وقود الصواريخ

في الفضاء، يعتمد أقصى تغير في السرعة الذي يمكن أن تُحدثه مرحلة صاروخية على حمولتها بشكل أساسي على نسبة كتلتها وسرعة عادمها. وتُوصَف هذه العلاقة بمعادلة الصاروخ . وتعتمد سرعة العادم على نوع الوقود والمحرك المستخدمين، وترتبط ارتباطًا وثيقًا بالدفع النوعي ، وهو إجمالي الطاقة المُوَصَّلة إلى المركبة الصاروخية لكل وحدة كتلة من الوقود المُستهلَك. كما يمكن أن تتأثر نسبة الكتلة باختيار نوع معين من الوقود.

تستخدم المراحل الصاروخية التي تخترق الغلاف الجوي عادةً وقودًا ذا أداء منخفض وكتلة جزيئية عالية وكثافة عالية، نظرًا لصغر حجم الخزانات وخفة وزنها. أما المراحل العليا، التي تعمل في الغالب أو حصريًا في فراغ الفضاء، فتميل إلى استخدام وقود الهيدروجين السائل عالي الطاقة والأداء ومنخفض الكثافة . وفي مهمات الكواكب المستقبلية، يُنظر في استخدام الموارد المحلية والطاقة الشمسية لإنتاج الوقود في الموقع. ^{[ 1 ]}

تتميز الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب بسهولة تخزينها والتعامل معها مقارنةً بالصواريخ التي تعمل بالوقود السائل. كما أن كثافة الوقود العالية فيها تُسهم في صغر حجمها. هذه الميزات، بالإضافة إلى بساطتها وانخفاض تكلفتها، تجعل الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب مثالية للتطبيقات العسكرية.

كما أن بساطتها تجعل الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب خيارًا مثاليًا عند الحاجة إلى قوة دفع كبيرة مع مراعاة التكلفة. ولهذا السبب، يستخدم مكوك الفضاء والعديد من مركبات الإطلاق المدارية الأخرى صواريخ تعمل بالوقود الصلب في مراحل الإطلاق ( معززات الصواريخ الصلبة ).

تتميز الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب بانخفاض الدفع النوعي ، وهو مقياس لكفاءة الوقود، مقارنةً بالصواريخ التي تعمل بالوقود السائل ^{[ 2 ]} . ونتيجةً لذلك، يكون الأداء العام للمراحل العلوية الصلبة أقل من أداء المراحل السائلة، على الرغم من أن نسب الكتلة الصلبة تتراوح عادةً بين 0.91 و0.93، وهي نسبة تضاهي أو تفوق معظم المراحل العلوية التي تعمل بالوقود السائل. وتُعزى نسب الكتلة العالية الممكنة في هذه المراحل العلوية الصلبة غير المجزأة إلى كثافة الوقود العالية ونسبة القوة إلى الوزن العالية جدًا في غلاف الصاروخ.

من عيوب الصواريخ الصلبة عدم إمكانية التحكم في دفعها في الوقت الفعلي، على الرغم من إمكانية برمجة جدول دفع محدد عن طريق تعديل هندسة الوقود الداخلي. يمكن تهوية الصواريخ الصلبة لإخماد الاحتراق أو عكس الدفع كوسيلة للتحكم في المدى أو لتسهيل فصل المراحل. يتطلب صب كميات كبيرة من الوقود اتساقًا وتكرارًا لتجنب التشققات والفراغات في المحرك النهائي. تتم عملية المزج والصب تحت تحكم حاسوبي في بيئة مفرغة من الهواء، ويُفرد مزيج الوقود بشكل رقيق ويُفحص للتأكد من عدم دخول فقاعات غازية كبيرة إلى المحرك.

لا تتحمل الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب الشقوق والفراغات، وتتطلب معالجة لاحقة، مثل فحصها بالأشعة السينية، لتحديد العيوب. تعتمد عملية الاحتراق على مساحة سطح الوقود. تمثل الفراغات والشقوق زيادات موضعية في مساحة سطح الاحتراق، مما يزيد من درجة الحرارة الموضعية، وبالتالي يزيد من معدل الاحتراق الموضعي. قد تؤدي حلقة التغذية الراجعة الإيجابية هذه بسهولة إلى فشل كارثي في ​​الغلاف أو الفوهة.

