Исследование и стендовая отработка ракетных двигателей на твердом топливе

Ìîñêâà
Èçäàòåëüñòâî ÌÃÒÓ èì.  Í.Ý.  Áàóìàíà
2007

Èññëåäîâàíèå
è ñòåíäîâàÿ îòðàáîòêà
ðàêåòíûõ äâèãàòåëåé
íà òâåðäîì òîïëèâå

Â.Ò. Âîëêîâ
Ä.À. ßãîäíèêîâ

УДК 629.7.037  
ББК 39.62 
 В67 

 

Издано при  финансовой поддержке  

Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям  
в рамках Федеральной целевой программы «Культура России» 

 

Рецензент  

д-р техн. наук, проф. А.А. Шишков 
 
 
Волков В.Т., Ягодников Д.А.  
        Исследование и стендовая отработка ракетных двигателей 
на твердом топливе. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 
2007. — 296 с.: ил. 
 
ISBN 978-5-7038-3016-1 
 
На основе обобщения отечественного опыта отработки конструкций 
крупногабаритных ракетных двигателей на твердом топливе 
(РДТТ) представлены современные методики измерений режимных 
параметров работы РДТТ, приведены данные по первичным 
преобразователям, каналам регистрации и обработки результатов 
экспериментов. Изложены алгоритмы функционирования автоматизированных 
комплексов проведения и регистрации результатов 
огневых стендовых испытаний. Рассмотрены принципы проведения, 
особенности и результаты огневых испытаний крупногабаритных 
РДТТ, оснащенных органами управления. Сформулированы прак-
тические рекомендации по обеспечению заданной точности реги-
страции и обработки регистрируемой информации. 
В монографии использованы результаты научных исследова-
ний, проведенных в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Для инженеров, работающих в области ракетно-космической 
техники. Может быть полезна преподавателям, аспирантам, маги-
странтам и студентам старших курсов. 
 
УДК 629.7.037 
ББК 39.62         
 
 
© В.Т. Волков, Д.А. Ягодников, 2007 
 
ISBN 978-5-7038-3016-1 
© Оформление. Издательство МГТУ 
им. Н.Э. Баумана, 2007 

В67 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ПРЕДИСЛОВИЕ ............................................................................................ 5 
Глава 1. Общие сведения о РДТТ ............................................................. 7 
1.1. Ракетные двигатели на твердом топливе  и их классификация .... 7 
1.2. Общие сведения об органах управления РДТТ ............................ 11 
1.3. Основные характеристики органов управления РДТТ ................ 13 
1.4. Поворотные управляющие сопла .................................................. 16 
1.5. Инжекционные органы управления .............................................. 20 
1.6. Конструкция и основные тактико-технические  
характеристики  крупногабаритных РДТТ ................................... 21 
1.7. Основные характеристики продуктов сгорания  смесевых 
ТРТ .................................................................................................... 24 
Глава 2. Основные этапы жизненного цикла РДТТ ........................... 29 
2.1. Особенности отработки конструкции РДТТ ................................ 29 
2.2. Утилизация и ликвидация РДТТ и зарядов ТРТ .......................... 33 
Глава 3.  Стендовые испытания и отработка  ракетных двигателей   
на твердом топливе .................................................................. 39 
3.1. Программа стендовой отработки ................................................... 39 
3.2. Этапы стендовой отработки ........................................................... 45 
3.3. Организация стендовых испытаний РДТТ ................................... 46 
Глава 4. Технические средства  и испытательное оборудование ..... 51 
4.1. Испытательные стенды ................................................................... 51 
4.2. Стапельное оборудование .............................................................. 55 
4.3. Средства имитации высотных условий работы РДТТ ................. 65 
4.4. Специальное оборудование  огневых стендовых испытаний  
крупногабаритных РДТТ ................................................................ 75 
4.5. Стендовые средства высокоточной разгрузки  систем 
измерения тяги.................................................................................. 84 
4.6. Натурные стендовые средства для определения управляющих 
и возмущающих сил ........................................................................ 91 
Глава 5. Системы измерений параметров  крупногабаритных РДТТ  110 
5.1. Общие требования к системе измерений .................................... 110 
5.2. Измерение давлений ..................................................................... 111 
5.3. Измерение усилий ......................................................................... 122 
5.4. Измерение температур .................................................................. 124 
5.5. Измерение тепловых потоков ...................................................... 136 

