Технология производства ракетных двигателей твердого топлива

УДК 621.454.3.07(075.8)  
 
ББК 39.55 
  К17 
Издание подготовлено в рамках Федеральной  
целевой программы «Культура России» 

 

Р е ц е н з е н т ы:  

зам. генерального конструктора — главный технолог  

ФГУП «Московский институт теплотехники» С.В. Челышев;  

лауреат Государственной премии, заслуженный создатель  

космической техники, канд. техн. наук В.И. Гребенкин; 

директор Центра прочности ЦНИИСМ, лауреат Государственных  

премий, д-р техн. наук, проф. А.Б. Миткевич 
 
 
Калинчев В. А.  
    Технология производства ракетных двигателей твердого 
топлива : учеб. пособие / В. А. Калинчев, Д. А. Ягодников. — 
М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. — 687, [1] с. : 
ил. (Технологии ракетно-космического машиностроения). 
 
ISBN 978-5-7038-3475-6 
 
Рассмотрены главные составляющие технологического процесса 
производства ракетных двигателей твердого топлива, включая 
обоснование выбора конструкционных материалов, подготовку 
производства и отдельные стадии изготовления элементов, методы 
применения современных пакетов САПР для разработки технологических 
процессов изготовления отдельных узлов двигателей как 
части полного жизненного цикла изделия. 
Учебное пособие написано на основе материалов лекций по 
дисциплине «Технология специального машиностроения», которые 
авторы читают в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Для студентов старших курсов, инженеров, преподавателей, 
аспирантов и магистрантов. 
 
УДК 621.454.3.07(075.8) 
ББК 39.55                              

 
 
 Калинчев В. А., Ягодников Д. А., 
2011 
 
ISBN 978-5-7038-3475-6 
 Оформление. Издательство 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011 

К17 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ПРЕДИСЛОВИЕ .........................................................................................   5 
Список основных сокращений .................................................................   7 
ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................   9 
1. Базовые направления технологии  ракетного твердотопливного 
двигателестроения ..............................................................................  10 
1.1. Общие вопросы технологии РДТТ ................................................  10 
1.2. Диалектика твердотопливного ракетостроения............................  16 
1.3. Технология твердотопливного двигателестроения ......................  24 
1.4. Конструктивно-технологические особенности РДТТ..................  28 
1.5. Особенности машиностроительного завода .................................  33 
1.6. Технологические процессы ............................................................  39 
1.7. Методика проектирования  технологических процессов ............  44 
1.8. Критерии качества и этапы изготовления РДТТ ..........................  47 
1.9. Технологичность конструкции РДТТ............................................  56 
1.10. Технологическая подготовка производства................................  65 
1.11. Компьютерная автоматизация  технологических процессов.....  68 
2. Конструктивно-технологические особенности применяемых   
материалов.............................................................................................  77 
2.1. Конструкционные металлы и сплавы............................................  79 
2.2. Полимерные материалы..................................................................  94 
  
2.4. Композиционные материалы........................................................  114 
2.4.1. Высокопрочные конструкционные ПКМ..............................   115 
2.4.2. Препреги.....................................................................................   142 
2.4.3. Характеристики ПКМ...............................................................   152 
2.4.4. Комбинированные металлокомпозитные конструкции.......   159 
2.5. Армированные металлические КМ..............................................  179 
2.6. Армированные керамические КМ ...............................................  183 
2.7. Абляционные материалы..............................................................  190 
2.8. Теплоизоляторы.............................................................................  204 
2.9. Эрозионно-стойкие материалы ....................................................  218 
2.10. Эксплуатационные особенности  конструкционных ПКМ .....  220 
3. Технологии формообразования элементов  конструкции РДТТ.....   256 
3.1. Литье...............................................................................................  257 
3.2. Пластическое деформирование....................................................  261 
3.2.1. Холодное деформирование......................................................   265 
3.2.2. Горячее деформирование.........................................................   265 
3.2.3. Особенности литья и деформирование активных металлов   273 
3.3. Механическая обработка ..............................................................  276 
3.3.1. Оборудование и инструментальные материалы...................   277 

