipและมีแผนจะใช้กับจรวดที่อยู่ระหว่างการพัฒนาอีกหลายลำ รวมถึงSoyuz-7และRocket Lab Neutronด้วย

• ไดไนโตรเจนเตตระออกไซด์ (N₂O₄ _{) และ}ไฮดราซีน (N₂H₄ ₎หรือ_MMHหรือUDMHใช้ในจรวดทางทหาร จรวดโคจร และจรวดอวกาศลึก เนื่องจากของเหลวทั้งสองชนิดสามารถเก็บรักษาได้เป็นเวลานานที่อุณหภูมิและความดันที่เหมาะสม N₂O₄ / UDMHเป็น_{เชื้อเพลิง}หลัก_{สำหรับ}จรวดProton จรวด Long Marchรุ่นเก่า(LM 1-4) PSLV Fregatและ ส่วนบนของจรวด Briz - Mส่วนผสมนี้เป็นแบบไฮเปอร์โกไลต์ทำให้ลำดับการจุดระเบิดง่ายอย่างน่าสนใจ ข้อเสียที่สำคัญคือเชื้อเพลิงเหล่านี้มีพิษสูงและต้องจัดการอย่างระมัดระวัง
• เชื้อเพลิงชนิด โมโนโพรเพลแลนต์ เช่นไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ไฮดราซีนและไนตรัสออกไซด์ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการควบคุมทิศทางและการรักษาระดับวงโคจร ของยานอวกาศ เนื่องจากความสามารถในการเก็บรักษาในระยะยาว ความเรียบง่ายในการใช้งาน และความสามารถในการให้แรงขับเล็กน้อยที่จำเป็นนั้น มีข้อดีมากกว่าแรงขับจำเพาะที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงชนิดไบโพรเพลแลนต์ นอกจากนี้ ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ยังใช้ในการขับเคลื่อนปั๊มเทอร์โบในขั้นแรกของยานปล่อยโซยุซอีกด้วย

ความเร็วไอเสียตามทฤษฎีของเคมีเชื้อเพลิงที่กำหนดจะแปรผันตรงกับพลังงานที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยมวลเชื้อเพลิง (พลังงานจำเพาะ) ในจรวดเคมี เชื้อเพลิงหรือสารออกซิไดเซอร์ที่เผาไหม้ไม่หมดแสดงถึงการสูญเสียพลังงานศักยภาพทางเคมีซึ่งลดพลังงานจำเพาะลงอย่างไรก็ตาม จรวดส่วนใหญ่ใช้ส่วนผสมเชื้อเพลิงที่มีปริมาณมาก ซึ่งส่งผลให้ความเร็วไอเสียตามทฤษฎีลดลง^{[ 11 ]}

อย่างไรก็ตาม ส่วนผสมเชื้อเพลิงที่เข้มข้นยังมี อนุภาคไอเสียที่ มีมวลโมเลกุล ต่ำกว่า หัวฉีดของจรวดจะแปลงพลังงานความร้อนของเชื้อเพลิงให้เป็นพลังงานจลน์ ที่กำหนดทิศทาง การแปลงนี้เกิดขึ้นในเวลาที่เชื้อเพลิงไหลจากห้องเผาไหม้ผ่านคอเครื่องยนต์และออกทางหัวฉีด ซึ่งโดยปกติจะใช้เวลาประมาณหนึ่งมิลลิวินาที โมเลกุลจะเก็บพลังงานความร้อนไว้ในรูปของการหมุน การสั่น และการเคลื่อนที่ ซึ่งมีเพียงการเคลื่อนที่เท่านั้นที่สามารถนำมาใช้เพิ่มพลังงานให้กับจรวดได้ง่าย โมเลกุลที่มีอะตอมน้อยกว่า (เช่นCOและ H2 ₎จะมีโหมดการสั่นและการหมุน ที่ใช้ได้น้อย กว่าโมเลกุลที่มีอะตอมมากกว่า (เช่น CO2 _และ H2O ₎ดังนั้น โมเลกุลขนาดเล็กจึงเก็บพลังงานการสั่นและการหมุน ได้น้อยกว่า สำหรับปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้าไป ทำให้มีพลังงานการเคลื่อนที่เหลืออยู่มากขึ้นเพื่อแปลงเป็นพลังงานจลน์ การปรับปรุงประสิทธิภาพของหัวฉีดที่เกิดขึ้นนั้นมีขนาดใหญ่พอที่เครื่องยนต์จรวดจริงจะปรับปรุงความเร็วไอเสียจริงได้โดยการใช้ส่วนผสมที่เข้มข้นด้วยความเร็วไอเสียตามทฤษฎีที่ต่ำกว่าเล็กน้อย^{[ 11 ]}

