目前常见的「火箭燃料」有哪几种，各类燃料的优劣有哪些？

雨泽

长征九号运载火箭早期论证中曾提到研制 600 吨级和 200 吨级液氢液氧发动机，那么这种方式可行么？目前常见的「火箭燃料」有哪几种，各类燃料的优劣有哪些？

CUA-4109

这里解释一下为什么主要航天大国里只有中国把有毒的肼基燃料作为主要燃料。

主要原因就是中国早期火箭技术发展完全是以导弹为中心的，军事和民用卫星的需求相对次要。
早期美苏火箭，无论是液氧液氢还是液氧煤油，都需要保存低温燃料，这在固定的航天基地很简单，但是对于有一定机动性要求的弹道导弹，尤其是潜射导弹来说是不可能的。肼和硝酸都是常温燃料，只要不加注就可以长期保存，适合用作导弹的燃料。
美苏有大量航天发射的需求（不光是民用，还有大量间谍卫星的军用需求），大规模使用有毒燃料的成本太高，因此更倾向于使用无毒燃料，性能高，随加随用。对于导弹的特殊需求，美苏国力强，可以定制专门的肼基燃料发动机，作为暂时的过渡。而中国国力弱小，只能优先导弹发展，火箭导弹用同样的主发动机，上面级加液氢发动机作为补充。
随着固体燃料技术的提高，美苏的导弹逐步都换成了固体火箭发动机，对有毒燃料就更看不上了。而中国掌握固体燃料技术是90年代，也是从这时开始，启动了对俄国液氧煤油发动机的仿制和改进计划，成果就是长征5号 。

肼基燃料的高成本与它的毒性是直接相关的，试想，外国火箭的维护工作，工作人员只要穿工作服戴头盔，中国火箭的维护工作，所有人都要穿防护服，还有工作时间限制，效率下来了，成本上去了。科罗廖夫从一开始就反对有毒燃料，不是因为他爱惜人命，而是因为他很清楚所谓毒燃料的优点都是空中楼阁，实际用起来成本爆炸。
评论提到质子号也是肼基燃料，而且它发射了400多次，不能算冷门型号了。但RD-253所属的UR500本身就是作为大型洲际导弹开发的。苏联也一直在寻求能替代质子的大型火箭，N1姑且不说，能源号肯定是用来替代的，只不过生不逢时没钱了。21世纪后则是折腾了20多年的安加拉，对比联盟火箭，俄国人对肼基燃料明显还是嫌弃的。

CUA-4109

坎巴拉爱好者来回答一下，既然问题提到了液氢液氧发动机我们就默认提问的是液体火箭发动机的燃料了。
现有的主力液体火箭燃料大都是双组元的，包括还原剂和氧化剂两个部分。下图是液体火箭的一个简单结构，其中1和2就分别用来存放还原剂（燃料）和对应的氧化剂。


然后我们还需要了解一个基本公式——齐奥尔科夫斯基公式，这个公式用来计算火箭的速度变化：

其中m0是火箭起飞时的质量，m1是本级完全燃烧后剩余的质量，ve是火箭的喷气速度，即比冲，此时单位为m/s。
注意，比冲还有另一个常用的单位，秒。如果用秒做单位时比冲乘以标准重力加速度（g）就是喷气速度了。我们常用的比冲，比如440s就是用这样表述的。
不过显然，喷气速度是与外部气压相关的，因此火箭发动机的比冲也是和外部环境相关的，在真空中的比冲叫做真空比冲，海平面（1个大气压）下比冲要低不少。
显然，比冲越大火箭性能越好。
常用火箭发动机燃料组合

液氢液氧

常用的火箭的发动机的燃料组合中比冲最高的是液氢液氧，而且不仅是最高那么简单，而是无与伦比的高（相比其他常见燃料）。按照wiki的数据，液氢液氧的真空比冲高达455s，在1atm的标准大气压下比冲也有390s。
但是，液氢液氧存在几个比较大的问题。其一就是存储条件比较苛刻。液氢的沸点只有20K，而液氧的沸点是90K，凝固点是50K。换句话说如果液氢和液氧同一个温度存储，那么液氧会凝固的......所以二者要用不同的温度存储，这就需要砸钱了。所以氢氧火箭都一个德行，贵。
另一个就是是液氢的比冲虽然高但是密度太小了，只有70.85(千克/立方米)，要知道水的密度可是1000千克/立方米啊，要装下够飞行的液氢显然需要更大的体积。所以用液氢液氧当做主动力的火箭都有一个特色：胖。
比如：用液氢液氧做芯级动力的长征5号（LM-5），就因为吃的胖收获了绰号——“胖五”


还有航天飞机中间的橙罐，都快胖出天际了


还有Ariane 5这圆滚滚的肚子......


