Технология намотки композитных конструкций ракет и средств поражения

 

УДК 621.744: 621.642.07: 29.7.03: 678.067 (075.8) 
ББК 34.432 
        К63 
 
Рецензенты: 
кафедра «Технология производства летательных аппаратов» 
ГОУ ВПО «МАТИ» – Российского государственного 
технологического университета им. К. Э. Циолковского 
(зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. А. С. Чумадин); 
д-р техн. наук, проф., генеральный директор  
ЗАО «Компомаш ТЭК» В. А. Моисеев  
 
 
Комков М. А. 
Технология намотки композитных конструкций ракет 
и средств поражения : учеб. пособие / М. А. Комков, В. А. Тарасов. – 
М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. – 431 [1] с. : 
ил. – (Технологии ракетно-космического машиностроения). 
ISBN 978-5-7038-3391-9  
Изложены сведения о композитных и металлокомпозитных конструкциях 
ракет и средств поражения различных форм, изготовляемых 
методом намотки. Приведены характеристики волокнистых од-
нонаправленных полимерных композиционных материалов, принципы 
проектирования равно- и неравнонапряженных оболочек сосудов 
давления из композиционных и комбинированных материалов. Рассмотрены 
теоретические основы кинематики намотки изделий, реализуемых 
на станках токарного и тороидального типов. 
Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, 
которые авторы читают в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Для преподавателей, студентов и аспирантов технических вузов, 
обучающихся по направлению «Ракетостроение и космонавтика», 
а также для инженеров, работающих в области проектирования 
и технологии изготовления композитных конструкций различного 
назначения методом намотки. 
 
УДК 621.744: 621.642.07: 29.7.03: 678.067 (075.8) 
                         ББК 34.432 
 
 
 
            ©  Комков М. А., Тарасов В. А., 2011 
                                                            ©  Оформление. Издательство МГТУ 
ISBN 978-5-7038-3391-9                             им. Н.Э. Баумана, 2011 

 
К63 

Оглавление 
3 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие .............................................................................................. 
6 

Введение .................................................................................................... 
8 

Часть I. Конструктивно-технологическая характеристика намо- 
               танных композитных конструкций ракет и средств по- 
              ражения ....................................................................................... 12 

Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы ........ 12 

1.1. Композиционные материалы и их преимущества ................... 12 
1.2. Непрерывные волокнистые наполнители для полимерных 
       композиционных материалов .................................................... 20 
1.3. Полимерные матрицы и термореактивные связующие для 
       намоточных композиционных материалов............................... 44 
1.4. Структура и свойства однонаправленных композиционных 
       материалов .................................................................................. 56 
1.5. Методы определения механических характеристик однона- 
       правленных волокнистых композиционных материалов ....... 72 

Глава 2. Анализ намотанных композитных конструкций ракет и 
               средств поражения ..................................................................... 80 

2.1. Характеристика технологических методов создания компо- 
       зитных конструкций из однонаправленных композиционных 
       материалов  ................................................................................. 80 
2.2. Типовое применение намотанных композитных конструкций 
       в ракетно-космической технике и средствах поражения ...... 96 
2.3. Особенности концевых соединений композитных конст- 
       рукций ......................................................................................... 105 

Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций  
               ракет и средств поражения ..................................................... 119 

Глава 3. Проектирование равнонапряженных комбинированных  
               и композитных оболочек конструкций ракет и средств по- 
               ражения ....................................................................................... 119 

3.1. Принципы проектирования равнонапряженных композит- 
       ных оболочек, образованных намоткой нитей ........................ 119 
3.2. Комбинированные тороидальные оболочки общего вида ...... 132 
3.3. Композитные тороидальные оболочки с расчетным мериди- 
       аном ............................................................................................. 149 
3.4. Комбинированные тороидальные оболочки кругового сече- 
       ния с поперечной намоткой ....................................................... 159 

Оглавление 
4 

3.5. Анализ комбинированных и композитных цилиндрических 
       оболочек ...................................................................................... 172 
3.6. Анализ комбинированных и композитных оболочек днищ  
       цилиндрических баллонов ......................................................... 182 
3.7. Композитные сферические оболочки, изготовленные мето- 
       дом зональной намотки однонаправленных композицион- 
       ных материалов .......................................................................... 195 

Глава 4. Особенности проектирования неравнонапряженных компо- 
               зитных тороидальных оболочек и криволинейных труб ........ 205 

