Технологическое проектирование оболочек баллонов и трубопроводов минимальной массы из комбинированных материалов

Технологическое проектирование  
оболочек баллонов и трубопроводов  
минимальной массы  
из комбинированных материалов

Учебное пособие

Под редакцией М.А. Комкова

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

УДК 621.744: 621.642.07: 29.7.03: 678.067 (075.8) 
ББК 34.432 
 Т38 
 
Издание доступно в электронном виде по адресу 
ebooks.bmstu.press/catalog/258/book2048.html 

Факультет «Специальное машиностроение» 
Кафедра «Технологии ракетно-космического машиностроения» 
 
Авторы: 
М.А. Бабурин, Ю.В. Баданина, В.Д. Баскаков,  
О.В. Зарубина, М.А. Комков, А.С. Филимонов 
 

Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 
 
 
 
Технологическое проектирование оболочек баллонов и трубопроводов 
минимальной массы из комбинированных материалов : учебное 
пособие / [М. А. Бабурин и др.] ; под ред. М. А. Комкова. — Москва : 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 70, [4] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-5145-6 

Даны сведения о конструктивно-массовом совершенстве оболочек сосудов давления 
сферической, цилиндрической, тороидальной формы и криволинейных трубопроводов, 
применяемых в изделиях ракетно-космической техники и наземном транспорте. 
Рассмотрены принципы проектирования из комбинированных материалов (металлическая 
оболочка-лейнер + намотанный композит) равнонапряженных оболочек баллонов 
и трубопроводов.  
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по направлению подготовки 
«Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов». 
 


УДК 621.744: 621.642.07: 29.7.03: 678.067 (075.8) 

 
 ББК 34.432 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 
 
 Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-5145-6 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 

Т38 

Предисловие 

Учебное пособие соответствует программе дисциплины «Технологическое 
проектирование баллонов из комбинированных материалов», раздел 
«Технологическое проектирование оболочек баллонов и трубопроводов минимальной 
массы из комбинированных материалов». 
Основной целью изучения пособия является приобретение знаний и 
навыков для самостоятельного проектирования конструкции и технологии 
изготовления баллонов высокого давления, состоящих из металлического 
лейнера и внешней силовой оболочки из высокопрочного армирующего материала. 

В настоящее время баллоны высокого давления находят широкое применение 
в различных направлениях: в системах энерго- и жизнеобеспечения 
летательных аппаратов, в наземных транспортных средствах, работающих на 
газообразном топливе, в составе дыхательных аппаратов. Снижение массы 
баллонов в системах летательных аппаратов, повышение их долговечности и 
надежности являются актуальными задачами. 
Учебное пособие позволяет вести подготовку специалистов в области 
проектирования и создания легких, герметичных, работающих при повышенных 
давлениях и криогенных температурах, не очень дорогих в изготовлении 
сферических, цилиндрических и тороидальных баллонов, а также криволинейных 
трубопроводов высокого давления. При самостоятельной работе с 
учебным пособием студенты вовлекаются в процесс технологического проектирования 
и проводят самостоятельный поиск необходимой информации. 
После изучения пособия студенты овладеют: 
 базовыми знаниями о баллонах высокого давления (комбинированных 
баллонов), состоящих из металлического лейнера и внешней силовой оболочки, 
изготовленной из высокопрочного армирующего материала, и их основных 
характеристиках; 
 навыками проектирования и формования равнонапряженных композитных 
оболочек сосудов давления методом намотки; 
 методикой расчета напряжений, углов намотки и толщины слоев композитных 
конструкций, полученных методом намотки. 
По результатам освоения учебного пособия студенты будут уметь: 
 проектировать герметичные, более легкие и менее дорогие баллоны высокого 
давления по сравнению с равновеликими баллонами из титанового 
сплава ВТ-6С или ВТ-14 за счет выбора комбинации пары материалов (металл + 
однонаправленный полимерный композиционный материал) для лей-
нера и композитной оболочки; 
 разрабатывать сборочный чертеж комбинированного баллона, трубопровода, 
состоящего из лейнера и внешней силовой оболочки; 
 создавать технологии формообразования, сборки и испытаний на герметичность 
комбинированных баллонов давления или трубопроводов; 

