Определение внутрибаллистических характеристик камеры сгорания на гидрореагирующем топливе

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

 
 
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВНУТРИБАЛЛИСТИЧЕСКИХ  
ХАРАКТЕРИСТИК КАМЕРЫ СГОРАНИЯ  
НА ГИДРОРЕАГИРУЮЩЕМ ТОПЛИВЕ 
 
 
Методические указания 
к выполнению лабораторной работы по курсу  
«Основы теории, расчета и конструкции РДГТ» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва 

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2010 

УДК 621.455 
ББК 39.65 
О-62 
Рецензент И.Е.Никитина 

 
 
Определение внутрибаллистических характеристик камеры сгорания на гидрореагирующем топливе : метод. указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Основы 
теории, расчета и конструкции РДГТ» / А.Н. Бобров, Д.А. Ягод- 
ников, В.И. Лапицкий, А.В. Игнатов. — М.: Изд-во МГТУ  
им. Н.Э. Баумана, 2010. — 25, [3] с. : ил. 
 
Рассмотрена методика расчета настроечных параметров стендовой установки и обработки результатов огневых стендовых испытаний по определению характеристик модельной камеры сгорания  
гидрореактивной установки. Освещены вопросы, связанные с особенностями гидрореактивных двигателей, а также рабочих процессов 
в их камере сгорания. Приведены методики проведения огневых стендовых испытаний, определения критического сечения сопла и настройки гидравлических характеристик магистралей с использованием ПЭВМ. 
Для студентов, обучающихся по специальности «Ракетные двигатели». 
УДК 621.455 
ББК 39.65  
 
 
Учебное издание 

Бобров Александр Николаевич, Ягодников Дмитрий Алексеевич, 
Лапицкий Владимир Иванович, Игнатов Андрей Владиславович 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВНУТРИБАЛЛИСТИЧЕСКИХ   
ХАРАКТЕРИСТИК КАМЕРЫ СГОРАНИЯ  
НА ГИДРОРЕАГИРУЮЩЕМ ТОПЛИВЕ 
 
Редактор О.М. Королева  
Корректор О.Ю. Соколова 
Компьютерная верстка С.А. Серебряковой 

Подписано в печать 27.04.2010. Формат 60×84/16. 
Усл. печ. л. 1,63. Тираж 100 экз. Изд. № 112. Заказ      .  
 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.  
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.  
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5.  
 

 
  © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010

 
       О-62 

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ 

В 60–70-е годы XX в. изменился качественный состав военноморских флотов государств мира. Их основной ударной силой стали атомные ракетные и многоцелевые подводные лодки, высокие 
тактико-технические характеристики которых (скорость, глубина 
погружения, дальность гидроакустического целеуказания и др.) 
сделали неэффективным применявшееся для уничтожения подводных лодок торпедное оружие и системы бомбометания. Это 
явилось толчком для создания новых видов противолодочного 
оружия, обеспечивающего резкое уменьшение времени доставки 
боевого заряда к цели, увеличение дальности и точности стрельбы.  
В 70-х годах прошлого века в Советском Союзе впервые в мире был создан принципиально новый вид оружия, не имеющий 
аналогов и прототипов за рубежом, — скоростные подводные кавитирующие ракеты «Шквал» [1], внешний вид такой ракеты изображен на рис. 1. 
 

 
 
