优化火箭燃料是任务成功的关键
火箭依靠燃料与氧化剂的多种组合来产生克服地球引力所需的巨大动力。氧化剂和燃料在室温下是稳定的元素，但当它们混合并由热源触发时，会产生爆炸性反应，从而为火箭提供推力。
通过调整燃料与氧化剂的比例，工程师可以控制火箭性能的各个方面。每种组合都具有独特的特性、优势和劣势，影响着推力效率等性能指标，以及毒性、成本和安全性等其他考量因素。因此，为每次航行选择最佳推进剂组合是一项关键决策，取决于与火箭任务相关的许多变量。
例如，气态推进剂对于大多数远程火箭来说并不实用，因为这需要巨大的体积，但将这些物质压缩并冷却至液态，可为大型火箭应用提供最佳的体积功率比。然而，一些推进剂的沸点极低，需要进行低于 –150 °C (–238 °F) 的深冷处理才能液化。这可能是将这些燃料用于火箭推进的一个重大缺陷，因此，必须权衡利弊，只有当收益超过这一要求带来的成本和挑战时，选择它们才是合理的。
推进剂的两个重要性能特征——推力和比冲，有时会被混淆。推力衡量的是推进剂的反应力潜力，即火箭能够提升的重量。比冲（Isp）则定义了推进剂将质量转化为推力的效率，基于一定数量的推进剂能够推动负载的时间。使用高比冲推进剂的发动机通常推力较低，但能更有效地利用推进剂质量。简而言之，它们的“燃油经济性”更高。
表1比较了常见火箭燃料组合的关键属性。NASA“阿尔忒弥斯”太空发射系统（SLS）火箭采用的RS-25发动机使用液氧/液氢（LOX/LH2）推进剂组合。然而，包括SpaceX的“猛禽”发动机和蓝色起源的BE-4发动机在内，一些商业机构正在开发的火箭则由液态甲烷/液氧组合提供动力。
在现代火箭推进剂中，液氧/液氢（LOX/LH2）的比冲值最高。这种效率以及可靠的过往记录，是液氧/液氢（LOX/LH2）组合在过去五十年来被广泛用作火箭推进剂的主要原因，尽管这两种元素都需要深冷冷却。此外，虽然其他推进剂在燃烧后会释放大量污染性化学物质和温室气体，但液氧/液氢（LOX/LH2）燃烧的主要副产物是水，这使其成为一种更可持续的燃料。
注：*RP-1（煤油基火箭推进剂-1）是一种高度精炼的煤油，广泛用于液体火箭发动机（例如，土星五号火箭发动机）。
液氧/液氢（LOX/LH2）火箭的自由基反应化学
氢和氧是稳定的元素，在室温下混合时不会自发反应。为了发生反应，需要断开H–H和O=O共价键。当提供足够的能量来克服H–H和O=O的键能时，就会发生链式反应，直到生成水。这种向水稳定结构转变的反应在H2与O2燃烧过程中释放出大量能量。
尽管该反应看起来很简单，但H2与O2的燃烧过程非常复杂，涉及多个包含氢和氧自由基的中间反应。导致水生成的关键反应列于图1中。当一个自由基产生两个或更多自由基时，就会发生链式分支反应（图1，反应3和4）。由于这些反应产生的活性自由基多于消耗的自由基，它们会加速反应，这解释了该反应的爆炸性本质。
这些自由基反应并不总是按照图1所示的精确顺序发生，此处未提及的其他自由基也可能通过其他链式反应方案形成。推进剂混合比例、压力和温度也会影响H2燃烧的动力学机制。
推进发动机设计，助力阿尔忒弥斯计划
除了燃料优化，火箭发动机设计对于最大化现代火箭动力同样至关重要。当今的火箭发动机设计借鉴了德国二战时期 V-2 火箭计划所开发的奠基性创新。新材料的问世及其他技术革新，使工程师能够改进这些设计，从而提升现代太空任务所需的动力、耐用性、可靠性和效率。
RS-25 发动机由 Aerojet Rocketdyne 公司于 20 世纪 70 年代设计，最初用于 NASA 的航天飞机任务。经过五代创新，为阿尔忒弥斯计划 SLS 火箭提供动力的 RS-25 已成为精密的低温发动机，融合了数十年的技术进步与设计优化，使其成为有史以来最高效、最强大的火箭发动机之一。
为了产生强大且持续的推力，火箭发动机需要通过涡轮泵输送大量高速液态推进剂。第一代涡轮泵（图 2）由 V-2 工程师于 20 世纪 40 年代开发。其设计和性能在当时具有革命性意义，通过一台转速为 4000 rpm 的蒸汽涡轮机驱动燃料和氧化剂的离心泵。六十多年后的今天，现代涡轮泵依然是决定火箭发动机性能最关键、最复杂的组件之一。
美国载人火箭推进系统的演进
阿尔忒弥斯火箭上的 RS-25 发动机采用液氧/液氢（LOX/LH2）低温推进剂组合，因其具有卓越的比冲性能。然而，液氢与液氧在密度和流量上的巨大差异，使得 RS-25 无法仅靠单台涡轮泵运行。氢气的密度极低（71 g/L），这意味着要实现高效燃烧，所需的液氢体积是液氧的 2.7 倍。为了适应这两种物理性质迥异的低温液体，RS-25 使用了两台独立的涡轮泵。2 和 LOX 密度与流量的显著差异使得 RS-25 无法使用单台涡轮泵。氢气的密度极低（71 g/L），这意味着需要 2.7 倍的 LH2 才能与 LOX 的量相匹配，从而实现高效燃烧。为了适应这些差异巨大的低温液体及其物理特性，RS-25 使用了两个独立的涡轮泵。
这些现代高压涡轮泵是工程学的杰作。其涡轮包含数十个仅硬币大小的叶片。在每分钟 28,000 至 35,000 转的转速下，每个叶片提供的动力都超过了一台克尔维特跑车发动机，使这些涡轮泵能够产生数万马力的动力。
太空愿景推动各行业创新
火箭燃料和发动机技术是太空计划驱动创新的显着领域。然而，当前重返月球并最终抵达火星的目标，也成为了加速医学、材料科学、通信、电子甚至农业等广泛行业研究的催化剂。这些创新不仅助力了太空任务，还改进了各类产品，造福了地球上的每一个人。
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