基于高维全局分叉的水下航行器空间运动稳定性数值分析与自航模试验研究

项目针对典型水下航行器-潜艇的水下应急操纵与空间高速机动的特点，以ITTC推荐的标准潜艇六自由度运动数学模型为基础，建立潜艇水下操纵运动（包括应急操纵与空间机动）的非线性数学模型；基于同伦延拓的思想，设计一种新的高维非线性系统全局分叉的数值计算方法，求出潜艇水下应急操纵与空间机动等典型运动的稳态响应的所有稳态解（包括周期解），计算出平衡面和分叉面；运用Lyapunov运动稳定性理论和奇异性与分叉理论，分析潜艇水下运动的分叉特性及全局稳定性，揭示潜艇水下机动的运动规律，提出防止潜艇运动失稳的安全操纵与控制措施；进行潜艇水下机动的动态数值仿真和自航模试验，验证理论与数值分析结果的正确性。项目成果可以为新型潜艇操纵与控制的安全性设计，以及实艇的安全操纵，提供理论基础和参考依据；为研究其它类似于潜艇的水下航行器的运动规律与稳定性提供一种有效的数值分析方法；为研究高维非线性系统的全局分叉提供参考。

潜艇是一类具有流线型潜航体的典型的水下航行器，是现代海军最重要的威慑力量之一，其战略地位越来越突出。如何增强潜艇的快速反应能力，提高潜艇的安全性和机动性，充分发挥潜艇的作战能力，是各国海军发展潜艇的重要研究课题。项目针对潜艇的水下应急操纵与高速空间机动的特点，以ITTC推荐的标准潜艇六自由度运动数学模型为基础，补充和完善了潜艇水下操纵运动的非线性数学模型；基于同伦延拓的思想，设计了高维非线性系统全局分叉的数值计算方法，求出了潜艇水下空间机动典型工况运动的稳态响应的所有稳态解（包括周期解），计算出平衡面和分叉面；运用Lyapunov运动稳定性理论和奇异性与分叉理论，分析了潜艇水下空间机动典型工况运动的分叉特性及全局稳定性，揭示了潜艇水下空间机动的运动规律，提出了防止潜艇运动失稳的安全操纵与控制措施；通过对潜艇水下空间机动的潜艇操纵模拟系统仿真试验和自航模试验，验证了理论与数值分析结果的正确性及其分析方法的有效性。项目成果可以为新型潜艇操纵与控制的安全性设计，以及实艇的安全操纵，提供理论基础和技术参考；为研究其它类似于潜艇的水下航行器的运动规律与稳定性提供了一种有效的数值分析方法；也可为研究高维非线性系统的全局分叉提供技术参考。