4.1. Рациональные схемы армирования тороидальных оболочек  
       кругового сечения, изготовленных методом спиральной  
       намотки нитей .............................................................................  205 
4.2. Анализ ограничений, связанных с намоткой тороидальных 
       оболочек кругового сечения и криволинейных труб .............. 213 
4.3. Композитные тороидальные оболочки с продольно-попе- 
       речной схемой армирования ..................................................... 224 
4.4. Композитные криволинейные трубопроводы, изготовлен- 
       ные методом спиральной намотки нитей.................................. 238 

Часть III. Технологические основы метода намотки композит-  
                  ных конструкций ракет и средств поражения ................. 255 

Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из композици- 
               онных материалов ...................................................................... 255 

5.1. Технология формирования и пропитки полимерно-волок- 
       нистой намоточной ленты ......................................................... 255 
5.2. Технологические способы намотки композитных конструк- 
       ций ............................................................................................... 272 
5.3. Станки для открытой и для орбитальной намотки композит- 
       ных конструкций ........................................................................ 283 
5.4. Технологические оправки для намотки композитных конст- 
       рукций ракет и средств поражения ........................................... 299 

Глава 6. Кинематические параметры намотки композитных конструк- 
               ций ракет и средств поражения ................................................. 318 

6.1. Кинематика орбитальной намотки комбинированных торо- 
       идальных оболочек общего вида .............................................. 318 
6.2. Кинематические параметры намотки цилиндрических и ко- 
       нических оболочек ..................................................................... 335 
6.3. Кинематика намотки композитных цилиндрических оболо- 
       чек с днищами ............................................................................ 346 
6.4. Определение технологических параметров зональной на- 
       мотки сферических оболочек .................................................... 352 

Оглавление 
5 

Глава 7. Типовые технологические процессы намотки композитных  
               конструкций ................................................................................ 360 

7.1. Технология изготовления методом намотки композитных  
       коробчатых и двутавровых шпангоутов .................................. 360 
7.2. Технология изготовления торовых баков из комбиниро- 
       ванных материалов ..................................................................... 384 
7.3. Технология изготовления композитных тороидальных со- 
       судов давления методом намотки ............................................. 392 
7.4. Методика совместного проектирования конструкции и тех- 
       нологии изготовления методом намотки композитных то- 
       роидальных оболочек ................................................................. 403 
7.5. Типовое технологическое оснащение процессов намотки  
       конструкций ракет и средств поражения ................................. 409 

Вопросы для самоконтроля ...................................................................... 425 

Литература.................................................................................................. 430 
 

 

Посвящается 
 180-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана 
 и 70-летию кафедры СМ-12 
 «Технологии  ракетно-космического 
 машиностроения» 
 

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Один из распространенных конструктивных элементов летательных 
аппаратов (ЛА) – сосуды давления, которые применяют в 
качестве баллонов, газовых аккумуляторов, топливных баков или 
прямо- и криволинейных трубопроводов в системах пневмоавтоматики, 
наддува, терморегулирования, управления и жизнеобеспечения 
ЛА. Сосуды давления нашли применение на наземном транс-
порте, в частности в газобаллонных автомобилях, а также в дыха-
тельных аппаратах, переносимых на спине человека. 
Среди наиболее важных требований, предъявляемых к конст-
рукциям сосудов давления, можно назвать минимальную массу, 
высокую надежность, максимальный ресурс работы в условиях 
эксплуатации. Этих требований невозможно достичь без разработ-
ки современных прогрессивных технологий и применения высоко-
прочных волокнистых полимерных композиционных материалов 
(ПКМ). 
Одним из основных методов создания композитных конструк-
ций является намотка, которая обеспечивает получение высококаче-
ственных изделий. В настоящее время этот метод хорошо отработан 
для производства большого класса выпуклых оболочек на намоточ-
ных станках токарного типа. В связи с тем что вопросы намотки то-
роидальных оболочек, криволинейных труб и профильных шпанго-
утов исследованы мало, в книге особое внимание уделено вопросам 
проектирования композитных конструкций и технологии изготовле-
ния методом орбитальной намотки тороидальных баллонов и кри-
волинейных трубопроводов, а также коробчатых и двутавровых 
шпангоутов, сведения о которых неполно отражены в технической 
литературе.  