ผลกระทบของน้ำหนักโมเลกุลของไอเสียต่อประสิทธิภาพของหัวฉีดนั้นมีความสำคัญมากที่สุดสำหรับหัวฉีดที่ทำงานใกล้ระดับน้ำทะเล จรวดขยายตัวสูงที่ทำงานในสุญญากาศจะได้รับผลกระทบน้อยกว่ามาก ดังนั้นจึงใช้เชื้อเพลิงในปริมาณที่น้อยกว่า

จรวด LOX/ไฮโดรคาร์บอนจะทำงานโดยมีส่วนผสมของเชื้อเพลิงมากเกินไปเล็กน้อย (อัตราส่วนมวล O/F เท่ากับ 3 แทนที่จะเป็นอัตราส่วนทางเคมีที่ 3.4 ถึง 4) เนื่องจากพลังงานที่ปลดปล่อยต่อหน่วยมวลจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่ออัตราส่วนของส่วนผสมเบี่ยงเบนจากอัตราส่วนทางเคมี จรวด LOX/LH2 _จะทำงานโดยมีส่วนผสมของเชื้อเพลิงมากเกินไป (อัตราส่วนมวล O/F เท่ากับ 4 แทนที่จะเป็นอัตราส่วนทางเคมีที่ 8) เนื่องจากไฮโดรเจนมีน้ำหนักเบามาก ทำให้พลังงานที่ปลดปล่อยต่อหน่วยมวลของเชื้อเพลิงลดลงช้ามากเมื่อมีไฮโดรเจนเพิ่มเข้าไป อันที่จริง จรวด LOX/LH2 _โดยทั่วไปจะถูกจำกัดในเรื่องความเข้มข้นของส่วนผสมเชื้อเพลิงด้วยผลเสียต่อประสิทธิภาพของมวลของถังไฮโดรเจนที่เพิ่มเข้ามา แทนที่จะเป็นเคมีพื้นฐาน^{[ 11 ]}

อีกเหตุผลหนึ่งที่ต้องใช้เชื้อเพลิงมากเกินไปคือ เชื้อเพลิงที่ไม่อยู่ในอัตราส่วนที่เหมาะสมจะเผาไหม้ได้เย็นกว่าเชื้อเพลิงที่อยู่ในอัตราส่วนที่เหมาะสม ทำให้ระบายความร้อนของเครื่องยนต์ได้ง่ายขึ้น เนื่องจากผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ที่มีเชื้อเพลิงมากเกินไปมีปฏิกิริยาทางเคมีน้อยกว่า ( กัดกร่อนน้อยกว่า ) ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ที่มีสารออกซิไดเซอร์มากเกินไป เครื่องยนต์จรวดส่วนใหญ่จึงถูกออกแบบมาให้ใช้เชื้อเพลิงมากเกินไป อย่างน้อยก็มีข้อยกเว้นอยู่หนึ่งอย่าง คือ เครื่องเผาไหม้ล่วงหน้า RD-180 ของรัสเซีย ซึ่งเผาไหม้ LOX และ RP-1 ในอัตราส่วน 2.72

นอกจากนี้ อัตราส่วนผสมของเชื้อเพลิงและออกซิเจนยังสามารถเปลี่ยนแปลงได้ในระหว่างการปล่อยจรวด ซึ่งสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ด้วยการออกแบบที่ปรับอัตราส่วนของสารออกซิไดเซอร์ต่อเชื้อเพลิง (รวมถึงแรงขับโดยรวม) ตลอดการบินเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของระบบให้สูงสุด ตัวอย่างเช่น ในระหว่างการทะยานขึ้น แรงขับมีความสำคัญมากกว่าแรงดลจำเพาะ และการปรับอัตราส่วน O/F อย่างระมัดระวังอาจช่วยให้ได้แรงขับที่สูงขึ้น เมื่อจรวดพ้นจากแท่นปล่อยแล้ว สามารถปรับอัตราส่วน O/F ของเครื่องยนต์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพได้