 разрабатывать технологии открытой (на станках токарного типа) или 
орбитальной (на станках тороидального типа) намотки композитных оболочек 
баллонов, прямо- и криволинейных трубопроводов однонаправленным 
стекло-, угле- или органопластиком. 
Для изучения данного учебного пособия предполагается предварительное 
освоение студентами основ механики, физики, материаловедения, проектирования 
производственных систем, научных основ технологического проектирования 
изделий ракетно-космической техники, научных основ методов производства 
композитных конструкций ракетно-космической техники (РКТ). 
В главе 1 учебного пособия рассмотрены основные технико-экономические 
показатели баллонов давления, выполненных из металлических лейнеров и 
намотанных композиционных материалов. Описана методика оценивания 
конструктивно-массового совершенства сосудов давления. Даны уравнения 
расчета массы и коэффициентов формы для сферической, цилиндрической, 
тороидальной оболочек, а также для криволинейного трубопровода. Показано, 
как можно снизить массу металлических торов кругового сечения. 
Глава 2 посвящен основным допущениям и принципам проектирования 
равнонапряженных композитных оболочек, образованных методом намотки. 
В общем случае рассмотрены геометрия и уравнения равновесия оболочек 
сосудов давления. Описан метод «сетчатого анализа». 
В главах 3–6 рассмотрено проектирование соответственно цилиндрических 
оболочек (с использованием поперечной и спиральной намоток), днищ 
цилиндрических баллонов, сферических и тороидальных баллонов, криволинейных 
трубопроводов кругового сечения с поперечной схемой намотки. 
Определены технические параметры сосудов давления. 
Самостоятельная работа студентов с данным учебным пособием необходима 
для подготовки к выпускной квалификационной работе и научно-
исследовательской работе. 
 
 

Введение 

Для современного машиностроения актуальной остается задача создания 
легких, герметичных, работающих длительное время при повышенных и 
криогенных температурах, не очень дорогих в изготовлении баллонов (сферических, 
цилиндрических и тороидальных) и трубопроводов (прямо- и криволинейных) 
высокого давления. 
По конструктивно-технологическим признакам все многообразие баллонов 
высокого давления можно подразделить на две группы. 
1. Баллоны для авиационной, РКТ и специальной техники. 
2. Баллоны для наземных транспортных средств, в том числе и для дыхательных 
аппаратов, переносимых на спине человека. 
В изделиях РКТ баллоны давления используются в системах пневмоавтоматики, 
наддува (гелий, азот), терморегулирования (аммиак), а также в системах 
управления и жизнеобеспечения изделий. Силовые оболочки баллонов 
являются наиболее нагруженными элементами изделий, испытывают значительные 
растягивающие напряжения, поэтому их изготовляют из высокопрочных 
сталей и титановых сплавов, характеристики которых приведены в 
приложении. К сосудам давления и емкостям, применяемым для хранения 
или транспортировки жидкостей и газов, предъявляют высокие требования 
по герметичности и чистоте их внутренней поверхности. 
К наиболее важным требованиям к конструкциям сосудов давления можно 
отнести минимальную массу, высокую степень герметичности, высокую 
надежность, максимальный ресурс работы в условиях эксплуатации. Применение 
композиционных материалов и современных технологий производства 
из них изделий является одним из эффективных путей реализации перечисленных 
требований. Однако оболочки, изготовленные методом намотки из 
однонаправленных композиционных материалов, обладают высокой газопроницаемостью. 
Следовательно, такие конструкции должны иметь внутренний 
герметизирующий слой. 
Выбор того или иного вида герметизирующего слоя определяется в первую 
очередь условиями эксплуатации и длительностью хранения жидкостей или 
газов. Наиболее полно комплексу требований, предъявляемых к материалу 
герметизирующего слоя трубопровода или баллона давления, отвечают металлические 
сплавы, которые имеют низкую газопроницаемость, работают в широком 
диапазоне температур и способны воспринимать часть нагрузки от сил 
внутреннего давления. В меньшей степени этим требованиям отвечают термопласты, 
например полиэтилен или резины, однако трубопроводы или баллоны 
давления с полимерными герметиками являются более технологичными и дешевыми 
в изготовлении. 
Таким образом, баллоны высокого давления представляют собой комбинированные 
баллоны, состоящие из тонкостенных металлических оболочек-

лейнеров и внешней силовой оболочки из высокопрочных полимерно-волокнистых 
намоточных материалов. 
Внешней средой для баллонов давления в изделиях РКТ являются воздух, 
газы наддува, жидкий кислород и водород, вакуум, космическая среда. Чаще 
всего в космических летательных аппаратах применяют баллоны сферической 
формы (табл. В1), реже цилиндрической или тороидальной формы 
(табл. В2). Внутренний объем баллонов в изделиях РКТ колеблется от единиц 
до сотен литров, а давление зарядки от 20 до 30 МПа и более. 

