Ciclo a espansione

Il ciclo ad espansione (o ciclo expander) è un ciclo termodinamico utilizzato nei motori a razzo a bipropellente liquido. Generalmente, in questo tipo di ciclo, il combustibile viene fatto circolare in tubazioni o intercapedini ricavate nell'ugello di scarico in modo da assorbire calore per rigenerazione fino a permetterne il cambiamento di fase da liquido a gassoso. Una volta raggiunto lo stato gassoso, il combustibile è immesso nella turbina della turbopompa di alimentazione del motore dove, espandendosi e raffreddandosi, cede l'energia necessaria per muovere le pompe del combustibile stesso e dell'ossidante. Il combustibile raggiunge quindi la camera di combustione dove reagisce con l'ossidante.^[1]

Rispetto ad un ciclo a generatore di gas, il ciclo ad espansione permette di costruire motori più semplici ed affidabili al costo di una minore pressione in camera di combustione dal momento che il combustibile è immesso in camera di combustione a valle dell'espansione nella turbina.^[1] La quantità di calore estraibile dall'ugello è poi limitata dalla geometria degli stessi per la legge del cubo quadrato. All'aumentare delle dimensioni di ugello convergente-divergente aumenta la spinta. La superficie dell'ugello (attraverso cui è possibile scambiare calore) aumenta con il quadrato del raggio mentre il volume del combustibile da riscaldare aumenta secondo il cubo del raggio. Per questo motivo c'è un limite teorico di spinta oltre il quale non c'è abbastanza superficie disponibile per riscaldare a sufficienza il combustibile per alimentare la turbopompa. Rimane comunque possibile aumentare la superficie dello scambiatore al costo di un maggior peso e minore efficienza allungando (ad esempio come nel Vinci) la camera di combustione. I motori aerospike non sono soggetti a questa limitazione per la loro forma lineare che non è soggetta alla legge del cubo quadrato. All'aumentare delle dimensioni del motore, infatti, aumentano linearmente sia il volume del combustibile da riscaldare sia la disponibilità termica. Tutti i cicli ad espansione impiegano combustibili criogenici come idrogeno, metano o propano che raggiungono facilmente il loro punto di ebollizione.

Alcuni motori a ciclo ad espansione possono essere dotati di un generatore di gas per avviare e mantenere in moto la turbina finché l'esterno della camera di combustione e dell'ugello non i siano riscaldati a sufficienza.