طُوِّر البارود ، الذي يُستخدم كوقود صلب للصواريخ، خلال القرن السابع الميلادي على يد أسرة سونغ الصينية . واستُخدمت أسلحة البارود لأول مرة عام 732 خلال الحصار العسكري لمدينة كايفنغ . ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

خلال خمسينيات وستينيات القرن الماضي، طوّر باحثون في الولايات المتحدة وقودًا دافعًا مركبًا من بيركلورات الأمونيوم (APCP). يتكون هذا المزيج عادةً من 69-70% من بيركلورات الأمونيوم المطحونة ناعمًا (مؤكسد)، ممزوجًا بنسبة 16-20% من مسحوق الألومنيوم الناعم (وقود)، مثبتًا في قاعدة من 11-14% من بولي بوتادين أكريلونيتريل (PBAN) أو بولي بوتادين منتهي بمجموعات هيدروكسيل (وقود مطاط بولي بوتادين). يُشكّل المزيج كسائل مُكثّف، ثم يُصبّ في الشكل المطلوب ويُعالَج ليصبح مادة صلبة متينة ومرنة في الوقت نفسه. تاريخيًا، يُعدّ عدد أنواع الوقود الدافع الصلب APCP قليلًا نسبيًا. مع ذلك، يستخدم الجيش مجموعة واسعة من أنواع الوقود الدافع الصلب المختلفة، بعضها يتفوق على أداء APCP. تُقدّم المقالة الخاصة بصواريخ الوقود الصلب مقارنة بين أعلى دفعات نوعية تم تحقيقها باستخدام تركيبات الوقود الصلب والسائل المختلفة المستخدمة في مركبات الإطلاق الحالية . ^{[ 8 ]}

في سبعينيات وثمانينيات القرن العشرين، تحولت الولايات المتحدة بالكامل إلى استخدام الصواريخ الباليستية العابرة للقارات التي تعمل بالوقود الصلب، وتحديدًا صاروخي LGM-30 Minuteman و LG-118A Peacekeeper (MX). وفي ثمانينيات وتسعينيات القرن العشرين، نشر الاتحاد السوفيتي/روسيا أيضًا صواريخ باليستية عابرة للقارات تعمل بالوقود الصلب ( RT-23 و RT-2PM و RT-2UTTH )، ولكنه احتفظ بصاروخين يعملان بالوقود السائل ( R-36 و UR-100N ). جميع الصواريخ الباليستية العابرة للقارات التي تعمل بالوقود الصلب لدى كلا الجانبين كانت مزودة بثلاث مراحل صلبة أولية، وتلك التي تحمل رؤوسًا حربية متعددة قابلة للتوجيه بشكل مستقل كانت مزودة بمنصة توجيه دقيقة تُستخدم لضبط مسار مركبات العودة إلى الغلاف الجوي بدقة.

تتميز الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل بدفع نوعي أعلى من الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب، كما أنها قابلة للتحكم في دفعها وإيقافها وإعادة تشغيلها. ولا تحتاج سوى غرفة الاحتراق في هذه الصواريخ إلى تحمل ضغوط ودرجات حرارة احتراق عالية. ويمكن تبريدها بشكل متجدد باستخدام الوقود السائل. أما في المركبات التي تستخدم مضخات توربينية ، فتكون خزانات الوقود تحت ضغط أقل من غرفة الاحتراق، مما يقلل من كتلة الخزان. لهذه الأسباب، تستخدم معظم مركبات الإطلاق المدارية الوقود السائل.

تُعزى الميزة الأساسية للدفع النوعي للوقود السائل إلى توافر مؤكسدات عالية الأداء. تتوفر عدة مؤكسدات سائلة عملية ( الأكسجين السائل ، ورباعي أكسيد النيتروجين ، وبيروكسيد الهيدروجين ) تتميز بدفع نوعي أفضل من بيركلورات الأمونيوم المستخدمة في معظم الصواريخ الصلبة عند استخدامها مع أنواع الوقود المناسبة.

