La boquilla de expansión es un tipo de boquilla de cohete que, a diferencia de los diseños tradicionales, mantiene su eficiencia en una amplia gama de altitudes. Es un miembro de la clase de boquillas compensadoras de altitud , una clase que también incluye la boquilla de tapón y el aerospike . Si bien la boquilla expansiva es la menos avanzada técnicamente y la más simple de entender desde el punto de vista del modelado, también parece ser el diseño más difícil de construir.
En la tobera de campana tradicional, el faldón del motor tiene una forma que se ensancha gradualmente desde la salida de pequeño diámetro de la cámara de combustión, creciendo más lejos de la cámara. La idea básica es bajar la presión del escape expandiéndolo en la boquilla, hasta que alcance la presión del aire ambiente en la salida. Para operaciones a nivel del mar, el faldón es generalmente corto y muy angulado, al menos en comparación con un faldón diseñado para operaciones en el espacio, que son más largos y de forma más gradual. Esto significa que un motor de cohete que pasa una cantidad significativa de tiempo trepando por la atmósfera no puede tener una forma óptima; a medida que sube, la presión ambiental cambia, por lo que la forma exacta y la longitud del faldón tendrían que cambiar para mantener la presión adecuada. Los diseñadores de cohetes tienen que seleccionar el punto óptimo que sea más apropiado para sus necesidades, teniendo en cuenta que esto reducirá el empuje hasta en un 30% en otras altitudes.
La boquilla de expansión aborda esto hasta cierto punto al incluir dos faldones en un solo motor, uno dentro del otro. El primer faldón, unido directamente a la cámara de combustión , está diseñado para su uso en altitudes más bajas y es corto y achaparrado. El segundo, ubicado fuera del primero, se coloca sobre la campana de menor altitud para extenderla a una campana más larga y estrecha (medida en términos de longitud) que se usa para altitudes más altas. En el despegue, la campana exterior se levanta de la campana interior, fuera del camino del escape. A medida que la nave espacial sube, la campana exterior se empuja hacia abajo sobre la campana interior para aumentar la eficiencia de empuje. Por lo tanto, una boquilla expansiva puede tener dos puntos óptimos, lo que puede conducir a una mejora importante en el rendimiento general.
Generalmente simple en concepto, la boquilla de expansión es considerablemente más compleja de construir de lo que parece. Las campanas del motor deben enfriarse para evitar daños por el escape del cohete caliente, y esto ha presentado problemas al expandir los diseños de las toberas. El enfriamiento normalmente se logra haciendo funcionar el oxidante o el combustible (en el caso de los motores alimentados con LH2 ) a través de un tubo en la campana. Con la campana en movimiento, la tubería que lleva el refrigerante a la campana debe ser flexible y esto aumenta la complejidad en la medida en que las ventajas del diseño a menudo se consideran demasiado costosas. En el caso del hidrógeno líquido, el fluido también tiene la desventaja de ser químicamente muy reactivo, lo que hace que una variedad de materiales flexibles comunes no sean adecuados para su uso en esta función.
Por las razones antes mencionadas, los diseños modernos (por ejemplo, NK-33 -1, RL-10 A-4 y RL-10B-2) cuentan con extensiones de boquilla de carbono-carbono reforzadas enfriadas radiativamente que no necesitan tuberías de refrigerante en absoluto.
El primer diseño de motor que incluye una boquilla expansiva parece ser el Pratt & Whitney XLR-129 . El XLR-129 estaba destinado a impulsar el diseño de un avión McDonnell Aircraft de impulso-deslizamiento que se ingresó como parte del estudio del Proyecto ISINGLASS (o RHEINBERRY) que buscaba diseños de seguimiento para reemplazar el Lockheed A-12 que recién estaba entrando en servicio. Era un diseño de oxígeno líquido / hidrógeno líquido que usaba combustión por etapas y generaba aproximadamente 250,000 lbf (1,100 kN) de empuje. Se propuso una versión ampliada del XLR-129 para el concurso del motor principal del transbordador espacial , pero ganó el RS-25 , un Rocketdyne HG-3 ampliado . Dado que estos motores se encienden desde el punto de despegue hacia el vuelo espacial extraatmosférico, cualquier tipo de compensación de altitud podría mejorar drásticamente su rendimiento general. La boquilla de expansión se abandonó más tarde en una fase de reducción de costos y, como resultado, el RS-25 sufre una pérdida de rendimiento del 25% a baja altitud.
Glushko ha utilizado una boquilla de expansión en un diseño, el cohete tripropelente RD-701 . Los fondos se agotaron con la caída del estado soviético , pero los diseñadores están convencidos de que el motor tiene potencial y se han acercado a varias partes para obtener fondos adicionales.