Проектирование движительных комплексов подводных аппаратов

Редколлегия

А.А. Александров (председатель, научный редактор серии), 

академик РАРАН, д-р техн. наук, профессор

В.Т. Калугин (зам. председателя), д-р техн. наук, профессор
И.В. Бармин, чл.-корр. РАН, заслуженный деятель науки РФ, 

д-р техн. наук, профессор

А.Б. Борзов, чл.-корр. РАРАН, д-р техн. наук, профессор
В.В. Зеленцов, чл.-корр. РАРАН, канд. техн. наук, доцент
В.Н. Зимин, д-р техн. наук, ст. науч. сотрудник
В.М. Кашин, чл.-корр. РАН, академик РАРАН, д-р техн. наук, 

профессор

С.В. Коршунов, канд. техн. наук, доцент
Г.О. Котиев, заслуженный деятель науки РФ, д-р техн. наук, 

профессор

Г.А. Кувыркин, д-р техн. наук, профессор
А.Г. Леонов, чл.-корр. РАРАН, д-р техн. наук
А.Г. Лесков, д-р техн. наук, ст. науч. сотрудник
В.Н. Наумов, заслуженный деятель науки РФ, д-р техн. наук, 

профессор

С.Н. Резник, д-р техн. наук, профессор
В.В. Селиванов, академик РАРАН, заслуженный деятель 

науки РФ, д-р техн. наук, профессор

В.А. Тарасов, чл.-корр. РАРАН, д-р техн. наук, профессор
С.В. Ладов (отв. секретарь), канд. техн. наук, доцент

В. В. Вельтищев

Проектирование 
движительных комплексов 
подводных аппаратов

Учебное пособие

9

ISBN 978-5-7038-5295-8 

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019
© Оформление. Издательство  
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 

УДК 629.584
ББК 39.42-02
  
В28

Вельтищев, В. В.

Проектирование движительных комплексов подводных аппаратов : 

учебное пособие / В. В. Вельтищев. — Москва : Издательство МГТУ 
им. Н. Э. Баумана, 2019. — 167, [1] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-5295-8

Изложены основные сведения о движительных комплексах необитае-

мых подводных аппаратов. Рассмотрены основные этапы проектирования. 
Приведены методики расчета основных компонентов движительных ком-
плексов с примерами. Особое внимание уделено вопросам оценки регули-
ровочных и динамических характеристик средств движения. В каждом раз-
деле приведены вопросы для самоконтроля.

Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 15.03.06 

«Мехатроника и робототехника», профиль подготовки — «Подводные робо-
тотехнические комплексы и системы». Может быть полезно специалистам в 
области подводной робототехники.

УДК 629.584
ББК 39.42-02

В28

Издание доступно в электронном виде по адресу 

https://bmstu.press/catalog/item/6356/

Рекомендовано Научно-методическим советом 

МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Оглавление

Предисловие  .................................................................................................. 
7

Принятые сокращения  ................................................................................. 
9

Введение  ........................................................................................................ 10

Глава 1. Характеристики движительных комплексов необитаемых 
подводных аппаратов  ..................................................................................... 13

1.1. Обобщенная структура движительного комплекса  ........................ 13
1.2. Типовые конструктивные схемы  ..................................................... 16
1.3. Основные этапы проектирования движительного комплекса  ...... 23

Контрольные вопросы и задания  ................................................................ 32

Глава 2. Методы расчета гидродинамического сопротивления 
необитаемого подводного аппарата  ................................................................ 33

2.1. Определение гидродинамического сопротивления 
по результатам модельных испытаний  .................................................. 34
2.2. Расчет гидродинамических характеристик в пакете SolidWorks .... 36
2.3. Методика определения гидродинамического сопротивления 
кабельных линий телеуправляемых и буксируемых подводных 
аппаратов  ................................................................................................. 39
2.4. Взаимодействие движителя с корпусом подводного аппарата  ..... 44

Контрольные вопросы и задания  ................................................................ 47

Глава 3. Методы расчета движителей  ........................................................... 48

3.1. Классификация движителей, используемых в подводной
технике  ..................................................................................................... 48
3.2. Основные параметры и характеристики гребного винта  .............. 51
3.3. Методики проектировочных и поверочных расчетов гребного
винта  ........................................................................................................ 56

Контрольные вопросы и задания  ................................................................ 86

Глава 4. Порядок выбора привода движителя  ............................................... 87

4.1. Общие положения  ............................................................................ 87
4.2. Особенности теплового расчета электроприводов движителей  .... 96
4.3. Регулировочные характеристики привода движителя  ................... 109

Контрольные вопросы и задания  ................................................................ 119

Глава 5. Динамические характеристики двигательно-движительных
устройств  ........................................................................................................ 120

5.1. Динамическая математическая модель движителя  ........................ 120

Оглавление

5.2. Математическая модель электроприводного двигательно-
движительного устройства  ...................................................................... 124
5.3. Математическая модель гидроприводного двигательно-
движительного устройства  ...................................................................... 132
5.4. Особенности математического описания двигательно-
движительных устройств с использованием механической 
передачи ................................................................................................... 138
5.5. Математическое описание двигательно-движительного 
устройства с использованием магнитной муфты  .................................. 140