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

5.6. Измерение деформаций .................................................................139 
5.7. Регистрация быстропротекающих характеристик — 
акустических колебаний и вибраций ............................................139 
5.8. Система единого времени .............................................................143 
Глава 6.  Регистрация и обработка результатов  огневых стендовых 
испытаний  с использованием информационных 
технологий .................................................................................145 
6.1. Регистрация информации ..............................................................145 
6.2. Обработка результатов ОСИ .........................................................154 
Глава 7.  Определение внутрибаллистических,  энергетических  
и тяговых характеристик РДТТ ...........................................156 
7.1. Информативность стендовых испытаний РДТТ .........................156 
7.2. Расчет внутрибаллистических характеристик  по результатам  
ОСИ ................................................................................................ 158 
7.3. Методы определения характеристик ОУ РДТТ ..........................166 
7.4. Динамические характеристики процесса испытания РДТТ  
на вертикальном стенде .................................................................193 
7.5. Методика определения погрешностей  тягово-импульсных 
характеристик РДТТ ..................................................................... 206 
7.6. Методика расчета погрешностей экспериментального  
определения управляющих и возмущающих сил ....................... 210 
Глава 8.  Результаты огневых стендовых испытаний  и отработки  
РДТТ........................................................................................... 223 
8.1. Тягово-импульсные характеристики РДТТ .................................223 
8.2. Экспериментальная отработка методов  и средств 
определения управляющих  и возмущающих сил при ОСИ 
РДТТ ................................................................................................233 
8.3. Погрешность определения управляющей силы   
и эксцентриситета тяги ................................................................. 272 
8.4. Результаты бесконтактной диагностики РДТТ .......................... 280 
Заключение ................................................................................................. 291 
Литература ................................................................................................. 292 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В последние годы усилиями отечественных ученых, главных 
конструкторов ракетных комплексов, прежде всего академиков 
А.Д. Надирадзе, Б.Н. Лагутина, Ю.С. Соломонова, Б.П. Жукова, 
Ю.М. Милехина, В.П. Макеева, В.Ф. Уткина, достигнуты значительные 
успехи в области твердотопливного ракетостроения, 
обеспечившие создание надежного ракетно-ядерного щита, и военный 
паритет в стратегических наступательных вооружениях. 
Разработка стратегических ракетных комплексов нового поколения 
на основе ракет «Тополь-М» и «Булава» свидетельствует о 
преемственности научных и конструкторских кадров нашей страны 
и также подтверждает способность специалистов ракетно-
космического комплекса решать новые сложные задачи, среди которых 
большое значение имеют проблемы надежности и снижение 
сроков разработки. 
Повышение надежности ракетных комплексов, использующих 
высокоэффективные твердые топлива, новые конструкционные и 
теплозащитные материалы, перспективные конструктивные решения 
и схемы двигательных установок, высокоэффективные системы 
управления полетом, существенным образом ужесточает требования 
к этапу огневой стендовой отработки ракетных двигателей 
на твердом топливе (РДТТ), к техническому и методическому 
оснащению испытательных баз. 
Учитывая современные макроэкономические условия развития 
нашей страны, а также насущную потребность в уменьшении 
дорогостоящих и трудоемких натурных огневых стендовых испытаний (
ОСИ) и летно-конструкторских испытаний (ЛКИ) крупногабаритных 
РДТТ, можно утверждать, что актуальной является задача, 
заключающаяся в повышении эффективности огневой стендовой 
отработки и имеющая важное практическое значение. 
Таким образом, создание более совершенных образцов управляемых 
ракетных двигательных установок на твердом топливе 
требует постоянного совершенствования и разработки новых экс-

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

периментальных методов и средств ОСИ, основанных на совре-
менных информационных технологиях и обеспечивающих увеличение 
объема, точности и достоверности экспериментальной информации, 
а также расширение технических возможностей эксперимента. 

