วัฏจักรขยายตัว (Expander cycle ) เป็นวัฏจักรพลังงานของ เครื่องยนต์ จรวดเหลวแบบเชื้อเพลิงสองชนิดในวัฏจักรนี้ เชื้อเพลิงจะถูกใช้ในการระบายความร้อนห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ ทำให้เชื้อเพลิงดูดซับความร้อนและเปลี่ยนสถานะ เชื้อเพลิงที่ร้อนขึ้นและอยู่ในสถานะก๊าซจะไปขับเคลื่อนกังหัน ซึ่งจะขับปั๊มเชื้อเพลิงและปั๊มออกซิไดเซอร์ของเครื่องยนต์ ก่อนที่จะถูกฉีดเข้าไปในห้องเผาไหม้และเผาไหม้

เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงเฟสที่จำเป็น วงจรขยายตัวจึงถูกจำกัดแรงขับโดยกฎกำลังสอง-กำลังสามเมื่อหัวฉีดรูปทรงระฆังถูกปรับขนาด พื้นที่ผิวของหัวฉีดที่ใช้ในการให้ความร้อนแก่เชื้อเพลิงจะเพิ่มขึ้นตามกำลังสองของรัศมี แต่ปริมาตรของเชื้อเพลิงที่จะต้องให้ความร้อนจะเพิ่มขึ้นตามกำลังสามของรัศมี ดังนั้นเมื่อแรงขับเกินประมาณ3,000 กิโลนิวตัน(670,000 ปอนด์-แรง)จะไม่มีพื้นที่หัวฉีดเพียงพอที่จะให้ความร้อนแก่เชื้อเพลิงมากพอที่จะขับเคลื่อนกังหันและปั๊มเชื้อเพลิงได้^{[ 1 ]}สามารถเพิ่มระดับแรงขับได้โดยใช้วงจรขยายตัวแบบบายพาส โดยที่เชื้อเพลิงบางส่วนจะบายพาสกังหันและ/หรือทางเดินระบายความร้อนของห้องแรงขับ และไปที่หัวฉีดห้องหลักโดยตรง เครื่องยนต์ แอโรสไปค์ ที่ไม่ใช่รูปทรงวงแหวน จะไม่ถูกจำกัดโดยกฎกำลังสอง-กำลังสาม เนื่องจากรูปทรงเชิงเส้นของเครื่องยนต์ไม่ได้ปรับขนาดแบบไอโซเมตริก: การไหลของเชื้อเพลิงและพื้นที่หัวฉีดปรับขนาดเชิงเส้นตามความกว้างของเครื่องยนต์ เครื่องยนต์แบบวงจรขยายตัวทั้งหมดจำเป็นต้องใช้เชื้อเพลิงแช่แข็งเช่นไฮโดรเจนเหลวมีเทนเหลวหรือโพรเพน เหลว ซึ่งสามารถถึงจุดเดือด ได้ ง่าย

เครื่องยนต์แบบวงจรขยายตัวบางประเภทอาจใช้เครื่องกำเนิดก๊าซชนิดใดชนิดหนึ่งเพื่อสตาร์ทกังหันและเดินเครื่องยนต์ต่อไปจนกว่าความร้อนที่ป้อนจากห้องขับดันและกระโปรงหัวฉีดจะเพิ่มขึ้นตามแรงดันในห้องขับดันที่เพิ่มสูงขึ้น

ตัวอย่างของเครื่องยนต์วงจรขยายตัว ได้แก่RL10จากAerojet Rocketdyneและเครื่องยนต์ VinciสำหรับAriane 6 ^{[ 2 ]}

วงจรขยายไอเสีย (หรือที่รู้จักกันในชื่อวงจรเปิดขยายและวงจรระบายสารหล่อเย็น) เป็นการดัดแปลงวงจรขยายมาตรฐาน โดยที่เชื้อเพลิงที่ถูกทำให้ร้อนเพียงบางส่วนจะถูกส่งผ่านกังหันแล้วระบายออกนอกเครื่องยนต์แทนที่จะเข้าสู่ห้องเผาไหม้ เชื้อเพลิงที่เหลือจะถูกฉีดเข้าไปในห้องเผาไหม้ การระบายไอเสียของกังหันสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของปั๊มเทอร์โบได้โดยการลดแรงดันย้อนกลับและเพิ่มแรงดันตกคร่อมกังหัน เมื่อเปรียบเทียบกับวงจรขยายมาตรฐาน ข้อแลกเปลี่ยนคือแรงขับของเครื่องยนต์ที่สูงขึ้นแต่ประสิทธิภาพลดลงเนื่องจากเชื้อเพลิงบางส่วนถูกทิ้งหลังจากผ่านกังหันแล้ว^{[ 3 ] [ 4 ]}

