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 miembro de la clase de boquillas compensadoras de altitud , clase que también incluye la boquilla tipo tapón y el aerospike . Si bien la boquilla expansiva es la menos avanzada técnicamente y la más sencilla 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 y se hace más grande a medida que se aleja de la cámara. La idea básica es bajar la presión del escape expandiéndola en la boquilla, hasta alcanzar 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 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 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, sabiendo que esto reducirá el empuje hasta en un 30% en otras altitudes.
La boquilla en expansión soluciona esto hasta cierto punto al incluir dos faldones en un solo motor, uno dentro del otro. El primer faldón, fijado directamente a la cámara de combustión , está diseñado para su uso en altitudes más bajas y es corto y achaparrado. La segunda, ubicada fuera de la primera, se coloca sobre la campana de menor altitud para extenderla hasta convertirla 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 del empuje. Por tanto, una boquilla en expansión puede tener dos puntos óptimos, lo que puede conducir a una mejora importante en el rendimiento general.
Generalmente de concepto simple, la boquilla expansiva es considerablemente más compleja de construir de lo que podría parecer. Las campanas de los motores deben enfriarse para evitar daños causados por el escape caliente del cohete, y esto ha presentado problemas en los diseños de boquillas en expansión. El enfriamiento normalmente se logra haciendo pasar el oxidante o el combustible (en el caso de motores alimentados con LH2 ) a través de un tubo en la campana. Con la campana en movimiento, las tuberías que llevan el refrigerante a la campana tienen que 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 boquilla de carbono-carbono reforzadas y enfriadas por radiación que no necesitan ninguna tubería de refrigerante.
El primer diseño de motor que incluye una boquilla expansible parece ser el Pratt & Whitney XLR-129 . El XLR-129 estaba destinado a impulsar un diseño de avión de planeo impulsado por McDonnell Aircraft que se ingresó como parte del estudio del Proyecto ISINGLASS (o RHEINBERRY) que busca diseños de seguimiento para reemplazar el Lockheed A-12 que recién estaba entrando en servicio. Era un diseño de oxígeno líquido / hidrógeno líquido que utilizaba combustión por etapas y generaba alrededor de 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 un vuelo espacial extraatmosférico, cualquier tipo de compensación de altitud podría mejorar drásticamente su rendimiento general. La boquilla de expansión se abandonó posteriormente 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 ha utilizado una boquilla expansiva en un diseño, el cohete tripropelente RD-701 . La financiación se acabó 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.