В ракетных двигателях твердого топлива для управления вектором тяги широко используются газодинамические рули. Однако за простотой конструкции и понятным, на первый взгляд, принципом действия скрывается достаточно сложный механизм взаимодействия продуктов сгорания твердого топлива с газодинамическими рулями и поверхностью сопла.

Из практики применения твердотопливных двигателей известно множество случаев возникновения значительных повреждений поверхности сопел и их прогаров, причем указанные зоны повреждений находились в основном в районе газодинамических рулей. Для изучения причин этого явления были проведены специальные исследования структуры течения вблизи рулей на модельной твердотопливной установке. В данных исследованиях использовались газодинамические рули из тугоплавкого сплава, аналогичные рулям натурных РДТТ, устанавливались на поверхности сопла в сечении, где скорость потока соответствовала числу Маха М = 2,5. Твердотопливный заряд кратковременного горения обеспечивал продолжительность работы 0,5 с и давление в камере сгорания до 6 МПа. Продукты сгорания содержали конденсированную фазу в виде жидких и твердых частиц окиси алюминия.

В качестве основного метода исследований был выбран метод уноса массы, поэтому сверхзвуковую часть сопла изготовляли из фторопласта-4. Испытания проводились при различных положениях руля (от 0 до 45°) относительно набегающего сверхзвукового потока. В результате экспериментов на поверхности сопла были получены отпечатки в виде системы рельефных узоров, адекватно отображающей структуру течения вблизи стенки сопла в непосредственной близости от рулей.

В процессе экспериментов удалось выявить зоны взаимодействия ударных волн с пограничным слоем и установить наиболее характерные области перехода от одной формы устойчивого течения к другой. При повороте рулей на различные углы были зафиксированы последовательные стадии перестройки сверхзвукового течения, которые являются общими для различных конфигураций носовых и кормовых (хвостовых) элементов рулей.

В ходе специально проведенных экспериментов удалось изучить форму разгара самого руля при воздействии на него двухфазных продуктов сгорания. Удалось установить количественное соотношение между величиной относительного максимального уноса материала в области за рулем и величиной угла поворота руля.

Испытания, проведенные на сопле с рулями, которые устанавливались в нейтральном положении, показали, что в непосредственной близости от руля структура течения трехмерная. Различаются три зоны течения в области за рулями: зона воздействия головного скачка лобовой отошедшей ударной волны, переходящей в искривленный косой скачок; зона хвостового скачка уплотнения, возникающего при натекании на хвостовую часть газового руля с образованием волн сжатия; зона донного следа, которая возникает вследствие соединения в одно общее двух течений, обтекающих руль с каждой из сторон.

В лобовой части наблюдается углубление непосредственно за несимметричным скачком. Головной скачок отпечатан на фторопласте в виде гладких лучей слева и справа от руля. Общий вид головного скачка напоминает параболу с фокусом по оси вращения руля. В отличие от обтекания руля в нейтральном положении, при повороте руля на 2,5° появляются две продольные борозды вдоль боковых поверхностей руля, а также новая одиночная борозда в донном следе непосредственно за рулем, превышающая по глубине фоновый унос. Распространяясь к срезу сопла, она теряет интенсивность. Из вершин образовавшейся парной борозды слева и справа от руля выходят два тончайших луча, направленных к срезу сопла.

Увеличение угла поворота руля до 5° привело к увеличению ширины борозды вдоль пера руля. Течение внутри парной борозды имеет вращающиеся в противоположных направлениях компоненты, которые в сумме с продольным течением образуют парное винтовое течение.

С увеличением угла поворота руля до 10° более четко проявляется несимметрия течения продуктов сгорания по соплу, приводящая к несимметричности разгаров вблизи газовых рулей. Головной скачок несколько размывается, постепенно приобретая отличную от параболы форму. По-видимому, угол поворота ~ 10° является граничным, именно при этом значении происходит переход от условно симметричного течения к несимметричному, а потери удельного импульса тяги начинают отличаться от начальных позиционных газодинамических потерь при условно нейтральном положении руля.

Картина течения при повороте на 15°, по сравнению с углом поворота руля на 10°, оставаясь принципиально похожей, сильно изменяется. Появилась достаточно четкая граница головного скачка. При этом его форма приобрела несколько волнистые очертания. Зона повышенных уносов непосредственно за рулем приняла форму двух явно несимметричных борозд. Со стороны хвостовой части руля глубина борозды и ее длина максимальны. Борозда, исходящая от носовой части руля в затененную область, имеет минимальные размеры. Отмечается увеличение угла расхождения борозд относительно друг друга, что привело к выпрямлению границ донного следа за хвостовыми скачками уплотнения.

При повороте газового руля на угол 20° картина уносов становится еще более рельефной. Линия головного скачка со стороны затененной части руля размывается и даже раздваивается. Наиболее интенсивная ветвь скачка прижимается к поверхности руля.
При угле поворота 30° течение за рулем уже сформировалось, и далее оно упорядочивается. При этом структура потока приобретает четкие очертания. На затененной стороне сформировалась линия лобового скачка уплотнения.

За косым скачком прослеживается зона сдвига набегающего потока. При этом сдвиг происходит в тончайшей зоне, равной ширине скачка.

След в виде "каньона", сформированный на наветренной стороне руля, принимает четкие очертания. Его глубина и протяженность несколько увеличились. Здесь же, на наветренной стороне, начинает формироваться донная область. Унос в этой области достаточно равномерный.

При угле поворота руля 40° начинает зарождаться интенсивное течение как на наветренной, так и на затененной стороне руля. На наветренной стороне наблюдается мощный продольный вихрь, простирающийся строго по направлению пера руля и обладающий большим проникающим действием. На поверхности видна продольная борозда с постоянным поперечным сечением. Удалось обнаружить след вихря большой интенсивности, внедрившегося в материал стенки.

С увеличением угла отклонения руля до 45° начинается формирование устойчивого интенсивного разгара за рулем. Область парных вихрей, сходящих с наветренной и затененной сторон, интенсивно развивается, расширяясь в поперечном направлении и в глубину. При этом растут размеры вихря от носовой части руля, где все еще сильным является влияние донной области, которая постепенно приобретает симметричную форму. Унос материала стенки непосредственно за рулем становится все более равномерным. Парные вихри индуцируют большие вращательные составляющие скорости, что приводит к появлению достаточно значительного разрежения, аналогичного возникающему при обтекании треугольных крыльев воздушными потоками.

На основании результатов, полученных при проведении экспериментов в Центре им. М.В. Келдыша, был разработан комплекс расчетных методов и программ, позволивших с высокой точностью прогнозировать параметры течения вблизи газодинамических рулей и разработать конструкции ракетных двигателей с минимальным воздействием продуктов сгорания твердого топлива на материал стенки сопла.