_{แม้ว่าไฮโดรเจนเหลวจะให้ค่า I sp}สูงแต่ความหนาแน่นต่ำเป็นข้อเสียเปรียบ กล่าวคือ ไฮโดรเจนใช้ปริมาตรต่อกิโลกรัมมากกว่าเชื้อเพลิงที่มีความหนาแน่นสูง เช่น น้ำมันก๊าด ประมาณ 7 เท่า ถังเชื้อเพลิง ท่อ และปั๊มจึงต้องมีขนาดใหญ่ขึ้นตามไปด้วย ซึ่งจะเพิ่มมวลแห้งของยาน ทำให้ประสิทธิภาพลดลง นอกจากนี้ ไฮโดรเจนเหลวยังมีราคาค่อนข้างสูงในการผลิตและจัดเก็บ และทำให้เกิดความยากลำบากในการออกแบบ การผลิต และการใช้งานของยาน อย่างไรก็ตาม ไฮโดรเจนเหลวเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในขั้นบนของจรวด ซึ่งค่า I _spเป็นสิ่งสำคัญ และอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักมีความสำคัญน้อยกว่า

ยานปล่อยที่ใช้เชื้อเพลิงความหนาแน่นสูงจะมีมวลขณะขึ้นบินมากกว่าเนื่องจากค่า I _sp ต่ำกว่า แต่สามารถสร้างแรงขับขณะขึ้นบินสูงได้ง่ายกว่าเนื่องจากปริมาตรของชิ้นส่วนเครื่องยนต์ลดลง ซึ่งหมายความว่ายานที่มีบูสเตอร์ที่ใช้เชื้อเพลิงความหนาแน่นสูงจะเข้าสู่วงโคจรได้เร็วกว่า ลดการสูญเสียเนื่องจากแรงต้านจากแรงโน้มถ่วงและลดความต้องการค่า delta-v ที่มีประสิทธิภาพลง

จรวดเชื้อเพลิงสามชนิดที่เสนอใช้เชื้อเพลิงที่มีความหนาแน่นสูงเป็นหลักในขณะที่อยู่ที่ระดับความสูงต่ำ และเปลี่ยนไปใช้ไฮโดรเจนที่ระดับความสูงที่สูงขึ้น การศึกษาในช่วงทศวรรษ 1960 เสนอยานขึ้นสู่วงโคจรแบบขั้นตอนเดียวโดยใช้เทคนิคนี้^{[ 12 ]}กระสวยอวกาศได้ประมาณค่านี้โดยใช้จรวดขับดันเชื้อเพลิงแข็งที่มีความหนาแน่นสูงสำหรับแรงขับส่วนใหญ่ในช่วง 120 วินาทีแรก เครื่องยนต์หลักเผาไหม้ส่วนผสมของไฮโดรเจนและออกซิเจนที่มีเชื้อเพลิงเข้มข้น ทำงานอย่างต่อเนื่องตลอดการปล่อย แต่ให้แรงขับส่วนใหญ่ที่ระดับความสูงที่สูงขึ้นหลังจากการเผาไหม้ของจรวดขับดันเชื้อเพลิงแข็ง

เชื้อเพลิงไฮบริดประกอบด้วยสารออกซิไดเซอร์เหลวที่สามารถเก็บรักษาได้ ใช้ร่วมกับเชื้อเพลิงแข็ง ซึ่งคงไว้ซึ่งคุณสมบัติส่วนใหญ่ของทั้งของเหลว (ค่า I _SP สูง ) และของแข็ง (ความเรียบง่าย)