قد يكون من الممكن جمع بعض الغازات، وخاصة الأكسجين والنيتروجين، من الغلاف الجوي العلوي ، ونقلها إلى مدار أرضي منخفض لاستخدامها في مستودعات الوقود بتكلفة أقل بكثير. ^{[ 9 ]}

تكمن الصعوبات الرئيسية المتعلقة بالوقود السائل في المؤكسدات المستخدمة فيه. فالمؤكسدات القابلة للتخزين، مثل حمض النيتريك ورباعي أكسيد النيتروجين ، تميل إلى أن تكون شديدة السمية وعالية التفاعل، بينما يجب تخزين الوقود المبرد، بحكم تعريفه، في درجات حرارة منخفضة، وقد يُعاني أيضاً من مشاكل التفاعل والسمية. يُعد الأكسجين السائل (LOX) المؤكسد المبرد الوحيد الذي تم استخدامه في الرحلات الفضائية. أما أنواع أخرى، مثل FLOX، وهو مزيج من الفلور والأكسجين السائل، فلم تُستخدم مطلقاً بسبب عدم استقرارها وسميتها وقابليتها للانفجار. ^{[ 10 ]} وقد اقتُرحت عدة مؤكسدات أخرى غير مستقرة وعالية الطاقة وسامة، مثل: الأوزون السائل ₍ O3 ) _، و _ClF3 ، و ClF5 .

تتطلب الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل صمامات وأختام ومضخات توربينية قد تُسبب مشاكل، مما يزيد من تكلفة مركبة الإطلاق. وتُعدّ المضخات التوربينية من أكثرها إشكالية نظراً لمتطلبات الأداء العالية.

• الأكسجين السائل (LOX) والكيروسين عالي التكرير ( RP-1 ). يُستخدم هذا المزيج في المراحل الأولى من صواريخ أطلس 5 ، وفالكون 9 ، وفالكون هيفي ، وسويوز ، وزينيت ، وأنجارا ، ولونغ مارش 6 ، وغيرها. ويُعتبر هذا المزيج على نطاق واسع الأكثر عمليةً للصواريخ المعززة التي تنطلق من مستوى سطح الأرض، وبالتالي يجب أن تعمل تحت الضغط الجوي الكامل.
• الأكسجين السائل والهيدروجين السائل . يستخدم في المرحلة العليا من صاروخ سنتور ، وصاروخ دلتا 4 ، وصاروخ H-IIA ، ومعظم مراحل صاروخ أريان 5 الأوروبي ، والمراحل الأساسية والعليا لنظام الإطلاق الفضائي .
• الأكسجين السائل والميثان السائل (من الغاز الطبيعي المسال ). يستخدم في مركبات زوك-2 ، وفولكان ، ونيو جلين ، وستارشيب التابعة لشركة سبيس إكس ، ومن المخطط استخدامه أيضًا في العديد من الصواريخ قيد التطوير، بما في ذلك سويوز-7 وروكيت لاب نيوترون .

• يُستخدم مزيج أكسيد النيتروجين (N₂O₄ ₎ والهيدرازين ( N₂H₄ ₎ ، _{المعروف} أيضًا باسم MMH أو UDMH ، في الصواريخ العسكرية والمدارية وصواريخ الفضاء السحيق، نظرًا لإمكانية تخزين كلا السائلين لفترات طويلة في درجات حرارة وضغوط معقولة. يُعدّ مزيج N₂O₄ _{/ UDMH الوقود} الرئيسي لصاروخ بروتون ، وصواريخ لونغ مارش القديمة (LM 1-4)، وصاروخ PSLV ، وصاروخ فريغات ، والمراحل العليا من صاروخ بريز-إم . يتميز هذا المزيج بخاصية الاشتعال السريع ، مما يُسهّل عملية الإشعال. أما عيبه الرئيسي فهو سميته العالية التي تتطلب عناية فائقة في التعامل معه.
• تُستخدم المواد أحادية الدفع ، مثل بيروكسيد الهيدروجين والهيدرازين وأكسيد النيتروز ، بشكل أساسي للتحكم في وضعية المركبة الفضائية والحفاظ على موقعها ، حيث تفوق مزاياها من حيث إمكانية تخزينها لفترات طويلة وسهولة استخدامها وقدرتها على توفير الدفعات الصغيرة اللازمة، انخفاض دفعها النوعي مقارنةً بالمواد ثنائية الدفع. كما يُستخدم بيروكسيد الهيدروجين لتشغيل المضخات التوربينية في المرحلة الأولى من مركبة الإطلاق سويوز.