บริษัท Mitsubishi Heavy Industriesของญี่ปุ่น ได้พัฒนาเครื่องยนต์ Expander Bleed Cycle หลายรุ่น โดยเครื่องยนต์ LE-5Aของบริษัทเป็นเครื่องยนต์ Expander Bleed Cycle รุ่นแรกที่เข้าประจำการเมื่อถูกนำไปใช้กับ จรวด H-IIในปี 1994 ^{[ 5 ]}เครื่องยนต์LE-9เป็นเครื่องยนต์ Expander Bleed Cycle รุ่นแรกที่ออกแบบมาเพื่อใช้ในขั้นแรกของจรวดและเข้าประจำการเมื่อเปิดตัวกับ จรวด H3ในปี 2023 ^{[ 6 ]}ในปี 2026 จรวด H3-30 เป็นยานปล่อยจรวดลำแรกที่ระบบขับเคลื่อนประกอบด้วยเครื่องยนต์ Expander Bleed Cycle ทั้งหมด

Blue Originเลือกใช้รอบการขยายตัวแบบระบายสำหรับ เครื่องยนต์ BE-3Uที่ใช้ในขั้นบนของยานปล่อยจรวดNew Glenn ^{[ 7 ]}

ในทำนองเดียวกันกับการที่การเผาไหม้แบบเป็นขั้นๆสามารถนำไปใช้แยกกันบนสารออกซิไดเซอร์และเชื้อเพลิงในวงจรการไหลเต็มรูปแบบวงจรขยายตัวสามารถนำไปใช้บนเส้นทางที่แยกจากกันสองเส้นทางเป็นวงจรขยายตัวคู่การใช้ก๊าซร้อนที่มีองค์ประกอบทางเคมีเดียวกันกับของเหลวสำหรับด้านกังหันและปั๊มของปั๊มเทอร์โบช่วยลดความจำเป็นในการไล่ก๊าซและโหมดความล้มเหลวบางอย่าง นอกจากนี้ เมื่อความหนาแน่นของเชื้อเพลิงและสารออกซิไดเซอร์แตกต่างกันอย่างมาก เช่นใน H2 / LOXความเร็วปั๊มเทอร์โบที่เหมาะสมจะแตกต่างกันมากจนต้องใช้เกียร์ระหว่างปั๊มเชื้อเพลิงและปั๊มสารออกซิไดเซอร์^{[ 8 ] [ 9 ]}การใช้วงจรขยายตัวคู่ที่มีกังหันแยกกันช่วยขจัดอุปกรณ์ที่มีแนวโน้มที่จะล้มเหลวนี้^{[ 9 ]}

วงจรขยายตัวคู่สามารถนำไปใช้ได้โดยใช้ส่วนที่แยกออกจากกันในระบบระบายความร้อนแบบสร้างใหม่สำหรับเชื้อเพลิงและสารออกซิไดเซอร์ หรือโดยใช้ของเหลวเดียวสำหรับการระบายความร้อนและใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อต้มของเหลวตัวที่สอง ในกรณีแรก ตัวอย่างเช่น คุณสามารถใช้เชื้อเพลิงเพื่อระบายความร้อนห้องเผาไหม้และใช้สารออกซิไดเซอร์เพื่อระบายความร้อนหัวฉีดในกรณีที่สอง คุณสามารถใช้เชื้อเพลิงเพื่อระบายความร้อนเครื่องยนต์ทั้งหมดและใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อต้มสารออกซิไดเซอร์^{[ 9 ]}

วงจรการขยายตัวมีข้อดีหลายประการเมื่อเทียบกับการออกแบบอื่นๆ:

อุณหภูมิต่ำ

หลังจากที่เชื้อเพลิงเปลี่ยนสถานะเป็นก๊าซแล้ว อุณหภูมิของเชื้อเพลิงมักจะอยู่ใกล้เคียงกับอุณหภูมิห้อง และก่อให้เกิดความเสียหายต่อกังหันน้อยมากหรือไม่มีเลย ทำให้เครื่องยนต์สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ในทางตรงกันข้ามเครื่องยนต์แบบใช้ก๊าซหรือ เครื่องยนต์ เผาไหม้แบบหลายขั้นตอนจะทำงานที่อุณหภูมิสูง

