Конструкция и проектирование комбинированных ракетных двигателей на твердом топливе

Конструкция 

и проектирование 
комбинированных 

ракетных двигателей
на твердом топливе

Под общей редакцией

д-ра техн. наук В.А. Сорокина

Издание второе, переработанное и дополненное

Допущено Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию

в качестве учебника для студентов

высших учебных заведений, обучающихся по направлению

подготовки бакалавров и магистров «Авиационная
и ракетно-космическая техника», специальности

«Проектирование авиационных и ракетных двигателей»
направления подготовки дип ломированных специалистов

«Двигатели летательных аппаратов»

Москва  2014

УДК 629.7.036.22.001(075.8)
ББК 68.52
 
К65

А в т о р ы :

Б.В. Обносов, В.А. Сорокин, Л.С. Яновский,

Д.А. Ягодников, В.П. Францкевич, Н.П. Животов, Е.В. Суриков, 

Г.Г. Кобко, М.А. Тихомиров, М.С. Шаров

Р е ц е н з е н т ы :

кафедра «Конструкция и проектирование двигателей летательных 

аппаратов» Московского авиационного института
(национального исследовательского университета)

(заведующий кафедрой д-р техн. наук, проф. Ю.А. Равикович);

д-р техн. наук, проф. Г.Н. Амарантов

Конструкция и проектирование комбинированных ракетных

К65 двигателей на твердом топливе : учеб. / [Б. В. Обносов и др.] ; под 

общ. ред. В. А. Сорокина. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Изд-во 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. – 303, [1] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-3984-3

Изложены основы комплексного проектирования и экспериментальной 

отработки комбинированных ракетных (ракетно-прямоточных) двигателей 
на твердом топливе. Центральное место в книге занимает методология расчетно-конструкторской разработки двигателей различных схем для выбора 
базовой компоновки на этапе технического предложения. Приведены конструктивно-компоновочные схемы и конструкции узлов комбинированных 
двигателей.

Для студентов старших курсов и аспирантов авиа- и ракетостроительных 

специальностей высших технических учебных заведений, научных работников и инженеров, занимающихся разработкой, проектированием и испытаниями высокоскоростных летательных аппаратов и комбинированных ракетных двигательных установок на основе ракетно-прямоточного двигателя на 
твердом топливе.

УДК 629.7.036.22.001(075.8)
ББК 68.52

© Оформление. Издательство
 МГТУ им. Н.Э. Баумана,

ISBN 978-5-7038-3984-3 
2014

Предисловие ко второму изданию

Вышедшее в 2012 г. учебное пособие «Конструкция и проек
тирование комбинированных ракетных двигателей на твердом 
топливе» явилось отражением возникшей в начале XXI века потребности в наличии научных и инженерно-технических кадров, 
способных реализовать на практике задачи разработки реактивных двигательных установок для перспективных летательных 
аппаратов. В это же время в ведущих высших учебных заведениях России, в частности Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана, Московском авиационном 
институте, Пермском национальном исследовательском техническом университете и других началось обучение студентов по 
дисциплине «Авиационная и ракетно-космическая техника», 
 направленное на формирование у выпускников как общепрофессиональных, так и профессионально-специализированных компетенций, обеспечивающих способность выполнять расчеты параметров рабочего процесса, напряженно-деформированного 
и теплового состояния, а также осуществлять конструирование 
деталей, узлов и элементов ракетных-прямоточных двигателей 
на твердом топливе.

Содержащийся в первом издании информационный и методи
ческий материал был использован базовыми кафедрами указанных высших учебных заведений в процессе разработки учебнометодических комплексов и основных образовательных программ, 
включающих в себя программы дисциплин, методические указания и руководство по решению задач; создания наглядных пособий, раздаточных материалов, электронных обучающих средств, 
контрольно-измерительных материалов и др. В то же время не 
были в достаточном объеме рассмотрены вопросы, связанные 
с применением твердых топлив и оценкой их эффективности. 
Учитывая данное обстоятельство, а также отзывы и рекомендации 

научно-педагогических работников, авторы сочли необходимым 
при подготовке второго, исправленного и дополненного, издания 
включить в учебник дополнительную главу, содержащую фактический материал о составе, термодинамических характеристиках, 
а также перспективах использования твердых борсодержащих топлив в РПД. Кроме того, во втором издании были исправлены замеченные опечатки и неточности.

Предисловие ко второму изданию

Предисловие

В последние годы в нашей стране и за рубежом тактическое ра
кетное вооружение, наряду с ростом могущества и развитием систем управления и наведения, т. е. повышением эффективности использования вооружения в составе боевых комплексов, развивается 
по пути совершенствования двигательных установок на базе комбинированных ракетно-прямоточных двигателей (КРПД) на твердом 
топливе (ТТ) (далее комбинированный ракетно-прямоточный двигатель на твердом топливе (КРПДТ)).