Таблица В1 

Характеристики сферических баллонов высокого давления  
из титановых сплавов в изделиях РКТ 

Параметр 
США 
Россия 

Внутренний диаметр, мм 
410 
312 
274 
274 
– 
– 
– 
– 

Объем, дм3 
28,2 
11,5 
8,5 
8,5 
130 
58 
36 
20 

Масса баллона, кг 
110 
16,3 
26,8 
27,6 
31,2 
11,7 
14,3 
4,6 

Рабочая температура, °C 
115 
66 
– 
30 
–182 
–182 
±50 
±50 

Рабочее давление, МПа 
24,8 
6,5 
20,6 
24,2 
23,4 
23,5 
33,6 
11,7 

Давление 
разрушения, 
МПа 
50 
13 
31,2 
48,4 
48*
 
40,1*
 
52,9*
 
27,6*
 

Конструктивный параметр, 
кДж/кг 
63,6 
45,9**
 
65,3 
74,5 
97,5 
116,5
84,6 
50,9 

 
 
 

* — расчетное разрушающее давление; ** — стальной баллон 

 

Таблица В2 

Основные характеристики тороидальных баллонов высокого давления  
в изделиях РКТ 

Параметр 
Материал оболочки 

ВТ-6С 
ОТ-4 
ОТ-4 
08Х15Н5Д2Т 

Максимальный диаметр, мм 
530 
946 
1300 
600 

Диаметр сечения, мм 
59 
156 
160 
270 

Геометрический параметр 
8,60 
5,06 
6,25 
1,22 

Внутренний объем, дм3 
2,8 
40 
64 
60 

Рабочее давление, МПа 
27,5 
4,8 
4,0 
3,4 

 
Под относительно невысокими рабочими давлениями функционируют 
трубопроводы пневмогидросистемы двигательных установок изделий РКТ и 
авиации (табл. В3), однако при гидравлических ударах их давления могут 
возрастать в несколько раз. 

Таблица В3 

Основные характеристики криволинейных трубопроводов в изделиях РКТ 

Параметр 
Газоходы 
Трубопроводы 

Внутрибаковые 
Внебаковые 

Внутренний диаметр, мм 
40…50 
32…115 
50…150 

Геометрический параметр  
3…5 
2…6 
4…5 

Рабочее давление, МПа 
6…8 
0,2…1,0 
0,6…1,0 

Рабочая температура, K 
2700…3000 
20…90 
90…112 

 
Альтернативой титановым сферическим баллонам могут быть комбинированные 
сферические, цилиндрические или тороидальные баллоны, полученные 
методом намотки однонаправленного композита (композиционного 
материала) на тонкую стальную или алюминиевую оболочку (лейнер). Так, 
для дыхательных аппаратов, противопожарного снаряжения и других систем 
жизнеобеспечения, в том числе в летательных аппаратах, разработан ряд цилиндрических 
баллонов из комбинированных материалов (табл. В4), имеющих 
различное конструктивное исполнение и массовые характеристики. 

Таблица В4 

Основные характеристики металлокомпозитных цилиндрических баллонов  
на рабочее давление 30 МПа, применяемых в дыхательных аппаратах 