تتناسب سرعة العادم النظرية لنوع معين من الوقود الدافع تناسبًا طرديًا مع الطاقة المنبعثة لكل وحدة كتلة من الوقود (الطاقة النوعية). في الصواريخ الكيميائية، يمثل الوقود أو المؤكسد غير المحترق فقدانًا للطاقة الكيميائية الكامنة ، مما يقلل من الطاقة النوعية . مع ذلك، تعمل معظم الصواريخ بمخاليط غنية بالوقود، مما ينتج عنه سرعات عادم نظرية أقل. ^{[ 11 ]}

مع ذلك، تحتوي الخلائط الغنية بالوقود أيضًا على جزيئات عادم ذات وزن جزيئي منخفض . تحوّل فوهة الصاروخ الطاقة الحرارية للوقود إلى طاقة حركية موجهة . يحدث هذا التحويل خلال الفترة الزمنية التي يستغرقها الوقود للتدفق من غرفة الاحتراق عبر عنق المحرك وخروجه من الفوهة، وعادةً ما تكون في حدود جزء من الألف من الثانية. تخزن الجزيئات الطاقة الحرارية في الدوران والاهتزاز والانتقال، ولا يمكن استخدام سوى الانتقال بسهولة لإضافة طاقة إلى مرحلة الصاروخ. تمتلك الجزيئات ذات الذرات الأقل (مثل CO وH₂ ₎ أنماط اهتزاز ودوران متاحة أقل من الجزيئات ذات الذرات الأكثر (مثل CO₂ _و H₂O _{) . ونتيجةً لذلك، تخزن الجزيئات الأصغر} طاقة اهتزاز ودوران أقل لكمية معينة من مدخلات الحرارة، مما يؤدي إلى توفر طاقة انتقال أكبر لتحويلها إلى طاقة حركية. يكون التحسن الناتج في كفاءة الفوهة كبيرًا بما يكفي لتحسين سرعة العادم الفعلية لمحركات الصواريخ الحقيقية عن طريق تشغيل خلائط غنية بسرعات عادم نظرية أقل نوعًا ما. ^{[ 11 ]}

يُعدّ تأثير الوزن الجزيئي للعادم على كفاءة الفوهة بالغ الأهمية بالنسبة للفوهات التي تعمل بالقرب من مستوى سطح البحر. أما الصواريخ ذات التمدد العالي التي تعمل في الفراغ، فيتأثر هذا التأثير بشكل أقل بكثير، ولذلك يتم تشغيلها بخليط وقود أقل غنى.

تُشغَّل صواريخ الأكسجين السائل/الهيدروكربونات بخليط غني قليلاً (نسبة كتلة الأكسجين إلى الوقود 3 بدلاً من النسبة المتكافئة 3.4 إلى 4) لأن الطاقة المنبعثة لكل وحدة كتلة تنخفض بسرعة مع انحراف نسبة الخليط عن النسبة المتكافئة. أما صواريخ الأكسجين السائل/الهيدروجين _السائل فتُشغَّل بخليط غني جداً (نسبة كتلة الأكسجين إلى الوقود 4 بدلاً من النسبة المتكافئة 8) لأن الهيدروجين خفيف جداً، وبالتالي تنخفض الطاقة المنبعثة لكل وحدة كتلة من الوقود ببطء شديد مع زيادة الهيدروجين. في الواقع، تُحدَّد صواريخ الأكسجين السائل/الهيدروجين السائل _عموماً في مدى غنى الخليط الذي تستخدمه بتأثير كتلة خزان الهيدروجين الإضافي على الأداء، وليس بسبب التركيب الكيميائي الأساسي. ^{[ 11 ]}

من الأسباب الأخرى لزيادة نسبة الوقود في الاحتراق أن الخلائط غير المتكافئة تحترق بدرجة حرارة أقل من الخلائط المتكافئة، مما يُسهّل تبريد المحرك. ولأن نواتج الاحتراق الغنية بالوقود أقل تفاعلاً كيميائياً ( تآكلاً ) من نواتج الاحتراق الغنية بالمؤكسد، فإن غالبية محركات الصواريخ مصممة للعمل بخليط غني بالوقود. ويُستثنى من ذلك محرك RD-180 الروسي ، الذي يستخدم الأكسجين السائل ووقود RP-1 بنسبة 2.72.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتغير نسب خليط الوقود والهواء أثناء الإطلاق. ويمكن استغلال هذه الخاصية في تصميمات تُعدّل نسبة المؤكسد إلى الوقود (إلى جانب قوة الدفع الكلية) طوال الرحلة لتحقيق أقصى أداء للنظام. فعلى سبيل المثال، أثناء الإقلاع، تكون قوة الدفع أهم من النبضة النوعية، وقد يسمح التعديل الدقيق لنسبة المؤكسد إلى الوقود بتحقيق مستويات دفع أعلى. وبمجرد ابتعاد الصاروخ عن منصة الإطلاق، يمكن ضبط نسبة المؤكسد إلى الوقود في المحرك لزيادة كفاءته.