В таких комбинированных двигательных установках (КДУ) бла
годаря интеграции разных двигателей наилучшим образом реализуются преимущества ракетных двигателей в стартово-разгонной ступени и высокие экономические показатели ракетно-прямоточных 
двигателей на твердом топливе (РПДТ) – в маршевой ступени.

Особенность КДУ заключается в том, что их разрабатывают 

в качестве интегрированной с ЛА системы, что предопределяет методологию их комплексного проектирования и экспериментальной 
отработки. Точность расчетов параметров рабочего процесса, геометрических, тягово-экономических характеристик и надежность 
создаваемых КРПДТ в значительной мере определяется степенью 
совершенства как теоретических основ и инженерных методов проектирования, так и экспериментальной отработки двигателей. Этот 
фактор обусловливает необходимость и актуальность развития научного, методического и инженерного обеспечения проектно-конструкторских работ по созданию КРПДТ.

В учебном пособии изложена методология расчетно-конструк
торской разработки КРПДТ различных (возможных) схем с обоснованием выбранных массогабаритных параметров КДУ и ее составных агрегатов с описанием методов расчетных исследований 
дроссельных характеристик воздухозаборных устройств (ВЗУ), высотно-скоростных и тягово-экономических характеристик, прочно

Предисловие

сти  основных силовых агрегатов конструкции в условиях аэродинамического и внутреннего нагрева и др.

Для иллюстрации выбора компоновки КРПДТ, удовлетворяю
щей требованиям технического задания, рассмотрены конструктивные схемы КДУ, различающиеся количеством, формой и местом 
расположения ВЗУ и других устройств, на примере ЛА класса воздух – воздух, к которым предъявляют наиболее жесткие требования 
к массогабаритным параметрам.

Сравнительный анализ различных компоновок КДУ выполнен 

на основе верифицированных расчетных методов и методов инженерного проектирования КРПДТ. Большой объем книги посвящен 
конструкциям КРПДТ и их агрегатов.

Авторы 
выражают 
благодарность 
коллективу 
кафедры 

«Конструкция и проектирование двигателей летательных аппаратов» Московского авиационного института (национального исследовательского университета) (зав. кафедрой – д-р техн. наук, профессор 
Ю.А. Равикович) 
и 
Главному 
конструктору 
ФГУП 

«Научно-исследовательский институт полимерных материалов» заслуженному деятелю науки РФ, д-ру техн. наук, профессору 
Г.H. Амарантову за большую работу по рецензированию рукописи.

Авторы считают необходимым выразить признательность кол
легам, с которыми выполнялись отдельные исследования: сотрудникам ЦИАМ Н.П. Дулепову, канд. физ.-мат. наук В.А. Степанову 
и канд. техн. наук В.А. Виноградову, сотрудникам МКБ «Искра» 
В.А. Любимову, Д.А. Ореханову, П.В. Никитину и Е.А. Стирину, 
принимавшим участие в выполнении работ при проектировании 
КРПДТ. Особую благодарность авторы выражают сотрудникам 
ГосМКБ «Вымпел»: Главному конструктору В.К. Елецкому и начальнику отдела двигательных установок В.Н. Афонину, чей опыт 
и знания были использованы при выполнении исследований в данной предметной области и подготовке рукописи к изданию.

В приложении приведены результаты расчетов термодинамиче
ских характеристик топлива стартово-разгонной и маршевой ступеней, коэффициентов расхода и восстановления полного давления 
разных компоновочных схем ВЗУ при разных углах атаки ЛА, результаты расчетов обтекания носового модуля с ВЗУ различных 
компоновочных схем.