Тип баллона 
Внутренний 
объем, 
л 

Диаметр, 
мм 
Длина, 
мм 

Масса, композитной оболочки, 
кг 
Фирма- 
изготовитель 

Стеклопластик 

Органопластик 


БК-2-300С 
2,0 
112 
290 
1,8 
– 
И-1 

БК-3-300С 
3,0 
112 
405 
2,5 
– 
И-1 

БК-4-300С 
4,0 
112 
525 
3,1 
– 
И-1 

БК-7-300С 
6,8 
148 
595 
5,3 
– 
И-1 

БК-4-300 
4,0 
107 
579 
3,3 
– 
И-2 

БМК-300В-1-1 
1,0 
101 
235 
1,2 
0,75 
И-3 

БМК-300В-2-2 
2,0 
101 
400 
1,9 
1,3 
И-3 

БМК-300В-3-3 
3,0 
101 
565 
2,6 
1,8 
И-3 

БМК-300В-4-1 
4,0 
134/131 
445 
3,4 
2,5 
И-3 

БМК-300В-5-1 
5,0 
134/131 
540 
4,0 
3,0 
И-3 

БМК-300В-7-2 
7,0 
157/151 
545 
5,6 
4,2 
И-3 

БМК-300В-9-1 
9,0 
157/151 
700 
6,9 
5,4 
И-3 

L45C 
4,7 
135 
492 
3,4 
– 
И-4 

L45C 
6,0 
156 
470 
3,9 
– 
И-4 

L45C 
6,8 
156 
518 
4,0 
– 
И-4 

L45C 
9,0 
178 
554 
4,8 
– 
И-4 

 
 

Примечания. 1. И-1 — ЗАО НПП «Маштест» (г. Королев, Московская область); И-2 — АО 
НПП «Звезда» (пос. Томилино, Московская область); И-3 — ООО «Эллина-Т» (г. Москва);  
И-4 — фирма «Luxfer» (Великобритания). 
2. Стеклопластик — на основе ровинга; органопластик — на основе жгута «Армос-600». 

Требования к конструкции баллонов, применяемых в изделиях РКТ, авиации, 
наземном транспорте или в дыхательных аппаратах, различаются как по 
массовым, так и стоимостным характеристикам. 
Для изделий РКТ и авиационной техники в первую очередь проектируют 
комбинированный (металл + композит) баллон давления, масса которого 
меньше массы сферического баллона такого же объема 
сф
об
V
 и разрушающего 

давления 
раз
P
, но изготовленного из титанового сплава ВТ-6С (ВТ-14), опре-

деляемого по формуле 

 

сф
раз
об
мет
б
б
сф
кмб
кмб
мет
т

3
,
2







P V
M
M
M
 
(В1) 

где 
сф
3
об
4
/ 3
 
V
R
 — внутренний объем сферической оболочки, равный объему 
проектируемой оболочки (сферической, цилиндрической или тороидальной 
формы); 
т
  и 
мет

 — соответственно предел текучести и плотность материала 
титанового сплава ВТ-6С (ВТ-14). 
Если проектируются газовые баллоны для автомобилей или дыхательных 
аппаратов с лейнером из термопласта (полиэтилен, лавсан, полиимид), то при 
прочностных расчетах несущую способность полиэтиленовой оболочки не 
учитывают. В этом случае масса силовой оболочки 
об
км,
M
 выполненной из 
композиционного материала (КМ), должна сравниваться с минимально возможной 
массой равнонапряженной намотанной (композитной) оболочкой, 
определяемой формулой 

 

КМ
раз
об
КМ
об
min
КМ
КМ
вКМ

3
,





P V
M
M
 
(В2) 

где 
КМ
об
V
 — внутренний объем композитной оболочки; 
вКМ,

 
КМ

 — соответственно 
предел прочности и плотность однонаправленного полимерного 
КМ — ПКМ.  
В этом случае масса комбинированной (полиэтилен + композит) оболочки 
баллона (В2) должна быть меньше массы металлической сферы 
сф
мет
M
 из ти-

танового сплава, полученной в (В1), т. е. 
б
сф
кмб
мет.

M
M
 
Кроме того, при изготовлении баллонов для наземного транспорта должна 
быть низкой себестоимость баллонов, а для крупносерийного производства 
еще дополнительно низкой и трудоемкость изготовления баллонов. 
 