Оглавление 
————————————————————————————————— 
4 

3.3.2. Режущие инструменты.............................................................   295 
3.3.3. Технология резания материалов .............................................   307 
3.3.4. Особенности обработки материалов ......................................   313 
3.3.5. Пути совершенствования механической обработки ............   344 
3.3.6. Технологический процесс  механической обработки    
фланца ..........................................................................................   355 
3.4. Особенности формообразования деталей  РДТТ из ПКМ.........  358 
3.4.1. Послойная выкладка ................................................................   361 
3.4.2. Термообработка при формовании...........................................   369 
3.4.3. Формование жестких абляторов .............................................   378 
3.4.4. Формование эластичных абляторов .......................................   399 
3.5. Особенности конструирования композиции аблятора...............  418 
3.6. Методы формования заделок .......................................................  431 
4. Специфические методы формообразования ...................................  451 
4.1. Порошковая металлургия .............................................................  451 
4.1.1. Порошковые компоненты и этапы  технологического  
процесса .......................................................................................   453 
4.1.2. Особенности конструкций из углерода..................................   474 
4.1.3. Гранульная и нанометаллургия...............................................   503 
4.2. Плазменное напыление.................................................................  507 
4.2.1. Особенности процесса..............................................................   509 
4.2.2. Технология нанесения покрытия............................................   515 
4.2.3. Напыление покрытия на раструб сопла.................................   528 
4.3. Газофазное осаждение ..................................................................  530 
4.3.1. Технология получения пировольфрамового вкладыша.......   533 
4.3.2. Технология изготовления пирографитового вкладыша.......   538 
4.3.3. Технология изготовления пироуплотненного УУКМ .........   540 
4.4. Основы технологии намотки........................................................  542 
4.4.1. Станки и технологическая оснастка.......................................   545 
4.4.2. Технология изготовления оправок..........................................   565 
4.4.3. Структура намотанных ПКМ..................................................   585 
4.4.4. Особенности технологии намотки..........................................   599 
4.4.5. Технологический процесс намотки  органопластикового 
кокона...........................................................................................   626 
4.4.6. Особенности проектирования  технологического процесса..   629 
4.5. Фильтрационное осаждение.........................................................  639 
4.6. Сверхзвуковое газопламенное напыление ..................................  651 
4.7. Раскрой и резка заготовок.............................................................  655 
4.7.1. Резка ножницами и на станках................................................   655 
4.7.2. Физико-химические методы обработки.................................   667 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................  683 
ЛИТЕРАТУРА..........................................................................................  684 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Каким бы оптимальным ни было конструкторско-технологи-
ческое решение детали или отдельной сборочной единицы, надеж-
ность и эксплуатационная технологичность изделия в целом будут 
определяться реальной возможностью воплощения замысла разра-
ботчиков в действующий образец. 
Наблюдаемое в течение последних 50 лет прогрессирующее и 
эффективное применение ракетных двигателей твердого топлива 
(РДТТ) в изделиях ракетно-космической техники (РКТ) во многом 
обусловлено инновационным развитием технологии производства 
РДТТ. В ряде случаев успехи технологии обеспечили появление 
уникальных конструкторских решений и достижение предельных 
эксплуатационных характеристик этих двигателей. 
Технология производства РДТТ для межконтинентальных 
баллистических ракет (МБР) возникла не на пустом месте. Безус-
ловно, были использованы фундаментальный опыт создания пер-
воклассных отечественных систем залпового огня и информация о 
подобных работах за рубежом [1]. Базой для возрождения твердо-
топливного ракетостроения послужили успехи в технологиях тя-
желой, химической, авиационной и приборостроительной отраслях 
промышленности. Тем не менее, применяя пионерские методы и 
получая не имеющие мировых аналогов результаты как в конст-
руировании, так и в технологии, при разработке новой техники 
пришлось решать иные задачи. 
Новой отрасли потребовались высококвалифицированные кад-
ры для НИИ и КБ, опытного и серийного производств. Большую 
роль в их подготовке сыграли ведущие научно-педагогические 
школы, сформировавшиеся в МГТУ им. Н.Э. Баумана, МАИ, КАИ, 
Санктпетербургском военно-механическом, технических вузах 
Днепропетровска, Ижевска, Перми и др. Характерный показатель 
становления отрасли — издание литературы по этой тематике. 
Обратим внимание на то, что большинство учебников и учеб-
ных пособий по РДТТ, как и по жидкостным ракетным двигателям 