相比之下，Delta IV Heavy算是身材苗条的了


但是事实证明吃的胖就是有力气，尤其是打高轨道的时候，比如：

• Delta 4 Heavy用733吨的质量实现了略大于14吨的同步转移轨道载荷
  
• 长征5号用855吨的质量实现了略大于14吨的同步转移轨道载荷（数据来自维基）
  
• Ariane 5用777吨的质量实现了略大于10吨的同步轨道转移载荷，Ariane 6貌似也就11吨多点的GTO载荷能力
  

要知道世界上基本就这几个能把10吨以上的载荷送上同步转移轨道的火箭了。漏掉的一个就是大名鼎鼎的猎鹰重型火箭，重猎这玩意1400吨起飞重量理论上不回收时能把26吨载荷送进同步转移轨道（回收时大约16吨），但是实际上貌似没打过那么重的......
液氧煤油

液氧煤油是液体火箭现在用的最多的推进剂，便宜实惠性价比高，但是性能要差不少。液氧煤油发动机的理论真空比冲接近360s，海平面比冲更是只有300s。你看，比液氢液氧低了不止一个档次。
但是，人家的好处是比重高啊，煤油可以在接近液氧的温度存储，此时密度超过1100千克/立方米，比液氢不知道高哪去了。所以，液氧煤油火箭都比较苗条。
但是液氧煤油火箭的性能与煤油品质有关......煤油含碳量比较高，导致发动机积碳会很严重，不利于重复使用。不过相比于液氢便宜得多，所以煤油的问题都是小问题。以至于猎鹰9号这个可回收火箭还是采用了煤油做动力。
比如著名的安加拉火箭、质子火箭（毛熊家的煤油质量好，所以科技树都点到液氧煤油上去了）另外，质子K才是煤油的，质子M是毒发。
还有长征7号（LM-7），是不是看着苗条多了


还有大名鼎鼎的猎鹰9


液氧煤油的特点就是非常适合发射低轨道卫星，但是打高轨道的时候运力衰减很快，比如：

• 安加拉A5起飞重量790吨，能把24吨的载荷送上近地轨道，但是同步转移轨道运力只有7吨多。
  
• 大名鼎鼎的猎鹰九号近地轨道22吨，同步转移轨道也就8吨，此时还不能回收。不过猎鹰9号轻（550吨）
  
• 长征7号差一点，接近600吨质量但是近地轨道运力是14吨，这是因为长征7按载人火箭设计，冗余要求高。
  

所以显然，一个很有性价比的方案是第一级或者前两级用煤油火箭，然后把最后一级（或两级）换成液氢液氧，这样既便宜也具有比较高的高轨道能力。这样的火箭集大成者......就是土星五号，这玩意可以把100多吨的东西送上轨道，或者直接把接近49吨的东西送到月球转移轨道。相比之下......现在在座的火箭没一个能打的（当然土星5不便宜就是了）
现役火箭里这么玩的也不少，举个例子，长征7改（有些文献成为长征7A），他就是在长征7基础上加了一个使用氢氧发动机的第三级，优化之后起飞质量降低到570吨。但运力就增加到近地轨道19吨，同步转移轨道接近8吨。
四氧化二氮+偏二甲肼

传说中的毒发，有剧毒，理论真空比冲为343s，海平面比冲为292s，略低于煤油。但是，人家是常温燃料......就问你服不服，不用点火，混合在一起就直接燃烧发力，简单......
我国的长征2、3、4系列主要都是用这玩意，特征就是发射时的红色烟雾。