Контрольные вопросы и задания  ................................................................ 148

Глава 6. Методы проектирования средств маневрирования  .......................... 149

6.1. Геометрические и гидродинамические характеристики 
изолированных рулей  ............................................................................. 149
6.2. Роторные средства маневрирования  ............................................... 154

Контрольные вопросы и задания  ................................................................ 161
Глоссарий  ....................................................................................................... 162
Литература  ..................................................................................................... 163
Приложение. Коэффициенты лобового сопротивления различных 
геометрических тел  ....................................................................................... 165

Предисловие

Конструкции подводных аппаратов непрерывно совершенствуются. 

Появляются новые схемы построения движительного комплекса и его отдельных 
компонентов, новые типы электрических и гидравлических приводов. 
Кардинально изменяется технология изготовления движителей: используются 
новые композиционные материалы, осуществляется переход от 
традиционной механической обработки резанием к аддитивным методам 
изготовления деталей. Постоянно развивается электронная компонентная 
база, что создает новые возможности для реализации все более сложных 
схем управления. Современные системы автоматизированного проектирования 
становятся все более мощным инструментом разработчика, позволяя 
в одной программной среде выполнить ряд расчетов. 

Несмотря на это, продолжают оставаться актуальными базовые навыки 

энергетического расчета компонентов движительного комплекса и анализа 
их характеристик, понимание общих принципов проектирования таких систем. 


Предлагаемое учебное пособие предназначено для студентов, обучаю-

щихся по образовательной программе бакалавриата по направлению подготовки 
15.03.06 «Мехатроника и робототехника», профиль подготовки «Подводные 
робототехнические комплексы и системы».

В учебном пособии рассмотрены важнейшие этапы проектирования 

средств движения подводных аппаратов, связанные с расчетами основных 
параметров, которые являются исходными для последующей детальной 
конструкторской проработки технического облика нового изделия. Изучение 
особенностей конструирования реальных устройств не входило в задачи 
учебного пособия.

Содержание и структура учебного пособия полностью соответствуют 

учебной программе дисциплины «Проектирование движительных комплексов 
подводных аппаратов». 

Цель изучения дисциплины — формирование совокупности профессиональных 
компетенций, необходимых разработчику средств движения подводных 
аппаратов, и систематизация ранее полученных знаний по исполнительным 
системам необитаемых подводных аппаратов. 

После изучения дисциплины студенты овладеют:

•• базовыми знаниями о номенклатуре и функциональных схемах движительных 
комплексов необитаемых подводных аппаратов; 

•• методиками проведения проектировочных и поверочных расчетов 

движителей и средств маневрирования;

•• навыками математического моделирования средств движения.

Предисловие

Пособие содержит два модуля. Каждый модуль представляет собой логически 
завершенный раздел курса. Последовательность изложения материала 
в учебном пособии, состоящем из шести глав, соответствует рабочей 
программе дисциплины. Для освоения первого модуля «Методика проектировочных 
и поверочных расчетов средств движения подводных аппаратов», 
необходимо изучить главы 1–4 пособия. Учебные материалы второго модуля «
Динамические характеристики средств движения подводных аппаратов» 
содержатся в главах 5 и 6. 

Предполагается, что студенты перед изучением данного курса имеют базовые 
знания по следующим дисциплинам:

•• Теоретическая механика;

•• Теория автоматического управления;

•• Управление роботами и робототехническими комплексами;

•• Гидравлические приводы подводных робототехнических систем;

•• Электрические приводы мехатронных робототехнических систем;

•• Основы моделирования и исследования систем подводных аппаратов;

•• Динамика движения подводных аппаратов. 

Принятые сокращения

АНПА — автономный необитаемый подводный аппарат 
ВМА 
— винтомоторный агрегат

ДДУ 
— двигательно-движительное устройство

ДК 
— движительный комплекс 

КПД 
— коэффициент полезного действия 

НПА 
— необитаемый подводный аппарат 

ПГ 
— подстраиваемый генератор

СМ  
— средство маневрирования

ТНПА — телеуправляемый необитаемый подводный аппарат
УЭ 
— управляющий элемент

ФД 
— фазовый детектор

ФНЧ — фильтр низких частот
ЭГ 
— эталонный генератор

Введение

Необитаемые подводные аппараты (НПА) широко применяются при ис-

следовании Мирового океана, проведении подводных технических работ, 
для решения военных и специальных задач в подводной сфере. 

Современный НПА является сложным техническим объектом, в состав 

которого входят десятки различных систем. Конкретная структура и аппа-
ратная сложность НПА определяются его функциональным назначением. 
При этом ряд компонентов является обязательным для любого подводного 
аппарата. 

Способность перемещаться в водной среде — необходимое условие 

выполнения подводным аппаратом заданных функций. Таким свойством 
должны обладать не только автономные НПА (АНПА) и телеуправляемые 
НПА (ТНПА), но и подводные буксируемые аппараты, относящиеся к груп-
пе маневрирующих.