Предисловие 
————————————————————————————————— 
6 

(ЖРД), посвящено конструированию, проектированию, исследо-
ванию рабочих процессов [2—11]. Вопросы технологии затронуты 
лишь в некоторых работах [12—19]. Одним из объяснений служит 
использование в учебном процессе литературы по технологиям 
авиационно-космического машиностроения [20—22], производст-
ву ЖРД [23—25], внеотраслевой работе со специфичными мате-
риалами [26—28] и по отдельным проблемам [29—31]. Здесь на-
глядно проявляется взаимосвязь и преемственность технологии 
ракетно-космического машиностроения (РКМ) [32—34] с бога-
тейшей научно-технологической базой других отраслей промыш-
ленности [35—37]. 
Данная взаимосвязь легко прослеживается и в предлагаемом 
учебном пособии, поскольку оно содержит разделы не только по 
технологии производства РДТТ, но и технологиям двойного при-
менения. Это относится и к общим вопросам технологии как нау-
ки, к организации производственной системы на машинострои-
тельном предприятии, некоторым технологическим процессам, а 
также современным информационным технологиям. 
Учитывая ограниченное количество литературы по техноло-
гии изготовления РДТТ, авторы надеются, что данное пособие до-
полнит имеющуюся библиографию ракетного двигателестроения, 
в частности твердотопливного, и будет востребовано обучающи-
мися по разным образовательным программам направлений подго-
товки бакалавров, магистров и специалистов.  
Авторы выражают признательность рецензентам — замести-
телю генерального конструктора ФГУП МИТ, лауреату Государ-
ственной премии, заслуженному создателю космической техники, 
кандидату технических наук В.И. Гребенкину и заместителю гене-
рального конструктора — главному технологу ФГУП «Москов-
ский институт теплотехники» С.В. Челышеву.  
Авторы благодарны за помощь в оформлении рукописи инже-
неру О.А. Зайцевой, доценту Г.А. Орлову и всем, кто помогал при 
издании пособия. 

Список основных сокращений 

АРДС  — аргонодуговая сварка 
АСУ  
— автоматизированная система управления 
БРПЛ  — баллистические ракеты подводных лодок 
ВВС  
— военно-воздушные силы 
ВМФ  — военно-морской флот 
ГИ  
— государственные испытания 
ГФО  
— газофазное осаждение 
ДУЗ  
— детонирующий удлиненный заряд 
ЖРД  
— жидкостный ракетный двигатель 
ИМД  — импульсные методы деформирования 
КВО  
— круговое вероятное отклонение 
КД  
— конструкторская документация 
ККМ  — керамические композиционные материалы 
КЛА  
— космический летательный аппарат  
КМ  
— композиционные материалы 
КМС  — коэффициент массового совершенства 
КТР  
— конструкторско-технологические решения 
ЛКИ  
— летно-конструкторские испытания 
ЛС  
— лазерная сварка 
МБР  
— межконтинентальная баллистическая ракета 
МВИ  — межведомственные испытания 
МКМ  — металлические композиционные материалы 
МПС  — микроплазменная сварка 
НИР  
— научно-исследовательская работа 
ОКР  
— опытно-конструкторская работа 
ОСВ  
— ограничение стратегических вооружений 
ОСИ  
— огневые стендовые испытания 
ОТКИ  — отработка технологичности конструкции изделия  
ПКМ  — полимерные композиционные материалы 
ППН  — продольно-поперечная намотка 
ПТН  
— прямая тканевая намотка 
РВСН  — ракетные войска стратегического назначения 
РДТТ  — ракетный двигатель твердого топлива 

Список основных сокращений 
————————————————————————————————— 
8 

РКТ 
— ракетно-космическая техника 
РСМД  — ракеты средней и меньшей дальности 
СН  
— спиральная намотка 
СТО  
— средства технологического оснащения 
СТС  
— сложная техническая система 
ТБ  
— тяжелые бомбардировщики 
ТЗМ 
— теплозащитный материал 
ТИМ  — теплоизоляционные материалы 
ТКИ  
— технологичность конструкции изделия 
ТП 
— технологический процесс 
ТПП  
— технологическая подготовка производства 
ТТ  
— твердое топливо 
ТТР  
— твердотопливная ракета 
ТТТ  
— тактико-технические требования 
ТТХ  
— тактико-технические характеристики 
ФХМ  — физико-химические методы 
ШВ  
— штамповка взрывом 
ЭЛС  
— электронно-лучевая сварка 
 