单纯的四氧化二氮+偏二甲肼燃料组合的火箭现在已经不常见了，比较著名的就是长征2F。长征2F可以把8吨多的东西送上近地轨道，在长征5和长征7号诞生之前是我国最强大的近地轨道运载火箭。
另外毛熊家质子M也是毒发……
和煤油火箭类似，这玩意高轨道能力相当差，而且是比煤油更差。当然，把四氧化二氮和偏二甲肼的火箭和氢氧第三级组合起来也是能实现比较高的高轨能力。比如，长征3号：
长征3号B（长三乙）就是两级四氧化二氮+偏二甲肼上头怼了一个小氢氧发动机，用450吨的重量实现了5.5吨的同步转移轨道运力。
还有一个是印度的GSLV III（地球同步卫星运载火箭3型），这火箭也是一个奇葩......640吨的质量只能把4吨的东西送上同步转移轨道。
其他燃料

液氧甲烷
液氧甲烷是液氧煤油的进化版，甲烷积碳问题可以大幅改善，存储条件也比液氢好得多。理论上真空比冲接近370s，海平面比冲310s，比煤油略强。
目前各国都在搞甲烷机但是至今还没有使用液氧甲烷做主动力的大型火箭服役。不过液氧甲烷确实是未来发展的思路之一，估摸着不久会有甲烷火箭起飞。SpaceX那顺利的话快了
硝酸+偏二甲肼
长征1号的动力，比冲低
液氢液氟
这玩意仅存在于科学研究中，应该不会有人疯狂的试图工程化。但这玩意真空比冲高达480s，海平面比冲410s，比液氢液氧还猛。
液氢液氟+锂
三组元推进剂，真空比冲515s，海平面比冲435s，看看啥叫牛逼。就是敢用氟那是神人......
液氢液氧+铍
另一组三组元推进剂，真空比冲高达540s，海平面比冲460s。但是设计过于复杂......而且铍也是有毒的......还贵的要死......1kg的铍接近3万块钱，这玩意要是怼个几十吨直接上亿没了......

A...周东

按燃料状态可以分为固体燃料和液体燃料。固体可以简单理解为飞船后面放了一大包高能炸药。固体燃料的特点是推力大，比冲低。推力好理解，比冲可以简单理解为这种燃料的效率。所以固体燃料一般用于低空的助推。
液体燃料按照贮存方式可以分为常温燃料和低温燃料。
常温的比如偏二甲肼，也就是我们说的毒发。这是一种自燃的燃料，和氧化剂接触后可以自燃。
低温的比如液氢液氧，液态甲烷液氧。无污染，比冲大。

CUA-4109

当下流行的火箭燃料有：
液氢液氧，代表为德尔塔4H火箭（全氢氧机）。优点是比冲高，且轻；缺点安全系数不高，且昂贵，储存麻烦
液氧煤油，代表为长征6号和长征7号以及猎鹰九号/重型火箭（全煤油机）。优点便宜，且易保存，是运用最广泛的燃料之一。
液氧甲烷，代表为SpaceX的星舰。目前市面上已经兴兴了多种甲烷引擎，例如SpaceX猛禽（全球唯一SSFCC甲烷引擎，室压记录）还有蓝色起源的BE-4，蓝箭的天鹊等等。优点是方便制取（太阳系内很多行星都能生产甲烷）可以用于星际飞行，比冲较高，且不易积碳，易储存。
肼燃料（俗称毒发），代表为长征2系列，长征3系列，长征4系列以及质子系列火箭，也用于龙飞船和星际线客机的逃逸系统、大多数卫星的轨道姿态控制系统。优点是易反应，技术难度较低；缺点是燃料及其有剧毒且比冲低，价格高
固体发动机，代表为战神1号（一级固推）和已经没了的欧米茄A火箭（一二级、助推都是固推）。优点推力大，且极容易制作，可靠性非常高；缺点效率低，一旦开始燃烧就停不下来，且生成物有毒。
另外离子引擎（俗称电推），就是将离子加速到每秒30千米的速度，并从尾部排出，形成离子束，由此产生推力。优点比冲极大，效率极高；缺点加速/减速时间很长（举个例子：隼鸟二号从龙宫小行星返回地球用电推减速了约半年），而且氙气很贵
其它的还有核动力、太阳光压动力等等，由于没有广泛应用，此处不再一一赘述

fran558

氢（一般搭配液氧）
甲烷（一般搭配液氧）
煤油（一般搭配液氧）
偏二甲肼（搭配四氧化二氮或者发烟硝酸）
酒精（一般搭配液氧）
沥青（固体火箭用）
铝（固体火箭用）
以上都是比较常见的