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膨張ノズルは、従来の設計とは異なり、幅広い高度範囲で効率を維持するロケットノズルの一種です。これは、プラグノズルやエアロスパイクなどを含む高度補償ノズルの一種です。膨張ノズルは、モデリングの観点からは技術的に最も単純で理解しやすいものの、製造は最も難しい設計であるように思われます。
従来のベル型ノズルでは、エンジンスカートは燃焼室からの小径出口から徐々に広がり、燃焼室から離れるにつれて大きくなるように成形されています。基本的な考え方は、ノズル内で排気を膨張させて出口で周囲の大気圧に達するまで排気圧を下げることです。海面高度での運用では、スカートは一般的に短く、角度が大きくなっています。これは、宇宙空間での運用用に設計されたスカート（より長く、より緩やかな形状）と比較した場合です。つまり、大気圏を上昇するのにかなりの時間を費やすロケットエンジンは、最適な形状にすることができません。上昇するにつれて周囲の気圧が変化するため、適切な圧力を維持するためにスカートの正確な形状と長さを変更する必要があるからです。ロケット設計者は、ニーズに最も適したスイートスポットを選択しなければなりませんが、他の高度では推力が最大30%減少することを認識しておく必要があります。
膨張ノズルは、1つのエンジンに2つのスカートを内側に配置することで、この問題をある程度解決します。最初のスカートは燃焼室に直接取り付けられ、低高度での使用を想定して短くずんぐりとした形状になっています。2番目のスカートは最初のスカートの外側に位置し、低高度用のベルに被せて、より長く狭い（長さで計測）ベルへと拡張し、高高度で使用されます。離陸時には、外側のベルが内側のベルから引き上げられ、排気口の邪魔にならない位置に移動します。宇宙船が上昇するにつれて、外側のベルは内側のベルの上に押し戻され、推力効率を高めます。このように、膨張ノズルには2つの最適な動作点があり、全体的な性能の大幅な向上につながります。
膨張ノズルは、概念的には単純だが、実際には見た目以上に複雑な構造をしている。ロケットの高温排気による損傷を防ぐため、エンジンのベルを冷却する必要があるが、これが膨張ノズルの設計上の課題となっている。冷却は通常、ベル内のチューブを通して酸化剤または燃料（液体水素エンジンの場合）を流すことで行われる。ベルが動くため、冷却液をベルに運ぶ配管は柔軟性が必要となり、設計の複雑さが増すため、この設計の利点はコストに見合わないと判断されることが多い。液体水素の場合、流体は化学的に非常に反応性が高いという欠点もあり、一般的な柔軟性のある材料の多くはこの用途には適さない。
前述の理由から、現代の設計（例えばNK-33-1、RL10A -4、RL10B-2）では、放射冷却式の強化炭素-炭素製ノズル延長部が採用されており、冷却配管は一切不要である。
膨張ノズルを組み込んだ最初のエンジン設計は、プラット・アンド・ホイットニーのXLR-129であると思われる。XLR-129は、就航したばかりのロッキードA-12の後継機設計を検討するプロジェクトISINGLASS （またはRHEINBERRY）研究の一環として提出されたマクドネル・エアクラフトのブースト・グライド機設計に動力を供給することを目的としていた。これは液体酸素/液体水素設計で、段階燃焼を使用し、約250,000 lbf（1,100 kN）の推力を発生した。XLR-129の拡大版がスペースシャトル主エンジンコンテストに提案されたが、これはロケットダインHG-3を拡大したRS-25が勝ち取った。これらのエンジンは離陸地点から大気圏外宇宙飛行に噴射されるため、高度補正は全体的な性能を劇的に向上させる可能性がある。拡張ノズルは後にコスト削減段階で放棄され、その結果、RS-25は低高度での性能が25%低下した。[ 1 ]
グルシュコは、 RD-701三元燃料ロケットという設計案で膨張ノズルを採用した。ソ連崩壊に伴い資金は枯渇したが、設計者たちはこのエンジンに将来性があると確信しており、追加資金を求めて複数の団体に働きかけている。