Одной из характерных особенностей данной монографии является 
ориентация на использование ее в процессе подготовки и 
проведения стендовой отработки крупногабаритных РДТТ. Причем 
данные по силоизмерительным системам, реализующим принцип 
высокоточной дифференциальной разгрузки и позволяющим 
определять с высокой точностью такие важные параметры, как 
потери тяги при работе органов управления РДТТ, угловые и линейные 
смещения вектора тяги, креновые моменты, публикуются 
впервые. 
В книге использованы материалы диссертации В.Т. Волкова 
на соискание ученой степени доктора технических наук*, результаты 
научных исследований, выполненных на кафедре «Ракетные 
двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана при участии А.Н. Боброва и 
Д.Ю. Юдина, а также материалы книги [1]. 
Главы 3, 4, 5, 7, 8 и разд. 1.2–1.5 написаны профессором 
В.Т. Волковым, предисловие, главы 2, 6 и разд. 1.1, 1.6, 5.4, 5.7, 
8.4, заключение — профессором Д.А. Ягодниковым. 
Авторы благодарны за помощь в оформлении рукописи инженеру 
О.А. Зайцевой и всем, кто помогал изданию монографии. 
Выражаем признательность рецензенту профессору А.А. Шиш-
кову за замечания, которые способствовали улучшению содержания 
книги. 
 
 
Авторы 

                                                      
* Волков В.Т. Создание и внедрение комплекса экспериментальных 
методов и средств для повышения эффективности огневой стендовой 
отработки крупногабаритных ракетных двигателей на твердом топливе с 
органами управления: Дис. д-ра техн. наук / НИИ «Геодезия», Красноармейск, 
1986. 

Глава 1 
Общие сведения о РДТТ 

1.1. Ракетные двигатели на твердом топливе  
и их классификация 

Ракетный двигатель на твердом топливе (РДТТ) — это двигатель 
прямой реакции, в котором химическая энергия твердого топлива 
преобразуется сначала в тепловую, а затем в кинетическую 
энергию продуктов сгорания, истекающих с большой скоростью в 
окружающее пространство. Твердое топливо в РДТТ одновременно 
является источником энергии и рабочего тела — продуктов 
сгорания. 
Современные РДТТ имеют тягу от нескольких ньютонов до 
десятков меганьютонов, а время их работы составляет от миллисекунд 
до сотен секунд. Конструкция РДТТ состоит из следующих 
основных частей (рис. 1.1): обечайка и днище с теплозащитным 
покрытием, заряд твердого топлива с защитно-крепящим слоем, 
фланцевые соединения, сопловой блок с эластичным опорным 
шарниром, выдвижным насадком и заглушкой, рулевой привод 
для поворота сопла с целью управления ракетой в полете по тангажу 
и рысканью. Обечайка, герметично соединенная с задним и 
передним днищами, образует корпус двигателя, который с помощью 
шпангоута стыкуется с отсеком ракеты-носителя. С целью 
предотвращения отслоения заряда от камеры сгорания предусмотрены 
раскрепляющие манжеты. Запуск двигателя осуществляется 
за счет подачи инициирующего сигнала на пиропатроны, которые 
воспламеняют заряды пиротехнического состава (петарды) или 
навеску пороха внутри корпуса воспламенительного устройства. 
Внутренний объем корпуса двигателя, в котором размещается 
заряд из твердого ракетного топлива (ТРТ), называется камерой 
сгорания. Заряд может состоять из одного или нескольких элементов 
твердого топлива — шашек. 

1. Общие сведения о РДТТ 
————————————————————————————————— 
8

Сопло и исполнительные органы управления РДТТ называют 
сопловым блоком. Воспламенительное устройство может входить 
непосредственно в конструкцию РДТТ или быть обособленным (на-
пример, автономный пусковой двигатель). Заряд воспламенителя 
поджигается с помощью пиропатрона. 
Система органов управления РДТТ служит для изменения в 
процессе работы двигателя тяги по величине и направлению с це-
лью обеспечения полета ракеты по заданной траектории или для 
проведения нужного маневра. 
Для реализации заданной программы полета в некоторых слу-
чаях предусматривается отключение РДТТ, которое производят с 
помощью устройств отсечки тяги. Под термином «отсечка тяги» 
понимают либо процесс гашения топлива, например, путем вскры-

 

Рис. 1.1. Схема РДТТ:  

1 — воспламенительное устройство; 2 — обечайка типа «кокон»; 3 — заряд твердо-
го топлива; 4 — эластичный опорный шарнир; 5 — заднее днище; 6 — сопловая 
заглушка; 7 — механизм раздвижки сопла; 8 — рулевая машинка; 9 — закладной 
фланец; 10 — сопловой блок; 11 — выдвижной насадок; 12 — стыковочный шпан-
гоут; 13 — эластичный клин; 14 — раскрепляющая манжета; 15 — пиропатрон 