Рис. 1. Общий вид кавитирующей ракеты 

Новизна ракет «Шквал» заключается в движении под водой 
в режиме развитой кавитации (отрывного обтекания), когда основная часть корпуса ракеты охвачена парогазовой полостьюкаверной. При этом резко снижается гидродинамическое сопротивление и достигается высокая скорость подводного движения 
ракеты, в 3−5 раз превышающая скорость обычных торпед, движущихся в режиме сплошного (безотрывного) обтекания. Исследования движения ракеты в кавитирующем режиме были начаты еще в конце 1940-х годов в филиале ЦАГИ под 
руководством акад. Л.И. Седова, а также учеными ВМФ СССР, 
в том числе Г.В. Логвиновичем, который возглавил научное руководство разработкой теории и прикладных вопросов гидродинамики развитых кавитационных течений применительно к высокоскоростным подводным ракетам [2].  
Для достижения высоких технических характеристик ракет, 
имеющих скорости движения под водой порядка 100 м/с (это примерно 194,4 узла), необходимо не только многократно снизить сопротивление движению, но и создать высокоэффективный реактивный двигатель (энергосиловую установку) на экологически 
чистом, безопасном в эксплуатации, энергоемком топливе, а также 
систему управления, органы управления и стабилизации.  
Наиболее полно всем требованиям в качестве энергосиловой 
установки отвечает прямоточный гидрореактивный двигатель на 
гидрореагирующем топливе. Удельный импульс такого двигателя 
в 2,5−3 раза выше, чем у известных ракетных двигателей, поскольку в качестве рабочего тела и окислителя используется забортная 
вода, а в качестве горючего — гидрореагирующие высокометаллизированные пиротехнические составы. 
В процессе создания и испытания высокоскоростной кавитирующей ракеты «Шквал» проведено свыше 300 пусков (из них 
95 % выполнено с плавучих испытательных стендов на озере Иссык-Куль и 5 % — с подводных лодок на Черноморском и Северном флотах). Постановлением ЦК КПСС и Совета министров 
СССР от 29 ноября 1977 г. ракета «Шквал» была принята на вооружение ВМФ СССР под обозначением ВА-111 (длина 8,2 м, вес 
2,7 т), а в 1978 г. началось ее серийное производство [2]. Этим 
оружием стали оснащаться практически все отечественные подводные атомоходы второго и третьего поколений.  

За рубежом проблемой создания аналогичных подводных ракет 
занимаются давно, но там до сих пор нет образца, принятого на 
вооружение. В 1988 г. в Германии была начата работа по программе «Барракуда». Цель этой программы — всестороннее исследование возможности создания подводного ракетного оружия, использующего 
эффект 
искусственной 
кавитации. 
В 
результате 
проведенных исследований был сформирован облик подводных 
ракет для активных систем противоторпедной обороны подводных 
лодок и надводных кораблей.  
В США Центр подводной войны NUWC (Naval Undersea 
Warfare Center) начиная с 1988 г. проводит по программе 
SUPERCAV исследования с целью создания высокоскоростной 
(скорость движения более 200 узлов) суперкавитирующей подводной ракеты для защиты кораблей от атак скоростных торпед. 
Предполагается, что в состав противоторпеды войдут система самонаведения с антенной на кавитаторе, газодинамические (в сопле 
двигателя) и гидродинамические откидывающиеся (в средней части) рули, твердотопливный ракетный двигатель, баллон и запасы 
газа для поддува каверны, конический кавитатор.  
Появление новых технологий производства нанодисперсных 
(0,001 мкм < D43 < 0,1 мкм) 1 материалов и, в частности, порошкообразных металлических горючих (ПМГ) позволяет создать топлива с новыми характеристиками, открывая пути для дальнейшего 
развития ракетных и реактивных двигательных установок за счет 
повышения энергетики и плотности твердых топлив посредством 
применения более энергоемких металлов, включая те, которые являются неэффективными, если их характерный размер лежит в 
диапазоне 1…100 мкм.  
Цель лабораторной работы — познакомить студентов со стендовым комплексом для проведения огневых стендовых испытаний 
модельных камер гидрореактивных двигательных установок, а 
также с методиками проведения и обработки результатов огневых 
стендовых испытаний камеры экспериментального гидрореактивного двигателя на гидрореагирующем топливе. 
 

 

                                                        
1 Среднемассовый диаметр D43 = ΣnjDj
4/ΣnjDj
3. 