Предисловие 
7 

При написании учебного пособия использованы опыт препо-
давания авторов на кафедре «Технологии ракетно-космического 
машиностроения» МГТУ им. Н.Э. Баумана и работы, выполненные 
в «Лаборатории композитных технологий» кафедры, обобщены 
достижения отечественных и зарубежных исследователей. 
Издание полезно студентам, аспирантам и преподавателям ву-
зов, а также инженерам, работающим в области проектирования и 
технологии изготовления композитных конструкций методом на-
мотки. 
В формировании изложенных в книге методологических основ 
намотки конструкций из ПКМ важную роль сыграли годы совме-
стной работы авторов с руководителем «Лаборатории композитных 
технологий» А.К. Добровольским, с сотрудниками лаборатории 
доктором технических наук, профессором И.М. Булановым, канди-
датами технических наук, доцентами В.М. Кузнецовым и Г.Е. Не-
хороших, инженером М.В. Мулюгиной, а также профессором 
Б.Г. Поповым. 
Важной была поддержка и внимание со стороны руководителя 
НУК СМ МГТУ им. Н.Э. Баумана В.В. Зеленцова, первого вице-
президента РКК «Энергия» А.Ф. Стрекалова и заместителя главно-
го технолога ЗАО ЗЭМ РКК «Энергия» В.А. Романенкова. Авторы 
благодарят выпускников кафедры СМ-12 С.А. Ахремова, Д.Г. Ло-
банова, А.А. Сергеева и О.Н. Амбриса, а также рецензентов про-
фессоров А.С. Чумадина и В.А. Моисеева. 
Авторы будут признательны читателям, приславшим свои за-
мечания и другие пожелания по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бау-
манская ул., д. 5, или по электронной почте: komkov@sm.bmstu.ru; 
tarasov@sm.bmstu.ru; cm12@sm.bmstu.ru. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

ВВЕДЕНИЕ 

Технический прогресс в различных отраслях промышленности, 
особенно в авиационной и ракетно-космической технике (РКТ), 
неразрывно связан с разработкой новых конструктивных решений 
и прогрессивных технологий на базе использования современных 
высокопрочных волокнистых полимерных композиционных мате-
риалов (ПКМ). Наглядно тенденцию увеличения доли применения 
композиционных материалов (КМ) можно проследить на примере 
авиационной техники и РКТ (табл. В1). 
Таблица В1 
Доля применения КМ в авиационной технике и РКТ, % 

Материал 
1980 г. 
1990 г. 
2000 г. 
2010 г. 
2020 г. 

Металлы и их сплавы 
70 
57 
44 
35 
25 

Волокнистые ПКМ 
14 
18 
22 
25 
32 

Конструкционные мате-
риалы 
6 
12 
14 
17 
18 

Конструкционная кера-
мика 
10 
13 
20 
23 
25 

 
Доля только эпоксидных углепластиков, используемых в фюзе-
ляже и планере современных самолетов, составляет 29…35 %. При-
менение волокнистых ПКМ в конструкциях зарубежных и отечест-
венных самолетов непрерывно возрастает. Например, в самолете 
В-2 фюзеляж и крылья выполнены из эпоксидных углепластиков, 
самолет Lear Fan 2100 изготовлен полностью из КМ, у самолета 
V-220 Spray планер выполнен из ПКМ; в самолете AV-8B масса 
ПКМ составляет 26 %.  
В неменьшем объеме волокнистые ПКМ используют и в про-
изводстве отечественных транспортных (Ан-28, Ан-72 «Рус-
лан»), пассажирских (Ил-86, Ил-96-300, Ил-114, Ту-204, Ту-334), 
спортивных (Су-26М, Су-29) и военных (Су-37 «Беркут», МиГ-
29, МиГ-31) самолетов. Многие элементы конструкций косми-
ческих летательных аппаратов (КЛА) и разгонных блоков также 
изготовляют из КМ. К таким элементам относятся высокопроч-
ные штанги, стержни, ферменные и «сухие» отсеки, обтекатели 
ракет-носителей, панели солнечных батарей, сосуды давления, 
трубопроводы и др. 

Введение 
9 

Круговая диаграмма мирового потребления волокнистых ПКМ 
в различных отраслях промышленности наиболее развитых госу-
дарств мира приведена на рис. В1. 
 

