Непрерывное совершенствование конструкции жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) сопровождается поиском наиболее эффективных видов ракетных топлив. Предъявляемыми при этом основными требованиями к топливам являются: наибольший удельный импульс, максимальная плотность, безопасность и удобство хранения, заправки и эксплуатации. Существуют и другие требования, предъявляемые к компонентам топлива, но все-таки наиболее важным из них принято считать обеспечение наивысшего удельного импульса.

Жидкостные ракетные двигатели создают силу тяги за счет химической энергии компонентов топлива, находящихся на борту летательного аппарата. Основной параметр ракетного двигателя - скорость истечения (удельный импульс) - ограничен энергией, содержащейся в единице массы топлива. Считается, что верхний предел химической энергии, запасенный в единице массы топлива, составляет 12·106 Дж/кг. Именно такая энергоемкость двухкомпонентного топлива F2/H2 достигается при равновесном истечении продуктов его сгорания из камеры с рабочим давлением 6,9 МПа при степени расширения 600. Такие условия работы камеры сгорания взяты в качестве исходных данных при расчетах теоретических значений удельного импульса.

Отношение действительного удельного импульса к его теоретическому значению или коэффициент полноты удельного импульса может быть достаточно высоким (например, для ЖРД "Спейс Шаттл" он равен 0,978). Теоретическое значение удельного импульса может быть получено при равновесном одномерном истечении продуктов сгорания топлива из сопла при отсутствии трения и отвода тепла. Неполное сгорание топлива, потери, связанные с пограничным слоем и др. уменьшают величину удельного импульса. В существующих ЖРД потери могут быть понижены до 5 % и менее. Важной особенностью ЖРД является и высокий коэффициент полезного действия термического цикла, например, для компонентов F2/H2 при перепаде давлений (степени сжатия) 27 000, начальной температуре 4546К и конечной температуре 530К он составляет 0,883.

В настоящее время в космосе широко используются ЖРД на таких компонентах ракетного топлива (КРТ), как O2/H2 и N2O4/монометилгидразин (ММГ). Несмотря на то, что пара компонентов N2O4/ ММГ имеет относительно низкий удельный импульс, она обеспечивает предварительную заправку и длительное хранение в заправленном виде при нормальных температурах. Высокоэнергетическое топливо O2/H2 применяется в маршевых двигателях ракет-носителей (Р-Н) и космических аппаратов "Центавр", "Спейс Шаттл", "Аполлон". Двигатели реактивной системы управления "Спейс Шаттл" и "Аполлон" используют самовоспламеняющееся топливо N2O4/ММГ.

ЖРД разгонных ступеней Р-Н "Атлас", "Тор", "Сатурн" работают на топливе О2/керосин RP1, а ЖРД Р-Н "Титан" - на N2O4/аэрозин (50 % гидразина и 50 % НДМГ).

В качестве возможных высокоэнергетических КРТ анализировались ClF5, NF3, N2F4, а также некоторые другие. Все они обладали существенными недостатками такими как, например, высокая чувствительность к удару. Не найдены и новые компоненты топлива с удельными импульсами, которые имеют F2/H2.

Следует отметить, что высокими энергетическими характеристиками обладают некоторые металлы. Наивысший удельный импульс обеспечивают водородные трехкомпонентные топлива, при этом оптимальным является сочетание 25 % водорода, металла и окислителя в стехиометрическом соотношении, несмотря на низкую массовую плотность такого топлива. Источником тепловой энергии являются окислитель и металл, а водород - рабочим телом. Двухкомпонентные металлизированные топлива, содержащие металл (обычно алюминий) в виде суспензии в жидком горючем, позволяют получить лишь незначительное приращение удельного импульса и плотности. Особый класс образуют топлива с применением лития.

Разработки четырехкомпонентных жидких топлив с еще более высоким, чем у трехкомпонентных, удельным импульсом не увенчались успехом, поскольку попытки оптимизации находимых составов не давали положительных результатов.

Добавление лития к топливу F2/H2 резко увеличивает удельный импульс, но уменьшает плотность. Алюминий, внесенный в топливо F2/N2Н4, незначительно увеличивает удельный импульс, но при этом вследствие высокой удельной плотности алюминия возрастает плотность топлива.

F2 и Li входят в состав всех топлив, имеющих наивысшие значения теоретического удельного импульса. Применение трехкомпонентного топлива О2/Ве/Н2, хотя и позволяет получить наивысший теоретический удельный импульс, довольно сложно.
Как уже отмечалось, высокие значения удельного импульса обеспечивают топлива на основе фтора. Но более безопасны фтористый азот NF3 и фторазин N2F4 (последний более предпочтителен, поскольку позволяет получить теоретический удельный импульс на 5 % выше, чем NF3.). Трехкомпонентное топливо NF3/Li/H2 характеризуется более высоким удельным импульсом, чем двухкомпонентные NF3/Li и NF3/H2. В качестве же альтернативы взрывоопасному гидразину может быть использован аммиак. Результаты расчетов показали, что для топлива фтор/аммиак теоретический удельный импульс превышает 98 % удельного импульса топлива фтор/гидразин. Двухкомпонентное топливо F2/Li имеет почти такой же удельный импульс, как и F2/N2.

Оценка приведенных сочетаний КРТ позволяет рекомендовать для применения в маршевых двигателях F2/Li/Н2, F2/Li и NF3/Li, а в двигателях реактивных систем управления - F2/Н2, F2/NН3 и NF3/NН3. Безопасные при обращении и хранении КРТ NF3 и NН3 целесообразно использовать при необходимости быстрой разработки ЖРД, если создаваемый импульс имеет достаточное значение.