ความอดทน

ระหว่างการพัฒนาRL10วิศวกรกังวลว่าโฟมฉนวนที่ติดตั้งอยู่ด้านในถังอาจหลุดออกและทำให้เครื่องยนต์เสียหาย พวกเขาจึงทดสอบโดยการใส่โฟมหลวมๆ ลงในถังเชื้อเพลิงและเดินเครื่องผ่านเครื่องยนต์ ปรากฏว่า RL10 สามารถใช้งานโฟมได้โดยไม่มีปัญหาหรือประสิทธิภาพลดลงอย่างเห็นได้ชัด เครื่องกำเนิดก๊าซแบบดั้งเดิมนั้นในทางปฏิบัติแล้วก็คือเครื่องยนต์จรวดขนาดเล็ก ซึ่งมีความซับซ้อนมากมาย การอุดตันแม้เพียงส่วนเล็กๆ ของเครื่องกำเนิดก๊าซก็อาจทำให้เกิดจุดร้อน ซึ่งอาจทำให้เครื่องยนต์เสียหายอย่างรุนแรง การใช้ส่วนปลายของเครื่องยนต์เป็น 'เครื่องกำเนิดก๊าซ' ยังทำให้ทนต่อการปนเปื้อนของเชื้อเพลิงได้ดีมาก เนื่องจากช่องทางการไหลของเชื้อเพลิงที่กว้างกว่า

ความปลอดภัยโดยธรรมชาติ

เนื่องจากเครื่องยนต์แบบวงจรขยายตัวรูปทรงระฆังมีแรงขับจำกัด จึงสามารถออกแบบให้ทนต่อสภาวะแรงขับสูงสุดได้ง่าย ในเครื่องยนต์ประเภทอื่น วาล์วเชื้อเพลิงที่ติดขัดหรือปัญหาที่คล้ายกันอาจทำให้แรงขับของเครื่องยนต์เพิ่มขึ้นอย่างควบคุมไม่ได้เนื่องจากระบบป้อนกลับที่ไม่ได้ตั้งใจ เครื่องยนต์ประเภทอื่นจึงต้องใช้ตัวควบคุมเชิงกลหรืออิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนเพื่อให้แน่ใจว่าสิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้น แต่เครื่องยนต์แบบวงจรขยายตัวนั้นถูกออกแบบมาให้ไม่สามารถทำงานผิดพลาดในลักษณะนั้นได้

ประสิทธิภาพการดูดสุญญากาศที่สูงขึ้น

เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์แบบป้อนแรงดันเครื่องยนต์แบบป้อนด้วยปั๊ม และด้วยเหตุนี้ เครื่องยนต์แบบวงจรขยายตัว จึงมีแรงดันในห้องเผาไหม้สูงกว่า แรงดันในห้องเผาไหม้ที่เพิ่มขึ้นทำให้พื้นที่คอคอด A ลดลง และด้วยเหตุนี้ จึงทำให้มีอัตราส่วนการขยายตัวที่มากขึ้น e = A /A ที่เท่ากันซึ่งท้ายที่สุดจะนำไปสู่ประสิทธิภาพสุญญากาศที่สูงขึ้น

เครื่องยนต์แบบวงจรขยายตัวประกอบด้วยเครื่องยนต์ประเภทต่อไปนี้:

• Aerojet Rocketdyne RL10 ^{[ 10 ]}
• แพรตต์ แอนด์ วิทนีย์ อาร์แอล60
• อาริแอนกรุ๊ปวินชี
• CADBและPratt & Whitney RD-0146
• YF-75Dของจีน
• มิตซูบิชิ เฮฟวี่ อินดัสทรีส์LE-5A / 5B
• มิตซูบิชิ เฮฟวี่ อินดัสทรีส์ แอลอี-9
• เครื่องบินแอโรเจ็ต Rocketdyne & MHI MARC-60 (MB-60)
• บลู ออริจินบีอี3ยูและบีอี7
• อาวิโอเอ็ม10
• เครื่องยนต์ความร้อนนิวเคลียร์ของจรวดสาธิตสำหรับการปฏิบัติการคล่องตัวในวงโคจรระหว่างดวงจันทร์ (DRACO)

• วงจรเครื่องกำเนิดไฟฟ้าก๊าซ
• วงจรการระบายการเผาไหม้
• วงจรการเผาไหม้แบบหลายขั้นตอน
• เครื่องยนต์ป้อนแรงดัน
• เครื่องยนต์ป้อนด้วยปั๊มไฟฟ้า

• วงจรพลังงานจรวด