จรวดแบบไฮบริดมักประกอบด้วยเชื้อเพลิงแข็งและสารออกซิไดเซอร์เหลวหรือแบบ NEMA สารออกซิไดเซอร์ที่เป็นของเหลวช่วยให้สามารถควบคุมกำลังและสตาร์ทเครื่องยนต์ใหม่ได้เหมือนกับจรวดเชื้อเพลิงเหลว จรวดไฮบริดยังอาจปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าจรวดเชื้อเพลิงแข็ง เนื่องจากสารออกซิไดเซอร์แบบแข็งประสิทธิภาพสูงบางชนิดมีคลอรีน (โดยเฉพาะสารประกอบกับแอมโมเนียมเปอร์คลอเรต ) เทียบกับออกซิเจนเหลวหรือไนตรัสออกไซด์ที่มักใช้ในระบบไฮบริดซึ่งมีความเป็นอันตรายน้อยกว่า อย่างไรก็ตาม นี่เป็นความจริงเฉพาะสำหรับระบบไฮบริดบางระบบเท่านั้น เคยมีระบบไฮบริดที่ใช้สารประกอบคลอรีนหรือฟลูออรีนเป็นสารออกซิไดเซอร์ และวัสดุอันตราย เช่น สารประกอบ เบริลเลียมผสมลงในเม็ดเชื้อเพลิงแข็ง เนื่องจากมีส่วนประกอบที่เป็นของเหลวเพียงอย่างเดียว จรวดไฮบริดจึงอาจง่ายกว่าจรวดเชื้อเพลิงเหลวที่ต้องอาศัยการเร่งความเร็วของจรวดในการลำเลียงของเหลวเข้าไปในห้องเผาไหม้ โดยทั่วไปแล้ว ของเหลวที่น้อยลงหมายถึงระบบท่อ วาล์ว และปั๊มที่น้อยลงและมีขนาดเล็กลง

มอเตอร์ไฮบริดมีข้อเสียสำคัญสองประการ ประการแรก ซึ่งเป็นข้อเสียร่วมกับมอเตอร์จรวดเชื้อเพลิงแข็ง คือ ตัวเรือนที่หุ้มรอบเม็ดเชื้อเพลิงต้องสร้างขึ้นเพื่อทนต่อแรงดันการเผาไหม้เต็มที่และอุณหภูมิที่สูงมาก อย่างไรก็ตาม โครงสร้างคอมโพสิตสมัยใหม่สามารถแก้ไขปัญหานี้ได้ดี และเมื่อใช้กับไนตรัสออกไซด์และเชื้อเพลิงยางแข็ง (HTPB) จะใช้เชื้อเพลิงในปริมาณที่ค่อนข้างน้อยอยู่แล้ว ดังนั้นห้องเผาไหม้จึงไม่จำเป็นต้องมีขนาดใหญ่เป็นพิเศษ

ปัญหาหลักที่ยังคงเหลืออยู่ของระบบไฮบริดคือการผสมเชื้อเพลิงในระหว่างกระบวนการเผาไหม้ ในเชื้อเพลิงแข็ง ออกซิไดเซอร์และเชื้อเพลิงจะถูกผสมในโรงงานภายใต้สภาวะที่ควบคุมอย่างระมัดระวัง เชื้อเพลิงเหลวโดยทั่วไปจะถูกผสมโดยหัวฉีดที่ด้านบนของห้องเผาไหม้ ซึ่งจะส่งกระแสเชื้อเพลิงและออกซิไดเซอร์ขนาดเล็กจำนวนมากที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วเข้าหากัน การออกแบบหัวฉีดจรวดเชื้อเพลิงเหลวได้รับการศึกษามาเป็นเวลานานและยังคงต่อต้านการคาดการณ์ประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ ในมอเตอร์ไฮบริด การผสมเกิดขึ้นที่พื้นผิวที่หลอมเหลวหรือระเหยของเชื้อเพลิง การผสมไม่ใช่กระบวนการที่ควบคุมได้ดี และโดยทั่วไปแล้ว เชื้อเพลิงจำนวนมากจะยังคงไม่ถูกเผาไหม้^{[ 13 ]}ซึ่งจำกัดประสิทธิภาพของมอเตอร์ อัตราการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยฟลักซ์ของออกซิไดเซอร์และพื้นที่ผิวเชื้อเพลิงที่สัมผัส อัตราการเผาไหม้นี้มักไม่เพียงพอสำหรับการทำงานที่มีกำลังสูง เช่น ขั้นบูสเตอร์ เว้นแต่พื้นที่ผิวหรือฟลักซ์ของออกซิไดเซอร์จะสูง ปริมาณสารออกซิไดเซอร์ที่สูงเกินไปอาจทำให้เกิดการท่วมและสูญเสียการยึดเกาะของเปลวไฟ ซึ่งจะทำให้การเผาไหม้ดับลงเฉพาะจุด สามารถเพิ่มพื้นที่ผิวได้ โดยทั่วไปแล้วจะใช้เม็ดเชื้อเพลิงที่ยาวขึ้นหรือมีช่องหลายช่อง แต่สิ่งนี้อาจทำให้ขนาดห้องเผาไหม้ใหญ่ขึ้น ลดความแข็งแรงของเม็ดเชื้อเพลิง และลดปริมาณการบรรจุ นอกจากนี้ เมื่อการเผาไหม้ดำเนินต่อไป รูตรงกลางของเม็ดเชื้อเพลิง ("ช่อง") จะกว้างขึ้น และอัตราส่วนของส่วนผสมมักจะมีสารออกซิไดเซอร์มากขึ้น