1.1. РДТТ и их классификация 
————————————————————————————————— 9

тия расположенных в стенках камер РДТТ специальных окон, ли-
бо создание противотяги путем вскрытия реверсивных сопел. 
В ряде случаев в процессе отсечки тяги используются оба эти ме-
тода. При вскрытии реверсивных сопел давление в камере РДТТ 
падает, а основная тяга уравновешивается противотягой. За счет 
совершенствования систем управления летательным аппаратом 
отсечка тяги может быть не предусмотрена. 
Основными достоинствами РДТТ, обусловившими их широ-
кое распространение во всех областях ракетной техники, являются 
следующие: 
• сравнительная простота конструкции двигателя, связанная с 
размещением заряда ТРТ в камере сгорания, что исключает сложные 
системы подачи топлива. Сопловой блок, как правило, не требует 
принудительного охлаждения. В конструкции РДТТ, за исключением 
органов управления вектором тяги, отсутствуют подвижные части; 
• простота эксплуатации ракет с РДТТ, предопределенная 
простотой конструкции РДТТ, отсутствием необходимости в 
сложных регламентных проверках и предпусковых технологиче-
ских операциях; 
• постоянная готовность к действию, поскольку стабильность 
свойств современных ТРТ позволяет длительно хранить РДТТ в 
снаряженном состоянии на стартовых позициях; 
• надежность и безотказность. Надежность действия установки 
равна произведению надежностей отдельных агрегатов, из которых 
она состоит. Следовательно, чем из большего количества отдельных 
агрегатов, надежность каждого из которых всегда меньше единицы, 
состоит установка, тем меньше надежность всей установки в целом. 
Благодаря простоте конструкции и отсутствию отдельных сложных 
агрегатов надежность работы РДТТ велика. 
При проектировании РДТТ инженер-конструктор заранее 
должен знать, для какого типа летательного аппарата или энерге-
тической установки предназначен РДТТ, поскольку область при-
менения последнего будет определять и особенности конструкции 
как РДТТ, так и ракетного комплекса в целом. 
По назначению различают следующие РДТТ: 
• РДТТ ракет, предназначенных для доставки полезного груза 
с одного места поверхности земного шара в другое (земля — зем-
ля, земля — вода, вода — земля). В зависимости от дальности дей-
ствия их разделяют на группы: 

1. Общие сведения о РДТТ 
————————————————————————————————— 
10

РДТТ тактических и оперативно-тактических ракет, 
РДТТ ракет средней дальности, 
РДТТ ракет дальнего действия, к которым относятся и 
   РДТТ межконтинентальных ракет, 
разгонные и маршевые РДТТ для крылатых ракет; 
• РДТТ ракет, предназначенных для доставки полезного груза 
с поверхности земли в околоземное пространство. В зависимости 
от непосредственного назначения их разделяют на группы: 
РДТТ ракет-носителей и космических кораблей, 
РДТТ разгонных блоков и орбитального маневрирования 
   космических аппаратов; 
• РДТТ систем «земля — воздух», в частности: 
РДТТ зенитных ракет,  
РДТТ антиракет; 
• РДТТ ракет, устанавливаемых на летательных аппаратах: 
воздух — воздух,  
воздух — земля,  
воздух — вода; 
• РДТТ ракет, устанавливаемых на надводных кораблях (про-
тиволодочные ракеты); 
• РДТТ торпед, устанавливаемых на подводных лодках. Осо-
бенностью таких РДТТ является их работа на больших глубинах под 
водой в условиях больших противодавлений окружающей среды; 
• РДТТ, используемые в качестве ускорителей на старте летательного 
аппарата и для резкого увеличения его скорости на траектории 
или при проведении маневра; 
• индивидуальные РДТТ, служащие для передвижения и маневрирования 
человека над поверхностью земли или в условиях космоса; 
• РДТТ специального назначения, которые подразделяют на 
следующие группы: 
рулевые РДТТ, 
РДТТ, ускоряющие разделение ступеней составных ракет 
    или отделение полезной нагрузки, 
тормозные РДТТ, обеспечивающие, в частности, возвращение 
с орбиты полезной нагрузки, а также мягкую посадку 
летательного аппарата или космического корабля, 
РДТТ систем аварийного спасения (САС) экипажа и полезного 
груза космических ракет-носителей, 
РДТТ отделения и увода головных обтекателей, 

1.2. Общие сведения об органах управления РДТТ 
————————————————————————————————— 
11

РДТТ систем ориентации и стабилизации летательного аппарата; 
• 
РДТТ ракет народно-хозяйственного назначения: градобой-
ных и противолавинных систем, установок для бурения грунта, пожаротушения,
 экстренного торможения транспортных средств и др. 