على الرغم من أن الهيدروجين السائل يوفر معامل دفع ذاتي عالٍ _، إلا أن كثافته المنخفضة تُعد عيبًا: إذ يشغل الهيدروجين حجمًا أكبر بنحو سبعة أضعاف لكل كيلوغرام مقارنةً بالوقود الكثيف كالكيروسين. وبالتالي، يجب أن تكون خزانات الوقود وأنابيبه ومضخته أكبر حجمًا. وهذا بدوره يزيد من الكتلة الجافة للمركبة، مما يقلل من أدائها. كما أن إنتاج الهيدروجين السائل وتخزينه مكلف نسبيًا، ويُسبب صعوبات في تصميم المركبة وتصنيعها وتشغيلها. مع ذلك، يُعد الهيدروجين السائل مناسبًا للغاية للاستخدام في المراحل العليا من _{الصاروخ} ، حيث يكون معامل الدفع الذاتي ذا أهمية بالغة، وتكون نسب الدفع إلى الوزن أقل أهمية.

تتميز مركبات الإطلاق ذات الوقود الكثيف بكتلة إقلاع أعلى نظرًا لانخفاض معامل الدفع الذاتي (Isp ₎ ، ولكنها قادرة على توليد دفعات إقلاع عالية بسهولة أكبر بفضل صغر حجم مكونات المحرك. وهذا يعني أن المركبات المزودة بمراحل معززة تعمل بالوقود الكثيف تصل إلى المدار في وقت أبكر، مما يقلل من الخسائر الناتجة عن مقاومة الجاذبية ويخفض متطلبات دلتا-في الفعالة .

يستخدم الصاروخ ثلاثي الوقود المقترح وقودًا كثيفًا بشكل أساسي على ارتفاعات منخفضة، ثم يتحول إلى الهيدروجين على ارتفاعات أعلى. وقد اقترحت دراسات في ستينيات القرن الماضي مركبات أحادية المرحلة للوصول إلى المدار باستخدام هذه التقنية. ^{[ 12 ]} وقد اقترب مكوك الفضاء من هذا النموذج باستخدام معززات صاروخية صلبة كثيفة لتوفير معظم قوة الدفع خلال أول 120 ثانية. وكانت المحركات الرئيسية تحرق خليطًا غنيًا بالوقود من الهيدروجين والأكسجين، وتعمل باستمرار طوال عملية الإطلاق، ولكنها توفر معظم قوة الدفع على ارتفاعات أعلى بعد احتراق المعززات الصاروخية الصلبة.

تتكون المواد الدافعة الهجينة من مؤكسد سائل قابل للتخزين يستخدم مع وقود صلب، والذي يحتفظ بمعظم مزايا كل من السوائل ( _الضغط الانضغاطي العالي ) والمواد الصلبة (البساطة).

يتكون الصاروخ ذو الوقود الهجين عادةً من وقود صلب ومؤكسد سائل أو مؤكسد من نوع NEMA. يُمكّن المؤكسد السائل من التحكم في قوة الدفع وإعادة تشغيل المحرك تمامًا كما في الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل. كما تُعد الصواريخ الهجينة أكثر أمانًا بيئيًا من الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب، نظرًا لاحتواء بعض المؤكسدات الصلبة عالية الأداء على الكلور (وتحديدًا مركبات مع بيركلورات الأمونيوم )، بدلًا من الأكسجين السائل أو أكسيد النيتروز الأكثر أمانًا المستخدم غالبًا في الصواريخ الهجينة. ينطبق هذا فقط على أنظمة هجينة محددة. فقد استُخدمت في بعض الصواريخ الهجينة مركبات الكلور أو الفلور كمؤكسدات، بالإضافة إلى مواد خطرة مثل مركبات البريليوم الممزوجة بحبيبات الوقود الصلب. ولأن أحد مكوناتها فقط سائل، فإن الصواريخ الهجينة أبسط من الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل والتي تعتمد على تسارع الصاروخ لنقل السائل إلى غرفة الاحتراق. وعادةً ما يعني استخدام عدد أقل من السوائل أنظمة أنابيب وصمامات ومضخات أقل حجمًا.