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОТРАБОТКИ  
КАМЕР СГОРАНИЯ ГИДРОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ  
НА ГИДРОРЕАГИРУЮЩИХ ТОПЛИВАХ 

Пневмогидравлическая схема (ПГС) экспериментальной установки, показанная на рис. 2, состоит из воздушной рампы с запорно-регулирующей арматурой, блока подачи воды, блока измерений 
и экспериментальной установки. Экспериментальная установка 
функционирует следующим образом. Под действием заранее рассчитанного постоянного давления наддува, обеспечиваемого газовым редуктором, вода вытесняется воздухом из бака Б и через магистрали попадает в коллекторы зон 1 и 2 экспериментальной 
камеры сгорания. Дроссельные шайбы — устройства ДРН1 и 
ДРН2 — позволяют задавать необходимый расход воды в каждую 
зону. После подачи команды на воспламенение с определенной 
задержкой, необходимой для гарантированного воспламенения 
заряда гидрореагирующего топлива, открываются пускоотсечные 
клапаны В1 и В2 и начинается подача воды в зоны 1 и 2 камеры. 
В процессе проведения эксперимента контролируются и регистрируются следующие параметры: давление наддува бака с водой — датчиком ДД1, давление и расход воды в зоны 1 и 2 — 
датчиками ДД2, ДД3, РМ1 и РМ2 соответственно, давление продуктов сгорания в зонах 1 и 2 — датчиками ДД4 и ДД5 соответственно, температура продуктов сгорания в зоне 2 — датчиком 
ДТ1, тяга камеры — измерительным устройством ТИУ.  
На рис. 3 представлена структурная схема регистрации сигналов с датчиков, используемая на испытательном стенде. Сигнал Х 
с датчика может быть либо непрерывным, либо импульсным. С 
датчика сигнал Х поступает на промежуточный преобразователь, 
где происходит его предварительная обработка. Преобразованный сигнал подается на усилитель. С усилителя сигнал поступает 
на регистратор (регистрирующий орган), тип которого определяется первичным преобразователем. Регистратор связан с ПЭВМ, 
выступающей в качестве устройства хранения и первичной обработки данных эксперимента. Одновременно может осуществляться выдача результатов измерения на бумажный носитель 
(шлейфовый осциллограф или принтер компьютера). 

Для проведения экспериментов по исследованию воспламенения и горения гидрореагирующего твердого топлива (ГРТ), а также для оценки эффективности рабочих процессов в камере предназначен экспериментальный гидрореактивный двигателя (ГРД), 
общий вид и конструкция камеры сгорания которого приведены на 
рис. 4. Двигатель представляет собой экспериментальную камеру 
сгорания на ГРТ, закрепленную на стапеле в горизонтальном положении с подведенными к ней магистралями подачи воды. Некоторые геометрические и конструктивные параметры двигателя 
(диаметры и число форсунок, свободный объем камеры) можно 
варьировать, в частности, за счет увеличения ее длины. 
 

 
Рис. 2. Пневмогидросхема экспериментальной установки: 
КР — клапан редукционный; ВН1, ВН2 — вентили наддува; ГЗ1 — манометр; 
ДД1 – ДД5 — датчики давления; ДУ — датчик уровня; Б — бак; КП1 — предохранительный клапан; ПС — пробка сливная; Ф — фильтр; В1, В2 — пусковые 
клапаны; ГУ1, ГУ2 — обратные клапаны; СВ1, СВ2 — скрепляющие устройства; 
РМ1, РМ2 — турбинные датчики расхода; ДРН1, ДРН2 — дроссельные устройства; ТИУ — тягоизмерительное устройство 
 

 
Рис. 3. Структурная схема регистрации сигналов с датчиков (Х — 
сигнал с датчика) 

Зона 1

Зона 2 

а 

 

 
б 
 
Рис. 4. Общий вид экспериментального ГРД (а) и конструкция камеры 
сгорания (б): 
1 — передний корпусной блок; 2 — штуцер для датчика замера давления в зоне 1; 
3 — скрепляющие болты; 4 — промежуточное сопло; 5 — штуцер для датчика 
замера давления в зоне 2; 6 — задний корпусной блок; 7 — тяговое сопло; 8 — 
уплотнительное кольцо; 9 — вводной штуцер для термопары; 10 — промежуточный корпусной блок с коллекторами подачи воды в зону 1 и зону 2; 11 — заряд 
ГРТ; 12 — настроечные цилиндрические компенсаторы длины заряда 