 

1. АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНО-МАССОВОГО  
СОВЕРШЕНСТВА ОБОЛОЧЕК СОСУДОВ ДАВЛЕНИЯ,  
ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ МЕТАЛЛОВ  
И НАМОТАННЫХ КОМПОЗИТОВ 

К основным, или базовым, технико-экономическим показателям сосудов 
давления относятся: 
 высокий параметр конструктивного совершенства (ПКС) или минимальная 
масса сосуда на единицу его объема; 
 достижимая или требуемая степень герметичности сосуда давления; 
 стоимость изготовления и приведенная стоимость (цена) единицы объема 
сосуда давления; 
 трудоемкость и цикл изготовления сосуда давления в целом; 
 коррозионная стойкость материалов сосуда давления при его работе в 
агрессивных средах; 
 длительность эксплуатации и количество заправок сосуда до рабочего 
давления. 
Конструктивно-массовое, или весовое, совершенство сосудов давления и, в 
частности, баллонов и трубопроводов принято оценивать по ПКС 
с.д
W
 (кДж/кг), 
представляющему собой энергетический показатель, по которому сравнивают 
сосуды давления любой формы: 

 

раз об
с.д
с.д
,
P V
W
 
M

 
(1.1) 

где 
раз об
P V  — проектный параметр, 
раз
P
 — разрушающее давление, МПа; 
об
V
 — 

внутренний объем оболочки, л; 
с.д
M
 — масса всей конструкции сосуда в целом, 
кг.  
Полная масса сосуда включает в себя массу силовой и герметизирующей 
оболочек, массу штуцеров или фланцев, специализированных покрытий и 
других элементов конструкции сосуда давления. При этом параметр 
с.д
W
 не 
зависит от формы и геометрии сосуда давления (баллона, трубопровода), поэтому 
формула (1.1) может быть использована для сравнения между собой не 
только всей конструкции сосуда давления, но и силовых оболочек, выполненных 
из металлов или ПКМ. Следовательно, ПКС тонкостенной силовой 
(металл, однонаправленный ПКМ) оболочки сосуда давления 
об
W  (в кДж/кг) 
можно рассчитать по аналогичной (1.1) формуле: 

 

раз об
об
об
.
P V
W
M

 
(1.2) 

Масса тонкостенной силовой оболочки 
об
M
 сосуда (см. (1.2)), находящегося 
под внутренним давлением жидкости или газа, может быть найдена из 
решения уравнений, определяющих напряженное состояние оболочки, и записана 
в общем виде: 

 
раз
об
мет
об
фор
мет

 
,
P
V
M
K



 
(1.3) 

где 
фор
K
 — коэффициент формы, учитывающий форму оболочки и анизо-

тропию свойств ее материала, например металла и однонаправленного ПКМ; 

мет

 — плотность материала оболочки; 
мет
в


  — предел прочности материала 
при растяжении. 
Равнонапряженной оболочкой сосуда давления, выполненной из изотропного 
материала — конструкционного металла, является только сфера. Согласно 
формуле (1.3), масса и коэффициент формы металлической равнона-
пряженной сферической оболочки радиусом сечения R  по разрушающему 
давлению 
раз:
P
 

 

сф
раз
об
мет
сф
сф
сф
сф
мет
фор
в

 
,
P
V
M
S
h
K





 
(1.4) 

где 
2
сф
4
 
S
R  — площадь поверхности; 
сф
раз
в
/ 2


h
P R
 — толщина стен-

ки; 
мет

 — плотность металла; 
сф
фор
3 2;
K 

 
сф
3
об
4
/ 3
V
R


 — объем сфериче-

ской оболочки. 
Масса 
ц
M  и коэффициент формы 
ц
фор
K
 металлической неравнонапря-

женной цилиндрической оболочки с радиусом сечения R  и длиной ц 
l
R  по 
разрушающему давлению можно рассчитать по формуле 

 
раз
ц
мет
ц
ц
ц
ц
мет
фор
в

 
,
P
V
M
S h
K





 
(1.5) 

где 
ц
ц
2
 
S
R l  — площадь поверхности; 
ц
раз
в
/


h
P R
 — толщина стенки; 

ц
фор
2;
K 

 
2
ц
ц
/
 
V
R
l  — объем цилиндрической оболочки. 

Из сравнения коэффициентов формы (1.4) и (1.5) следует, что масса сферической 
оболочки будет составлять только 3/4 от массы равновеликой цилиндрической 
оболочки баллона давления. 
Тороидальные оболочки кругового сечения с постоянной толщиной стенки в 
силу специфического распределения меридиональных напряжений (рис. 1.1) 
будут иметь бо́льшую массу и более низкий параметр 
об
W , чем равновеликие