การพัฒนาเครื่องยนต์ไฮบริดมีน้อยกว่าการพัฒนาเครื่องยนต์เชื้อเพลิงแข็งและเชื้อเพลิงเหลวมาก สำหรับการใช้งานทางทหาร ความสะดวกในการจัดการและการบำรุงรักษาเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้มีการใช้จรวดเชื้อเพลิงแข็ง สำหรับภารกิจในวงโคจร เชื้อเพลิงเหลวมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องยนต์ไฮบริด และการพัฒนาส่วนใหญ่จึงมุ่งเน้นไปที่ด้านนี้ อย่างไรก็ตาม เมื่อไม่นานมานี้มีการพัฒนาเครื่องยนต์ไฮบริดเพิ่มมากขึ้นสำหรับภารกิจในวงโคจรย่อยที่ไม่ใช่ทางการทหาร

• มหาวิทยาลัยหลายแห่งได้ทดลองใช้จรวดไฮบริดเมื่อไม่นานมานี้มหาวิทยาลัยบริกแฮมยังมหาวิทยาลัยยูทาห์และมหาวิทยาลัยรัฐยูทาห์ได้ปล่อยจรวดที่ออกแบบโดยนักศึกษาชื่อ Unity IV ในปี 1995 ซึ่งใช้เชื้อเพลิงแข็งไฮดรอกซีเทอร์มิเนตโพลีบิวทาไดอีน (HTPB) ร่วมกับออกซิเจนในรูปก๊าซเป็นตัวออกซิไดเซอร์ และในปี 2003 ได้ปล่อยจรวดรุ่นที่ใหญ่กว่าซึ่งใช้ HTPB ร่วมกับไนตรัสออกไซด์ มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ ดกำลังวิจัย มอเตอร์ไฮบริดไนตรัสออกไซด์/ พาราฟินแวกซ์UCLAได้ปล่อยจรวดไฮบริดผ่านกลุ่มนักศึกษาระดับปริญญาตรีตั้งแต่ปี 2009 โดยใช้ HTPB ^{[ 14 ]}
• สถาบันเทคโนโลยีโรเชสเตอร์กำลังสร้างจรวดไฮบริด HTPB เพื่อส่ง payloads ขนาดเล็กขึ้นสู่อวกาศและไปยังวัตถุใกล้โลกหลายแห่ง การปล่อยจรวดครั้งแรกเกิดขึ้นในฤดูร้อนปี 2007
• ยานอวกาศ SpaceShipOne ของ Scaled Compositesซึ่งเป็นยานอวกาศที่มีลูกเรือลำแรกของภาคเอกชน ขับเคลื่อนด้วยจรวดไฮบริดที่ใช้เชื้อเพลิง HTPB ร่วมกับไนตรัสออกไซด์: RocketMotorOneเครื่องยนต์จรวดไฮบริดนี้ผลิตโดยSpaceDev โดย SpaceDev ได้นำข้อมูลเชิงทดลองที่รวบรวมได้จากการทดสอบเครื่องยนต์ของ AMROC (American Rocket Company) ที่ แท่นทดสอบ E1 ของศูนย์อวกาศสเตนนิสของ NASA มาเป็นพื้นฐานในการออกแบบเครื่องยนต์บาง ส่วน