ВВЕДЕНИЕ 

 
ХХ век явил миру блистательные примеры создания и примене-
ния разнообразных изделий в машино- и приборостроении, особенно 
военного назначения. Основным средством доставки полезной на-
грузки к цели была выбрана ракета как энергетическая установка, 
преобразующая химическую энергию жидкого или твердого топлива 
в кинетическую энергию собственного движения. 
Жидкостные и твердотопливные ракетные двигатели в своем 
развитии сменили несколько поколений, отразивших динамику 
конструкторско-технологических решений (КТР). Их развитие свя-
зано с научно-техническими достижениями страны и носит обще-
национальный характер. Анализ истории ракетостроения учит 
многому. 
Подготовка специалистов в области ракетного двигателе-
строения началась в МВТУ им. Н.Э. Баумана в 1948 г. (приказ 
МВО СССР № 122 от 26.01.1948 г.). 
Технологическую подготовку инженеров ракетных специаль-
ностей осуществляет кафедра «Технология ракетно-космического 
машиностроения», которая ориентируется на постоянную конст-
рукторско-технологическую практику в течение всего периода 
обучения в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Такой подход адекватен но-
вым запросам предприятий оборонных отраслей, нуждающихся в 
специалистах, комплексно решающих задачи конструирования 
изделий высокого уровня технологичности с применением про-
грессивных унифицированных технологических решений для 
обеспечения высокой эксплуатационной надежности конструкции.  

1. Базовые направления технологии  
ракетного твердотопливного двигателестроения 

1.1. Общие вопросы технологии РДТТ 

После Второй мировой войны в СССР интенсивное развитие 
по ряду причин получили жидкостные ракеты (ЖР). Однако в 
1950—1960-е годы резко возросло применение крупногабаритных 
твердотопливных ракет (ТТР). Успехи в этой области способство-
вали использованию твердого топлива не только для малых двига-
телей, но и для маршевых ступеней ракет-носителей (РН), где они 
составили конкуренцию ракетам на жидком топливе. 
Дальнейшее развитие РДТТ весьма перспективно вследствие 
достоинств, которыми обладают эти конструкции. 
1. Постоянная боеготовность ТТР и простота запуска на стартовой 
позиции (твердое топливо введено в них в процессе производства 
на снаряжательном заводе, его воспламенение осуществляется 
разнообразными пиротехническими средствами). Простота 
обслуживания ТТР позволяет реализовать высокую оперативность 
ведения огня. Время предстартовой подготовки пуска — примерно 
30 с. 
2. Простота конструкции РДТТ: 
 отсутствие вращающихся агрегатов типа газовой турбины и 
гидравлического насоса, клапанов и других элементов гидропнев-
моавтоматики, а также систем регенеративного и завесного охлаждения 
стенки, смешения и распыления компонентов охлаждения; 
 подвижные части элементов конструкции практически сведены 
только к органу управления вектором тяги, число регулируемых 
устройств минимально; 
 требования по нормам герметичности корпуса упрощены и 
обеспечены условиями серийного производства; 
 технические средства оснащения, хранения и эксплуатации 
просты и сводятся к регламентным проверкам в течение гарантий-
ного срока. 