تعاني المحركات الهجينة من عيبين رئيسيين. أولهما، وهو عيب مشترك مع محركات الصواريخ الصلبة، هو ضرورة تصميم الغلاف المحيط بحبيبات الوقود ليتحمل ضغط الاحتراق الكامل، بالإضافة إلى درجات الحرارة المرتفعة في كثير من الأحيان. مع ذلك، تعالج الهياكل المركبة الحديثة هذه المشكلة بكفاءة، وعند استخدامها مع أكسيد النيتروز ووقود مطاطي صلب (HTPB)، لا تتطلب سوى نسبة صغيرة نسبيًا من الوقود، وبالتالي لا تكون غرفة الاحتراق كبيرة الحجم.

تكمن الصعوبة الرئيسية المتبقية في المحركات الهجينة في خلط المواد الدافعة أثناء عملية الاحتراق. ففي المحركات التي تعمل بالوقود الصلب، يُخلط المؤكسد والوقود في المصنع ضمن ظروف مضبوطة بدقة. أما في المحركات التي تعمل بالوقود السائل، فيُخلط الوقود عادةً بواسطة حاقن في أعلى غرفة الاحتراق، حيث يوجه تيارات صغيرة سريعة الحركة من الوقود والمؤكسد إلى بعضها البعض. وقد دُرست تصميمات حاقنات الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل باستفاضة، ولا يزال من الصعب التنبؤ بأدائها بدقة. في المحرك الهجين، يحدث الخلط على سطح انصهار الوقود أو تبخره. ولا تُعد عملية الخلط مضبوطة بدقة، وعادةً ما تبقى كمية كبيرة من الوقود غير محترقة ^{[ 13 ]} ، مما يحد من كفاءة المحرك. ويتحدد معدل احتراق الوقود إلى حد كبير بتدفق المؤكسد ومساحة سطح الوقود المعرضة للاحتراق. وعادةً لا يكون معدل الاحتراق هذا كافيًا للعمليات عالية الطاقة، مثل مراحل التعزيز، إلا إذا كانت مساحة السطح أو تدفق المؤكسد مرتفعًا. قد يؤدي تدفق المؤكسد المرتفع جدًا إلى غمر الحبيبات وفقدان تماسك اللهب، مما يُخمد الاحتراق موضعيًا. يمكن زيادة مساحة السطح، عادةً باستخدام حبيبات أطول أو منافذ متعددة، ولكن هذا قد يزيد من حجم غرفة الاحتراق، ويقلل من قوة الحبيبات، ويقلل من الحمل الحجمي. بالإضافة إلى ذلك، مع استمرار الاحتراق، تتسع الفتحة الموجودة في مركز الحبيبة (المنفذ)، وتميل نسبة الخليط إلى أن تصبح أغنى بالمؤكسد.

شهدت المحركات الهجينة تطوراً أقل بكثير من المحركات التي تعمل بالوقود الصلب والسائل. في الاستخدامات العسكرية، شجعت سهولة التعامل والصيانة على استخدام الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب. أما في الرحلات المدارية، فإن الوقود السائل أكثر كفاءة من المحركات الهجينة، وقد تركزت معظم الجهود التطويرية في هذا المجال. وقد شهدت الفترة الأخيرة زيادة في تطوير المحركات الهجينة للرحلات شبه المدارية غير العسكرية.