Камера сгорания состоит из двух зон (зоны 1 и 2, см. рис. 2),  
в каждую из которых подается вода из двух независимых коллекторов, выполненных в корпусной проставке 10 с промежуточным соплом 4, отделяющим форкамеру (зона 1) от зоны балластировки 
(зона 2). Тяговое сопло 7 для упрощения анализа внутрибаллистических и импульсных характеристик камеры выполнено без расширяющейся части, что обеспечивает получение на его срезе критических параметров. Промежуточное и тяговые сопла изготовлены из 
пирографита, и диаметры их проходных сечений могут меняться за 
счет установки сменных вкладышей. Корпус выполнен разборным и 
включает передний 1, промежуточный 10 и задний 6 корпусные 
блоки, скрепляемые с помощью болтовых соединений. В переднем 
корпусном узле, закрытом крышкой, размещается заряд ГРТ 11, 
воспламенитель (на рис. 4, а не показан) и цилиндрические компенсаторы 12, дающие возможность варьировать свободный объем зоны 1 камеры сгорания двигателя или использовать заряды разной 
длины. Измерение давления среды в зоне 1 камеры осуществляется 
через штуцер 2, а в зоне 2 — через штуцер 5. Температура продуктов сгорания в пристеночном слое может замеряться термопарой, 
вводимой через штуцер 9. Герметизация разъемных соединений 
осуществляется за счет использования уплотнительных колец из 
отожженной меди 8. Конструкция форсуночной головки предусматривает в каждой из зон 12 мест для установки струйных или шнекоцентробежных форсунок (или заглушек), что позволяет изменять 
схемы смесеобразования.  

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ  
ОГНЕВЫХ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ 

Процесс проведения огневого стендового испытания (ОСИ) — 
сложный производственный процесс, состоящий из четко регламентированной последовательности действий и регулируемый 
комплексом документов.  
На этапе планирования ОСИ составляется программа испытаний, в которой намечаются основные задачи предстоящих испытаний, определяются ответственные исполнители и сроки их проведения, решаются вопросы финансирования и подготовки стендового 

комплекса. Программа утверждается руководителем конструкторского подразделения (заказчиком) и согласуется с руководством 
испытательного комплекса (исполнителем). 
Непосредственным документом, по которому осуществляется 
ОСИ, является выпускаемое на основе программы испытаний дело 
испытания.  
В деле испытания обычно содержатся: лист утверждения и 
согласования проведения ОСИ с датой испытания, описанием 
цели и задач, решаемых данным испытанием; сборочный чертеж 
испытываемой материальной части двигателя (или изменения к 
чертежу); задание по настройке двигателя (давления наддува 
баков, диаметр критического сечения и дроссельных устройств) 
и ожидаемые значения режимных параметров (давление в камере сгорания, расход компонентов); программа измерений 
(включающая схему испытываемого двигателя с указанием мест 
установки датчиков, их типом и режимами регистрации); временная циклограмма проведения ОСИ (в виде задания для системы управления); листы готовности; программа первичной и 
вторичной обработки результатов измерений; результаты измерений и их обработки.  
Весь комплекс мероприятий по подготовке и проведению испытаний, а также процедур по сборке материальной части, демонтажу и разбору двигателя осуществлялся в полном соответствии с 
требованиями техники безопасности и проводится согласно технологическому процессу (табл. 1).  
 
Таблица 1 
Технологический процесс проведения ОСИ 

№ 
п/п 
Операция 
Ответственный 

1 
Сборка, чертеж УЭ2 
01.01.00.00СБ 
Начальник участка сборки 

2 
Запись циклограммы  
Оператор пульта управления 
стендом 

3 
Монтаж установки на стенд 
Механики стендового комплекса 

4 
Заправка бака и магистралей 
Механики стенда