1.2. Общие сведения об органах управления РДТТ 

Современная управляемая ракета представляет собой беспи-
лотный летательный аппарат с ракетными двигателями, снабжен-
ный автоматической системой управления (АСУ). 
Обычно под АСУ понимают совокупность электрических, ра-
диотехнических, счетно-решающих и механических устройств, 
обеспечивающих процесс управления ракетой в полете. Конечным 
звеном АСУ является комплекс устройств, позволяющих при по-
лучении командного сигнала тем или иным образом изменять ве-
личины и направление сил, приложенных к ракете, т. е. управлять 
ракетой. Такие устройства называются органами управления (ОУ). 
Величина потребной управляющей силы, являющаяся исход-
ным параметром при проектировании ОУ конкретной ракеты, вы-
бирается из условия 
(
)
y
т
в ,
M
M
M
+ ∑
  
 
(1.1) 

где Му — управляющий момент, Му = 
y
;
R
l
∑  
y
R ∑  — суммарная 

управляющая сила от ОУ, направленная перпендикулярно оси ра-
кеты; l — расстояние от точки приложения 
y
R ∑  до центра массы 

ракеты; Мт — момент тангажа; 
в
M
∑
 — сумма возмущающих мо-
ментов сил, возникающих на ракете в процессе полета. 
Органы управления функционируют с момента запуска до 
окончания работы двигателя. Важность органов управления и 
высокая степень их влияния на эффективность и надежность ра-
кеты общеизвестны. Поэтому при проектировании управляемых 
РДТТ особое внимание уделяют выбору и конструктивной прора-
ботке ОУ. 
В современном ракетостроении используется значительное 
количество самых разнообразных ОУ, отличающихся как фи-
зическими принципами получения управляющих усилий, так и 

1. Общие сведения о РДТТ 
————————————————————————————————— 
12

конструктивными схемами. Выбор и обоснование оптимального 
типа ОУ из этого разнообразия является достаточно сложной за-
дачей. Приходится решать вопросы, связанные с множеством од-
нозначно неопределяемых факторов: надежностью, эффективно-
стью, весовым совершенством, технологичностью, простотой 
конструктивного исполнения и т. д. В конечном итоге оптималь-
ность выбранного типа ОУ в любом случае оценивается на огне-
вых стендовых испытаниях (ОСИ). 
Ниже приведены основные требования, предъявляемые к ОУ: 
• обеспечение потребных управляющих усилий при мини-
мальных потерях тягово-импульсных характеристик РДТТ; 
• минимальный эксцентриситет тяги, обусловленный рабо-
той ОУ; 
• высокая конструктивная надежность и массовое совершен-
ство; 
• стабильность основных характеристик по времени работы 
двигателя; 
• возможность использования рулевых приводов минималь-
ной мощности; 
• простота компоновки на двигателе, не вызывающая услож-
нения его конструкции; 
• технологичность и малые сроки отработки. 
В зависимости от способа получения управляющей силы раз-
личают механические и инжекционные ОУ. 
В механических ОУ управляющая сила возникает либо в ре-
зультате механического воздействия на газовую струю двигателя, 
либо в результате отклонения ее вместе с устройством управления. 
В инжекционных ОУ управляющая сила обусловлена газоди-
намическим взаимодействием основной струи с рабочим телом, 
инжектируемым в расширяющуюся часть сопла. 
Механические ОУ по конструктивному признаку в зависимо-
сти от места, занимаемого в конструкции двигателя, можно под-
разделить на базисные и надстроечные. 
Базисные ОУ являются органической частью двигателя, его 
обязательным элементом. К ним относятся поворотные и вращаю-
щиеся сопла, разрезные управляющие сопла, кососрезанные уп-
равляющие сопла и сопла с подвижным центральным телом. 
Надстроечные ОУ, как правило, являются устройствами до-
полнительными и устанавливаются только для целей управления.