1.1. Общие вопросы технологии РДТТ 
————————————————————————————————— 
11 

3. Надежность РДТТ выше, чем у ЖРД на порядок (в 8—10 раз 
по экспертным оценкам долговечности, безотказности и ремонто-
пригодности) в условиях одноразового применения. Статистиче-
ские оценки надежности ТТР в США показали уровень до 99,96 % 
на 100 тысячах авиационных РДТТ с тягой 15…50 т. У МБР на 
твердом топливе (ТТ) надежность составляет 92…93 %. 
4. Меньшие габариты и масса ТТР при равной с ЖР полезной 
нагрузке или массе топлива. Коэффициент массового совершенства 
мал (α = mсух/mтопл), у РДТТ верхних ступеней (α = 0,034…0,082). 
Самое низкое его значение (0,011—0,014) отмечено в ТТР «Ска-
ут», созданной в США в 1960 г. и до сих пор используемой в кос-
монавтике. У маршевых РДТТ этот коэффициент составляет 
0,12—0,18. Массово-геометрические показатели также не в пользу 
жидкостных ракет. При габаритах 10  110 м и массе 2 500 т тяга 
3 400 т у первой ступени РН «Сатурн-5» обеспечивается пакетом 
из пяти ЖРД. Такую же тягу может создать один РДТТ диаметром 
6,6 м, длиной 41,9 м и массой 1670 т. Это обстоятельство сделало 
ТТР предпочтительными для мобильных, подводных, шахтных 
схем базирования и даже для наземных стартов. 
5. У РДТТ лучше и другие показатели: коэффициент массового 
снаряжения ηm = mтопл/m0  0,95; коэффициент объемного снаряже-
ния εv = Vтопл/Vкорп = 0,9; плотность твердых топлив выше, чем жидких 
компонентов; относительная масса топлива в ЖР составляет 88…90 %, 
а в ТТР 85…88 % (тяжелых) и 92….93 % (среднего класса). 
6. Тяговооруженность ТТР на 50 % выше ЖР, поэтому они 
эффективны в качестве стартовых ускорителей, действующих 
кратковременно. При этих условиях (большая тяга и малое время 
работы) они легче и имеют меньшие габариты, чем изделия с 
ЖРД. С увеличением времени работы растет требуемая толщина 
теплозащитного покрытия (ТЗП) и ухудшается массовое совер-
шенство конструкции. Твердотопливные ускорители (ТТУ) эффек-
тивно комплектуются в РН для вывода нагрузки на орбиту по 
идеологии «запуск по заказу». РДТТ идеально подходят для верх-
них ступеней и разгонных блоков, но в российской космонавтике 
используются недостаточно. 
7. Простыми средствами РДТТ обеспечивают большой се-
кундный расход топлива (2…5 т/с), в то время как для ЖРД нуж-
ны мощные и тяжелые турбонасосные агрегаты. Один из путей 
усовершенствования РДТТ в этих условиях — сокращение вре-

1. Базовые направления ракетного двигателестроения 
————————————————————————————————— 
12

мени работы нижних ступеней, что уменьшает потери скорости 
на преодоление земного тяготения при незначительных потерях 
скорости на преодоление аэродинамического сопротивления. 
8. Стоимость разработки комплексов с РДТТ до 10 раз (чаще в 
2—4 раза) меньше, чем аналогичных с ЖРД. Так, американский 
ЖРД F-1 стоил в разработке более 150 млн долл., а аналогичный 
ему по тяге РДТТ обошелся только в 60 млн. Стоимость вывода 
1 кг полезной нагрузки на орбиту ИСЗ (искусственного спутника 
Земли) с использованием РДТТ в 2—4 раза дешевле, чем с ЖРД. 
Стоимость наземной эксплуатации РДТТ также ниже. Сравни-
тельный экономический анализ производства ступеней с РДТТ и 
ЖРД показывает, что различие их себестоимости незначительно 
(7…10 %) и выше у ЖРД. Это объясняется тем, что стоимость 
твердого топлива выше, чем жидких компонентов. 
9. Безопасность в обращении с твердым топливом выше, чем с 
жидким, так как меньше взрыво- и пожароопасность, проще обес-
печить герметичность изделия, высокую выживаемость, отсутст-
вует загазованность шахт и не столь важна коррозионная стой-
кость материалов. 
10. При создании твердотопливных комплексов разного на-
значения высока эффективность компоновки из связок ракет (па-
кетов) без газовой связи и с газовой связью их камер сгорания. Из-
вестны компоновки блоков из 8—12 ракет. 
11. Возможна компоновка вариантов тяги путем сборки еди-
ного корпуса из секций, предварительно снаряженных топливом. 
Известны 5- и 7-секционные корпуса РДТТ. 
12. Просты и надежны конструкторско-технологические ре-
шения по разделению ступеней ракеты в полете и снижению числа 
ступеней за счет снаряжения корпуса топливом, различающимся 
составом и энергетическими характеристиками, имитирующими 
ступенчатое изменение тяги. 
Существуют и иные полезные возможности: 
стабилизация полета ракеты вращением для повышения куч-
ности боя; 
создание комбинированных ракетных двигателей на гибрид-
ном топливе (горючее — твердый компонент, окислитель — жид-
кость), на гелеобразном и порошкообразном топливе, а также 
РДТТ с постепенно сгорающим корпусом.