Основные обозначения и сокращения

БПЗ 
– блок помехозащиты

БСРДТ 
– бессопловой ракетный двигатель на твердом топливе

ВЗУ 
– воздухозаборное устройство

ГГ 
– газогенератор

ДД 
– датчик давления

ДТ 
– датчик температуры

ЗКС 
– защитно-крепящий слой

ИПВРДТ – интегральный 
прямоточный 
воздушно-реактивный 

 
 двигатель на твердом топливе

КДУ 
– комбинированная двигательная установка

КРДТ 
– комбинированный ракетный двигатель на твердом 

 
 топливе

КРПДТ 
– комбинированный ракетно-прямоточный двигатель на

 
 твердом топливе

КС 
– камера сгорания

ЛА 
– летательный аппарат

НДС 
– напряженно-деформированное состояние

ПВРД 
– прямоточный воздушно-реактивный двигатель

РДТТ 
– ракетный двигатель на твердом топливе

РПДТ 
– ракетно-прямоточный двигатель на твердом топливе

ТЗП 
– теплозащитное покрытие

ТТ 
– твердое топливо

L 
– длина, мм

D, d 
– диаметр, мм

F 
– площадь, м2

Fкр 
– площадь критического сечения сопла маршевого дви
 
 гателя, м2

Fк 
– площадь внутреннего сечения КС, м2

Fа 
– площадь среза маршевого сопла, м2

Fвх 
– суммарная площадь окон входа ВЗУ, м2

e 
– энергия удельная, Дж

m.  
– расход массовый, кг/с

М 
– число Маха

H 
– высота, км

h 
– энтальпия удельная, Дж/кг

Т 
– температура, K

t 
– температура, °C

τ 
– тензор напряжений

τ 
– время, с

p 
– давление, Па

pн 
– давление окружающей среды, Па

pэксп 
– эксплуатационное давление, Па

P 
– тяга, Н

Rг 
– газовая постоянная, кДж/(кг.K)

cр 
– теплоемкость удельная, Дж/(кг.K)

λ 
– коэффициент теплопроводности, Вт/(м.K); коэффи
 
 циент скорости

ρ 
– плотность, кг/м3

U 
– скорость горения, м/с

ν 
– показатель степени

а 
– скорость звука в потоке в законе горения

акр 
– скорость звука в критическом сечении

π(λ), τ(λ), ε(λ), ξ(λ), q(λ) – газодинамические функции
ε 
– деформация

eвн 
– внутренняя энергия удельная, Дж/кг

Iу 
– удельный импульс тяги, м/с

β 
– расходный комплекс, м/с

m 
– масса, кг

Мг 
– молярная масса газовой фазы, г/моль

W 
– скорость потока, м/с

z 
– массовая доля конденсированной фазы

n 
– показатель политропы

k 
– показатель адиабаты

α 
– угол атаки, градус; коэффициент избытка воздуха

σ 
– коэффициент восстановления полного давления

Km0 
– стехиометрический коэффициент массовый

μ 
– коэффициент динамической вязкости, вязкость, Н.с/м2

Е 
– модуль Юнга, Н/м2

σ1 
– первое главное напряжение, Н/м2

σв 
– предел прочности, Н/м2

σт 
– предел текучести, Н/м2

σt 
– окружное напряжение, Н/м2

nв 
– коэффициент запаса прочности

nэ 
– коэффициент эжекции

Основные обозначения

ГЛАВА 1

ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 
КОМБИНИРОВАННЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 
НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ

1.1. Классификация комбинированных ракетных 
двигателей

Развитие ракетного вооружения является радикальным сред
ством повышения эффективности авиационных боевых комплексов, зенитно-ракетных систем и ракетно-артиллерийских комплексов, играющих определяющую роль в локальных конфликтах 
современности.

Отсутствие возможности существенного совершенствования 

ракетного вооружения за счет модернизации широко применяемых 
ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ), которые практически достигли предела своего совершенства, привлекает особое 
внимание к двигательным установкам, энергетические возможности которых могут быть улучшены за счет использования атмосферного воздуха. К наиболее перспективным для высокоскоростных 
летательных аппаратов (ЛА) с внутриатмосферной зоной эксплуатации относятся комбинированные двигатели с прямоточными воздушно-реактивными двигателями (ПВРД), которые включают в себя 
и ракетно-прямоточные двигатели на твердом топливе.

Возросший в настоящее время в нашей стране и за рубежом ин
терес к комбинированным ракетным двигателям (КРД) на основе 
ПВРД (РПДТ) и РДТТ обусловлен областью их применения (по высоте H и скорости полета в диапазоне изменения числа Маха M), 
в которой ПВРД наиболее экономичны по сравнению с ракетными 
и другими реактивными двигателями при достаточном уровне 
удельного импульса тяги Iу (рис. 1.1, 1.2). Комбинированные ракетные двигатели позволяют значительно повысить скорость ЛА на конечном участке траектории полета, обеспечив ему сверх- или гиперзвуковую скорость. Скорость полета ЛА со сверхзвуковым 
прямоточным воздушно-реактивным двигателем (СПВРД) находится в диапазоне изменения числа М = 1,5…3,5; с гиперзвуковым 

Глава 1. Основные конструктивные элементы КРДТ

Рис. 1.1. Изменение удельного импульса тяги 
в зависимости от числа Маха для различных 
двигателей:
1 – турбореактивный двигатель (ТРД); 2 – турбореактивный двухконтурный двигатель (ТРДД); 3 – прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД); 
4 – ракетно-прямоточный двигатель (РПД); 5 – гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный 
двигатель (ГПВРД); 6 – ракетный двигатель

Рис. 1.2. Область применения различных 
двигательных установок