 

Рис. В1. Круговая диаграмма мирового потребления волокнистых ПКМ, %: 

1 – нефтегазодобывающая промышленность (28,7); 2 – авиаракетостроение (18); 
3 – судостроение (12,4); 4 – химическая промышленность (11,9); 5 – энергетика 
(9,2); 6 – автомобилестроение (7,4); 7 – строительство (6,2); 8 – товары народно- 
                                  го потребления (4,1); 9 – прочее (2,1) 
 
Так, в настоящее время в мире производится более 200 тыс. т 
труб из волокнистых ПКМ, в основном из стеклопластика. Только 
в США выпускается до 100 тыс. т, а в Германии и Франции – до 
25 тыс. т труб в год. В России с 1990-х годов многие отечествен-
ные фирмы также начали серийно производить стеклопластиковые 
трубы для нефтегазодобывающей промышленности и коммуналь-
ного хозяйства. Трубы из угле- или органопластиков имеют более 
высокую стоимость, поэтому их применение целесообразно в пер-
вую очередь для снижения массы летательных аппаратов (ЛА). 
Использование волокнистых ПКМ в изделиях различного на-
значения определяется необходимостью повышения эффективно-
сти разрабатываемых конструкций. В свою очередь, производство 
изделий из ПКМ открывает возможности для реализации принци-
пиально новых конструктивных решений и разработки прогрес-
сивных технологических процессов. 
Кроме того, из податливого волокнистого полуфабриката-
препрега можно за одну операцию методами намотки и контактно-
вакуумного формования получать более сложные, чем из конст-

Введение 
10

рукционных материалов и их сплавов, пространственно-геомет-
рические конфигурации деталей и изделий в целом. Тем самым 
исключаются излишнее членение, множественность технологиче-
ских стыков и соединений в конструкции изделия, что, несомнен-
но, повышает его надежность и работоспособность. 
В этом случае снизить производственные затраты также мож-
но за счет создания интегральных композитных конструкций, ко-
гда все элементы, например, каркасного отсека (обшивка, продоль-
ный стрингерный набор, стойки и стенки, поперечные шпангоуты 
и ребра жесткости) формуются, собираются и соединяются между 
собой методом склеивания в едином процессе отверждения (поли-
меризации) связующего.  
Такой процесс изготовления, сборки и соединения деталей ме-
нее трудоемок, чем сборка составных частей изделия с помощью 
многочисленных заклепок. Например, в алюминиевой конструкции 
центральной части киля самолета А310-300 применяют 2072 дета-
ли и 60 000 заклепок, а в композитной – 96 деталей и 5800 закле-
пок. Это экономически выгодно, поскольку уменьшается число 
независимых элементов, входящих в конструкцию изделия, отпа-
дает необходимость в дополнительных механических доработках 
деталей, достигается снижение массы и сокращение затрат време-
ни на сборку и изготовление изделия. Специалисты фирмы «Лок-
хид» (США) утверждают, что изготовление интегральных компо-
зитных конструкций методами намотки, выкладки и прессования 
минимизирует производственные затраты в результате уменьшения 
на 65 % количества требуемых деталей, на 81 % числа сборочных 
операций, на 29 % трудоемкости изготовления и на 87 % необхо-
димого крупногабаритного оборудования при значительном повы-
шении коэффициента использования материала. Получаемое сни-
жение массы агрегатов ЛА при использовании ПКМ достигает 
12…39 %, а уменьшение стоимости изготовления композитных 
деталей – 40 %. Снижение массы изделия на 1 кг позволяет 
уменьшить стоимость, долл.: 150 – для самолетов, 300 – для верто-
летов, 14 000 и более – для ракет и спутников. 
Стоимость изготовления композитных деталей и изделия в це-
лом связана в первую очередь со степенью автоматизации и с уров-
нем производительности формообразующих операций, т. е. со ско-
ростью наформовки массы ПКМ в единицу времени. Так, стои-
мость алюминиевой детали самолета в среднем составляет 

Введение 
11

8,3 долл./кг, стоимость углепластиковой детали, изготовленной ме-
тодом ручной выкладки препрега и последующего отверждения в 
автоклаве, – 550 долл./кг, а с использованием метода автоматизи-
рованной выкладки производительностью более чем 4 кг/ч – на 
порядок ниже, около 55 долл./кг. 
Поскольку ПКМ технологически создается одновременно с из-
готовлением изделия, появляется возможность для комплексного 
решения многих вопросов конструирования и формообразования 
изделия, которые совмещены уже на стадии инженерного проекти-
рования объекта производства. При этом сокращаются затраты и 
время на все виды конструкторско-технологических и проектных 
работ, повышаются взаимосвязь и взаимообусловленность и, как 
следствие, обоснованность и надежность инженерно-технических 
проектов.  
На основе эффекта конструктивной анизотропии механи-
ческих свойств однонаправленных КМ создаются условия для 
проектирования равнонапряженных конструкций. Это еще одна из 
возможностей снижения массы проектируемых изделий. Однако 
разработка равнонапряженных конструкций требует от проекти-
ровщика теоретического обоснования и аналитического определе-
ния формы поверхности и схем ориентации волокон в материале 
стенки изделия, т. е. расчета параметров формирующей структуры 
ПКМ и одновременно установления траекторий укладки (намотки) 
волокнистых полуфабрикатов в процессе формообразования само-
го изделия на технологической стадии производства. 
Таким образом, происходит смыкание и совмещение конструк-
торско-технологических задач инженерного проектирования и 
производства композитных конструкций. Эти и другие важные во-
просы комплексного проектирования композитных и металлоком-
позитных конструкций, и в первую очередь сосудов давления и 
трубопроводов, изготовляемых методом намотки из волокнистых 
ПКМ, рассмотрены в данном учебном пособии.  
 

  Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций 
12

Ч АС Т Ь  I  

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ 
ХАРАКТЕРИСТИКА НАМОТАННЫХ 
КОМПОЗИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ РАКЕТ 
И СРЕДСТВ ПОРАЖЕНИЯ 

Гл а в а  1  

НАМОТОЧНЫЕ ВОЛОКНИСТЫЕ  
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 

1.1. Композиционные материалы  
и их преимущества  

Подкласс «композиционные материалы» представляет собой 
составляющую более сложного класса «конструкционные мате-
риалы». Он объединяет материалы, полученные из компонентов 
уже известных классов материалов. Однако вновь созданный мате-
риал (композит, или композиционный материал (КМ)) должен об-
ладать синергетическим эффектом, т. е. иметь свойства, которые не 
присущи его отдельно взятым компонентам, но при этом превосхо-
дят простую сумму свойств образующих его компонентов. 
Композиционные материалы отличаются друг от друга как по 
составу компонентов, так и по структуре или порядку их распреде-
ления в объеме материала и представляют собой гетерогенные 
системы, полученные из двух или более компонентов с сохране-
нием индивидуальности каждого из них. При этом КМ является 
однородным в микро(макро)масштабе и неоднородным на элемен-
тарном уровне (в элементарном объеме) материала. Поскольку со-
единяемые компоненты различаются по свойствам, между ними 
существует явная граница раздела фаз. Приведем примеры таких 
материалов. 
1. Материал транспортерной ленты и автомобильной шины 
представляет собой резинокордную нить. Кордная нить состоит 
из пучка волокон, резина позволяет связывать волокна нитей ме-
жду собой и одновременно включать все нити ленты или шины в 
работу. 

Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 13

2. Железобетон состоит из строительной стальной арматуры и 
бетона. В этом случае достигается подавление хрупкости бетона и 
повышается изгибная прочность строительного материала. 
3. Стеклопластик состоит из стекловолокна и полимерного 
материала, с помощью которого связываются между собой 
отдельные стеклянные волокна нитей в единое целое, подавляется 
хрупкость стекла, в результате чего реализуется высокая прочность 
очень тонких стеклянных волокон в КМ. 
С середины ХХ в. стала бурно развиваться наука о новом клас-
се конструкционных материалов, первоначально получившим на-
звание композиционные материалы, т. е. о материалах, составлен-
ных из двух или более разнородных и нерастворимых друг в друге 
компонентов, соединенных между собой в единое целое за счет 
сил поверхностного сцепления.  
В последние годы название композиционные материалы все 
чаще заменяется одним словом (термином) «композиты» или 
аббревиатурой КМ. Однако специалисты используют термин «ком-
позиционный материал», говорить «композитный материал» счита-
ется неправильным, хотя допускается употреблять термины «ком-
позитная конструкция», «композитный корпус изделия». 

Первое развернутое определение КМ сформулировал в 1962 г. 
профессор А. Дитц (Массачуссетский технологический институт, 
США): «Наука и техника имеют, подобно литературе и искусству, 
свои модные фразы и «ходовые выражения». Одним из самых 
модных в настоящее время является выражение «композиционные 
материалы», содержащее в новой форме очень старую и простую 
мысль о том, что совместная работа разнородных материалов дает 
эффект, равносильный созданию нового материала, свойства кото-
рого и количественно, и качественно отличаются от свойств каж-
дого из его составляющих». 
Композиционные материалы разрабатываются, или создаются, 
на основе двух принципов: синергизма и структурной организации 
материала. Под принципом синергизма понимается совместное и 
согласованное действие компонентов системы, направленное на 
повышение положительных и подавление нежелательных свойств 
компонентов, т. е. на создание КМ с выдающимися свойствами. 
Принцип структурной организации материала заключается в зако-
________ 

 Волокнистые композиционные материалы. М., 1967.