La tobera expansiva es un tipo de tobera de cohete que, a diferencia de los diseños tradicionales, mantiene su eficiencia en un amplio rango de altitudes. Es un miembro de la clase de toberas compensadoras de altitud , una clase que también incluye la tobera de tapón y la boquilla aerospike . Si bien la tobera 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 está diseñado para ensancharse gradualmente desde la salida de diámetro pequeño de la cámara de combustión, y hacerse más grande a medida que se aleja de la cámara. La idea básica es reducir la presión del escape expandiéndolo en la tobera, hasta que alcanza la presión del aire ambiente en la salida. Para operaciones a nivel del mar, el faldón es generalmente corto y muy inclinado, al menos en comparación con un faldón diseñado para operaciones en el espacio, que es más largo y tiene una forma más gradual. Esto significa que un motor de cohete que pasa una cantidad significativa de tiempo ascendiendo a través de la atmósfera no puede tener una forma óptima; a medida que asciende, 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, sabiendo que esto reducirá el empuje hasta en un 30% a otras altitudes.
La tobera expansible soluciona este problema 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 usarse a altitudes más bajas y es corto y achaparrado. El segundo, que se encuentra fuera del primero, se ajusta sobre la campana de menor altitud para extenderla en 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 asciende, la campana exterior se empuja hacia abajo sobre la campana interior para aumentar la eficiencia de empuje. Por lo tanto, una tobera expansiva puede tener dos puntos dulces, lo que puede conducir a una mejora importante en el rendimiento general.
Aunque su concepto es generalmente simple, la construcción de la tobera expansible es considerablemente más compleja de lo que parece. Las campanas de los motores deben enfriarse para evitar daños por los gases de escape calientes del cohete, y esto ha presentado problemas en los diseños de toberas expansivas. El enfriamiento se logra normalmente haciendo pasar el oxidante o el combustible (en el caso de los motores alimentados con LH2 ) a través de tubos en la campana. Con la campana en movimiento, las tuberías que llevan el refrigerante a la campana deben ser flexibles y esto aumenta la complejidad hasta el punto de 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 altamente reactivo químicamente, 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 boquillas de carbono-carbono reforzadas enfriadas radiativamente que no necesitan tuberías de refrigerante en absoluto.
El primer diseño de motor que incluyó una tobera expansible parece ser el Pratt & Whitney XLR-129 . El XLR-129 estaba destinado a impulsar un diseño de avión de planeo con impulso de McDonnell Aircraft que se presentó como parte del estudio del Proyecto ISINGLASS (o RHEINBERRY) que buscaba diseños de seguimiento para reemplazar al Lockheed A-12 que acababa de entrar 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 de motores principales del transbordador espacial , pero lo 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 expansible fue posteriormente abandonada en una fase de reducción de costos y, como resultado, el RS-25 sufre una pérdida de rendimiento del 25 % a baja altitud. [1]
Glushko utilizó una tobera expansible en un diseño, el cohete tripropelente RD-701 . La financiación se agotó con la caída del estado soviético , pero los diseñadores están convencidos de que el motor tiene potencial y se han puesto en contacto con varias partes para obtener financiación adicional.