• أجرت عدة جامعات مؤخرًا تجارب على الصواريخ الهجينة. ففي عام 1995، أطلقت جامعة بريغهام يونغ ، وجامعة يوتا ، وجامعة ولاية يوتا صاروخًا من تصميم الطلاب يُدعى "يونيتي 4"، والذي كان يعمل بوقود صلب من البولي بوتادين المُنهى بمجموعة هيدروكسيل (HTPB) مع مؤكسد من الأكسجين الغازي. وفي عام 2003، أطلقت الجامعة نسخة أكبر منه تعمل بوقود HTPB مع أكسيد النيتروز. وتُجري جامعة ستانفورد أبحاثًا على محركات هجينة تعمل بوقود أكسيد النيتروز وشمع البارافين . أما جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس (UCLA)، فقد أطلقت صواريخ هجينة من خلال مجموعة طلابية جامعية منذ عام 2009 باستخدام وقود HTPB. ^{[ 14 ]}
• كان معهد روتشستر للتكنولوجيا يعمل على بناء صاروخ هجين من نوع HTPB لإطلاق حمولات صغيرة إلى الفضاء وإلى العديد من الأجسام القريبة من الأرض. وكان أول إطلاق له في صيف عام 2007.
• كانت مركبة "سكيلد كومبوزيتس سبيس شيب ون" ، أول مركبة فضائية مأهولة خاصة، تعمل بمحرك صاروخي هجين يحرق مادة HTPB مع أكسيد النيتروز: "روكيت موتور ون ". وقد صُنع هذا المحرك الصاروخي الهجين بواسطة شركة "سبيس ديف" . واستندت "سبيس ديف" جزئيًا في تصميم محركاتها إلى بيانات تجريبية جُمعت من اختبارات محركات شركة "أميركان روكيت كومباني" (AMROC) في منصة الاختبار E1 بمركز ستينيس الفضائي التابع لناسا .
• نظام إطلاق الفضاء (SLS) الذي تستخدمه وكالة ناسا هو صاروخ هجين، يعتمد على معززين صاروخيين يعملان بالوقود الصلب ( بولي بوتادين أكريلونيتريل - PBAN) ، وأربعة محركات تعمل بالأكسجين السائل والهيدروجين السائل، تمثل المرحلتين الأساسية والعليا للصاروخ. ^{[ 15 ] [ 16 ]} يُستخدم نظام SLS في مهمات أرتميس الجارية ، وقد أُطلق بنجاح في مهمة أرتميس 1 في نوفمبر 2022، ومهمة أرتميس 2 في أبريل 2026. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

تم استخدام الأكسجين الغازي (GOX) كمؤكسد لنظام المناورة المدارية لبرنامج بوران .

تُؤيّن محركات الدفع الأيونية غازًا متعادلًا وتُولد قوة دفع عن طريق تسريع الأيونات بواسطة مجالات كهربائية أو مغناطيسية . وقد استُخدمت هذه المحركات في مشاريع متعددة، بما في ذلك مهمتي داون ودارت التابعتين لناسا، وأقمار ستارلينك الصناعية التابعة لشركة سبيس إكس . ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

تستخدم الصواريخ الحرارية وقودًا خاملًا منخفض الوزن الجزيئي، متوافقًا كيميائيًا مع آلية التسخين عند درجات حرارة عالية. وتعتمد الصواريخ الحرارية الشمسية والنووية عادةً على الهيدروجين السائل لتوليد دافع نوعي يتراوح بين 600 و900 ثانية، أو في بعض الحالات، الماء المُطلق على شكل بخار لتوليد دافع نوعي يبلغ حوالي 190 ثانية. تستخدم الصواريخ الحرارية النووية حرارة الانشطار النووي لإضافة طاقة إلى الوقود. تفصل بعض التصاميم بين الوقود النووي وسائل التشغيل، مما يقلل من احتمالية التلوث الإشعاعي، إلا أن فقدان الوقود النووي كان مشكلة مستمرة خلال برامج الاختبار العملية. تستخدم الصواريخ الحرارية الشمسية ضوء الشمس المركز لتسخين الوقود، بدلًا من استخدام مفاعل نووي.

في التطبيقات ذات الأداء المنخفض، مثل طائرات التحكم في الوضع ، تُستخدم الغازات المضغوطة كالنيتروجين . ^{[ 22 ]} تُخزَّن الطاقة في ضغط الغاز الخامل. مع ذلك، ونظرًا لانخفاض كثافة جميع الغازات العملية وارتفاع كتلة وعاء الضغط اللازم لاحتوائها، فإن استخدام الغازات المضغوطة محدود حاليًا. أحد تطبيقات الغاز المضغوط كوقود للصواريخ هو في صواريخ الماء ؛ حيث يُستخدم الهواء المضغوط لدفع كتلة التفاعل، الماء، خارج الزجاجة البلاستيكية التي تُشكِّل جسم الصاروخ.