Rakiety chemiczne można podzielić na kilka podkategorii, w zależności od typu paliwa: stałego, ciekłego lub gazowego. Ponieważ w kosmosie nie ma powietrza, które pomogłoby spalić paliwo, materiał napędowy musi się składać z paliwa i utleniacza. Kiedy paliwo i utleniacz są ze sobą zmieszane i odpowiednio podgrzane, spalają się w reakcji chemicznej, oddając ciepło i spaliny. Utleniacz i paliwo nie muszą być w tym samym stanie skupienia. Przykładowo: rakiety hybrydowe używają paliwa stałego, ale ciekłego utleniacza.

Aby jeszcze bardziej skomplikować sprawę, rakiety napędzane gazami takimi jak wodór i tlen nie przechowują ich w stanie gazowym. Jest tak z tego względu, że zbiorniki musiałyby być ogromne i musiałyby wytrzymywać olbrzymie ciśnienia. Aby rakiety były praktyczne, gazy te są schładzane do kriogenicznych temperatur. Rakiety używające materiałów napędowych, które są ciekłe w temperaturze pokojowej, zazwyczaj nie są tak efektywne, jak te z kriogenicznym paliwem, zatem głównym powodem, aby używać cieczy jest to, że hipergoliczne (samozapalające) materiały napędowe są cieczą. Ogólnie rzecz ujmując, kriogeniczne i hipergoliczne materiały pędne są znane jako “paliwo ciekłe”. Każdy z tych materiałów ma inny impuls właściwy (Isp) i różny stosunek mocy do masy, a to determinuje, w jakich sytuacjach są użyteczne.

Rakiety na paliwo stałe – najprostszy typ rakiet chemicznych. Paliwo i utleniacz są w stanie stałym, tak jak czarny proch. Są proste, niezawodne i tanie, ale bardzo trudne do kontrolowania, wygaszenia i ponownego odpalenia. Oferują także gorsze osiągi niż kriogeniczne materiały napędowe, z impulsem właściwym na poziomie 286 sekund.

Hipergoliczne materiały pędne zapalają się po wymieszaniu paliwa z utleniaczem, bez udziału iskry. Dzięki temu, silniki je wykorzystujące są niesamowicie niezawodne. Można na nie liczyć w przypadku zagrożenia, a także idealnie nadają się do krótkich odpaleń potrzebnych do manewrowania statkiem kosmicznym (RCS). Są tak niezawodne, że mogą być wielokrotnie odpalane na ułamek sekundy, co jest konieczne przy precyzyjnych i delikatnych manewrach, takich jak dokowanie do stacji kosmicznej. Mogą być zdławione, aby wytworzyć bardzo niski ciąg. Niestety, hipergoliczne paliwa mają w zwyczaju być silnie toksyczne w niespalonej formie. SpaceX używa N2O4/MMH (tetratlenek diazotu/monometylohydrazyna) w silnikach Draco i SuperDraco (odpowiednio w Dragonie V1 i V2), które mają impuls właściwy na poziomie 235 sekund.

Kriogeniczne materiały napędowe są niezwykle lekkie, jak na ciąg, który produkują, ze względu na to, że są zbudowane prawie wyłącznie z gazów o małej masie cząsteczkowej, takich jak wodór czy tlen. To sprawia, że są używane jako konie pociągowe rakiet chemicznych, jednak paliwo powoli będzie się gotowało, nawet jeśli jest odizolowane próżnią kosmosu. Gotujące się gazy rozszerzają się. Z tego powodu, zbiorniki na paliwo kriogeniczne nigdy nie są tankowane do pełna. Małe silniki ulażowe wypychają kriogeniczne paliwo w dół głównego zbiornika, aby silniki mogły ponownie odpalić w środowisku zero-g. To sprawia, że są mniej praktyczne w długotrwałych misjach. Ze względu na ich niską temperaturę, mogą być prowadzone w systemie rurek w dyszy silnika, w celu chłodzenia regeneracyjnego. To pozwala na utrzymanie zimnych dysz, a paliwo może być spalane w wyższej temperaturze, aby osiągnąć większą prędkość gazów wylotowych. Pomimo że większość kriogenicznych materiałów pędnych używa ciekłego tlenu (LOX) jako utleniacza, jest kilka opcji, jeśli chodzi o paliwo:

• Ciekły wodór (LH2) jest najlżejszym możliwym paliwem. Z tego względu został użyty w rakiecie Saturn V podczas misji księżycowych, a także w wahadłowcach. Gotuje się w temperaturze -253°C i ma maksymalny impuls właściwy na poziomie 450 s, kiedy jest zmieszany z ciekłym tlenem. Do zapłonu konieczna jest iskra.

• Ciekły metan / ciekły tlen (CH4/LOX), z impulsem właściwym na poziomie 380 sekund, nie jest tak wydajny, jak LH2/LOX. Do zapłonu również potrzebuje iskry. Gotuje się w dużo wyższej temperaturze (-161°C) i może być łatwo wytwarzany z dwutlenku węgla i wodoru, zawartego na przykład w wodzie. Ponieważ atmosfera Marsa składa się w większości z CO2, rakieta może uniknąć konieczności transportowania 95% masy paliwa potrzebnego na powrót, wystarczy, że na pokładzie będzie wodór i mały reaktor, aby wytwarzać metan i tlen. Trudniejszym sposobem mogłoby być roztopienie wody z marsjańskiej gleby, ale dostarczyłoby to źródło wodoru i wyeliminowało konieczność transportu paliwa na powrót. Tego typu wykorzystanie zasobów lokalnych na Marsie pozwoliłoby na znaczące obniżenie kosztów misji do akceptowalnego poziomu. Silniki Raptor, projektowane przez SpaceX, mają używać metanu i ciekłego tlenu, i będą użyte w statku Mars Colonial Transporter.

RP-1 jest wysoko rafinowaną formą kerozyny, która jest bardzo podobna do paliwa lotniczego. Nie pasuje praktycznie do żadnej z powyższych kategorii, ze względu na to, że w temperaturze pokojowej ma stan ciekły, jednak nie jest hipergoliczna, ale jest używana w połączeniu z ciekłym tlenem, który jest kriogeniczny. Ma wysoką temperaturę zapłonu, co jest dobre ze względów bezpieczeństwa, jednak złe ze względu na trudności z odpaleniem. Do odpalenia wymaga hipergolicznego materiału. Tak jak inne pochodne ropy naftowej, jest bardzo tania, jednak po zmieszaniu z ciekłym tlenem, jej maksymalny impuls właściwy to tylko 353 s. Ze względu na niski koszt, SpaceX używa RP-1 w ich silnikach Merlin, stosowanych w rakietach klasy Falcon.

Porównanie materiałów napędowych, stosowanych przez SpaceX

SpaceX to przede wszystkim firma zajmująca się wysłaniem ładunków w kosmos, więc stosunek mocy do masy jest generalnie ważniejszy, niż impuls właściwy. Obiekty zaprojektowane do orbitowania, zamiast do startu, mają inny zestaw wymagań. Jest też trzeci zestaw wymagań dla elementów związanych z przerwaniem misji (aby umożliwić załogowej kapsule szybkie oddalenie się od uszkodzonej/zepsutej rakiety). Tabela poniżej pokazuje różnice pomiędzy trzema paliwami stosowanymi przez SpaceX. Dla porównania dodano również tradycyjne połączenie ciekłego wodoru i ciekłego tlenu.