Любой подводный аппарат перемещается за счет управляющих сил и мо-

ментов. Устройства, создающие эти силовые воздействия, называются дви-
жителями. Для генерации поперечных сил, направление которых не совпа-
дает с вектором скорости НПА, в дополнение к движителям на НПА иногда 
размещают рули, управляемые крылья, поворотные насадки и т. п. В судо-
строении такие устройства называются средствами управления, средствами 
маневрирования или подруливающими устройствами. Движители и средства 
управления приводятся в действие с помощью исполнительных систем 
(приводов). Обычно движитель и его привод образуют единый конструктив-
ный модуль, называемый двигательно-движительным устройством или винто-
моторным агрегатом. В состав такого модуля может входить и система управ-
ления привода. Аналогичную структуру имеет и средство маневрирования. 
В дальнейшем двигательно-движительные устройства и средства маневрирования 
будем называть силовыми устройствами. Совокупность всех двигательно-
движительных устройств и средств маневрирования, установленных 
на НПА, образует движительный комплекс (ДК). В технической литературе 
встречается и другое название — движительно-рулевой комплекс. 

Использование термина «комплекс» в этом случае вполне правомерно, 

так как общая задача формирования и целенаправленного изменения движущих 
сил решается с помощью согласованной (взаимосвязанной) работы 
нескольких устройств, конструктивное объединение которых в одну сборочную 
единицу невозможно. Часть из них отвечает за усиление и коррекцию 
управляющего сигнала, другая часть осуществляет преобразование электрической 
или гидравлической энергии в механическую энергию в приводе 

Введение

двигательно-движительного устройства. Таким образом, ДК всегда поставляется 
в виде нескольких сборочных единиц, а целевая функция достигается 
только после размещения всех компонентов на НПА и их интеграции с другими 
системами. Для таких видов изделий в Единой системе конструктор-
ской документации предусмотрено наименование «комплекс». 

В процессе разработки движителей и средств маневрирования широко 

используются конструктивные решения и методики проектирования, за-
имствованные из традиционного судостроения. Создание исполнительной 
части также ведется на основе типовых схем и методов построения электро- 
или гидропривода. Тем не менее, процесс проектирования ДК характеризу-
ется рядом существенных особенностей, совокупность которых определяет 
необходимость рассмотрения многих вопросов с новых позиций.

Отметим важнейшие положения, которые непосредственно влияют на 

процесс создания ДК и во многом определяют необходимость новых подхо-
дов к проектированию: 

•• разработчику ДК доступна широкая номенклатура серийных компо-

нентов (движителей, электродвигателей, модулей управления), что услож-
няет поиск оптимального решения; 

•• НПА обычно разрабатывают в небольших коллективах, где разработ-

чик ДК, выступая в роли системного интегратора, должен обладать профес-
сиональными знаниями в нескольких областях техники; 

•• подводную робототехнику изготовляют в условиях единичного произ-

водства, поэтому возможности для отработки технических решений и устра-
нения ошибок практически отсутствуют. 

Для создания эффективного ДК необходим комплексный подход, при 

котором проектирование движителя, привода и системы управления подчи-
нено общей цели. Во многих случаях окончательное решение формируется в 
результате серии компромиссов. Так, намеренное снижение коэффициента 
полезного действия (КПД) движителя в некоторых случаях позволяет обе-
спечить более высокие общие энергетические характеристики всей силовой 
установки за счет согласования параметров движителя и привода. Решить 
такую задачу может только специалист, владеющий навыками расчета всех 
компонентов ДК — от движителя до системы управления. 

Знание общих методов математического описания всего тракта преоб-

разования в ДК позволяет проектанту выполнить оценку его ожидаемых ре-
гулировочных и динамических характеристик. К сожалению, в научно-тех-
нической и учебной литературе ДК обычно рассматривается только как 
совокупность чисто гидродинамических устройств (движителей и средств 
маневрирования); отсутствует комплексный подход, вопросы регулирова-
ния подробно не исследуются. 

Настоящее пособие включает в себя материалы двух модулей, изуча-

емых в течение одного семестра. Модуль 1 «Методика проектировочных 
и поверочных расчетов средств движения подводных аппаратов» раскрыт 
в следующих главах пособия: «Характеристика движительных комплексов 
необитаемых подводных аппаратов», «Методы расчета гидродинамического 

Введение

сопротивления необитаемого подводного аппарата», «Методы расчета дви-
жителей», «Порядок выбора привода движителей».

Модуль 2 «Динамические характеристики средств движения подводных 

аппаратов» раскрыт в главах «Динамические характеристики двигатель-
но-движительных устройств» и «Методы проектирования средств маневри-
рования».

Приведенный материал позволяет рассматривать ДК в большей степени 

как классическую систему регулирования, в которой движители или сред-
ства маневрирования выступают в роли специфической нагрузки для приво-
да. Такой комплексный подход позволяет точно оценить характеристику ДК.