GOX (ออกซิเจนในรูปก๊าซ)ถูกนำมาใช้เป็นสารออกซิไดเซอร์สำหรับระบบควบคุมการโคจรของ โครงการบูราน

จรวดบางแบบใช้แหล่งพลังงานภายนอกในการส่งพลังงานไปยังเชื้อเพลิง ตัวอย่างเช่นจรวดน้ำใช้ก๊าซอัด ซึ่งโดยทั่วไปคืออากาศ เพื่อดันมวลน้ำที่ใช้ในการทำปฏิกิริยาออกจากจรวด

เครื่องยนต์ไอออนทำให้ก๊าซที่เป็นกลางแตกตัวเป็นไอออน และสร้างแรงขับโดยการเร่งความเร็วไอออน (หรือพลาสมา) ด้วยสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก

จรวดความร้อนใช้เชื้อเพลิงเฉื่อยที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ ซึ่งเข้ากันได้ทางเคมีกับกลไกการให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงจรวดความร้อนจากแสงอาทิตย์และจรวดความร้อนจากพลังงานนิวเคลียร์มักใช้ไฮโดรเจนเหลวเพื่อให้ได้แรงขับจำเพาะประมาณ 600-900 วินาที หรือในบางกรณีอาจใช้น้ำที่กลายเป็นไอน้ำเพื่อให้ได้แรงขับจำเพาะประมาณ 190 วินาที จรวดความร้อนจากพลังงานนิวเคลียร์ใช้ความร้อนจากการแตกตัวของนิวเคลียร์เพื่อเพิ่มพลังงานให้กับเชื้อเพลิง บางแบบแยกเชื้อเพลิงนิวเคลียร์และของเหลวทำงานออกจากกัน เพื่อลดโอกาสการปนเปื้อนกัมมันตรังสี แต่การสูญเสียเชื้อเพลิงนิวเคลียร์เป็นปัญหาที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในระหว่างโครงการทดสอบในโลกแห่งความเป็นจริง จรวดความร้อนจากแสงอาทิตย์ใช้แสงแดดที่เข้มข้นเพื่อให้ความร้อนแก่เชื้อเพลิง แทนที่จะใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

สำหรับการใช้งานที่มีประสิทธิภาพต่ำ เช่น เจ็ท ควบคุมทิศทางมีการใช้ก๊าซอัด เช่นไนโตรเจน^{[ 15 ]}พลังงานจะถูกเก็บไว้ในความดันของก๊าซเฉื่อย อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความหนาแน่นต่ำของก๊าซที่ใช้งานได้จริงทั้งหมด และมวลสูงของภาชนะรับแรงดันที่จำเป็นต้องใช้ในการบรรจุก๊าซอัด ก๊าซอัดจึงไม่ค่อยได้ถูกนำมาใช้ในปัจจุบัน

ในโครงการโอไรออนและ ข้อเสนอ การขับเคลื่อนด้วยพัลส์นิวเคลียร์ อื่นๆ เชื้อเพลิงจะเป็นเศษพลาสมาจากการระเบิดนิวเคลียร์ หลาย ^{ครั้ง} [ ^{16 ]}

• อลิซ (เชื้อเพลิงขับดัน)
• ไตรไนตราไมด์
• ลำดับเหตุการณ์ของเทคโนโลยีไฮโดรเจน
• หมวดหมู่: เชื้อเพลิงจรวด
• การเปรียบเทียบ: น้ำมันเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องบิน
• ระบบขับเคลื่อนนิวเคลียร์
• เครื่องขับดันไอออน
• เตาครอว์ฟอร์ด

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับเชื้อเพลิงอากาศยาน

• เชื้อเพลิงจรวด (จากRocket & Space Technology )