本發(fā)明涉及船舶與海洋工程，特別是涉及一種極地船載特高壓脈沖放電氣泡破冰系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著極地海冰的縮減，北極航道和極地資源開發(fā)變得日漸現(xiàn)實(shí)。北極具有重要的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、資源和軍事地位，在國家發(fā)展規(guī)劃中具有極地探測的重要性，極地已成為關(guān)乎國家利益的戰(zhàn)略領(lǐng)域。

2、北極航道是新興黃金航道，能夠縮短傳統(tǒng)亞歐航線5-6千公里，是聯(lián)系亞、歐、美三大洲最短航線，是三大藍(lán)色經(jīng)濟(jì)通道之一，對降低運(yùn)輸成本、加強(qiáng)全球貿(mào)易聯(lián)系具有重要意義。北極具有豐富的礦產(chǎn)資源，其中具有全球13％的石油儲量和30％未開發(fā)的天然氣，此外，北極的稀有金屬、海洋資源和豐富的漁業(yè)資源也具有愈來愈明顯的商業(yè)價值，因此，北極是未來重要能源和資源基地。同時，北極的軍事地理位置也非常重要。北極是亞、歐、美三洲的結(jié)合部，是武器打擊的最短距離，然而，北極大面積冰層能為戰(zhàn)略核潛艇提供天然保護(hù)，因此，誰主導(dǎo)了北極，誰就能世界軍事的“制高點(diǎn)”，可見其軍事戰(zhàn)略意義之高，所以北極航道的資源開發(fā)利用對我國的能源戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響巨大。

3、破冰船和爆炸破冰是目前兩種主要的破冰方法，破冰船一旦遭遇極端惡劣天氣被困后，難以依靠自身動力脫困。爆炸破冰通過在冰層內(nèi)引爆炸藥，容易干擾海洋生態(tài)和引起水質(zhì)污染。這兩種方法難以滿足極地環(huán)保法規(guī)和使用需求。特高壓脈動氣泡破冰技術(shù)因其安全高效、綠色環(huán)保、可重復(fù)性的優(yōu)勢，在極地探索和資源開發(fā)中具有巨大潛力。是一種提高艦船極地航行能力和輔助破冰手段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提出了一種極地船載特高壓脈沖放電氣泡破冰系統(tǒng)和方法。所述破冰系統(tǒng)和方法安全高效、綠色環(huán)保、可重復(fù)使用，是一種提高艦船極地航行能力和輔助破冰的手段。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明提出一種極地船載特高壓脈沖放電氣泡破冰系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括點(diǎn)位選取模塊、鉆孔和電極布置模塊以及特高壓脈沖氣泡發(fā)生模塊；

3、所述點(diǎn)位選取模塊采用聲波探測系統(tǒng)來探測冰層的實(shí)時厚度，為后續(xù)的破冰點(diǎn)選取提供依據(jù)；

4、所述鉆孔和電極布置模塊由機(jī)器人來進(jìn)行工作，利用計(jì)算機(jī)控制鉆孔機(jī)器人在選取的安全易破點(diǎn)進(jìn)行鉆孔，鉆孔完成后再利用計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人在孔洞下方布置氣泡發(fā)生電極；

5、所述特高壓脈沖氣泡發(fā)生模塊包括氣泡發(fā)生裝置，該氣泡發(fā)生裝置包含控制器、電箱、升壓器以及電極，其中控制器用來控制裝置的開關(guān)、電壓的大小以及放電的頻率；電箱采用船載電箱，用來放電；升壓器用來提高電箱電壓；電極在水中放電產(chǎn)生特高壓脈動氣泡。

6、進(jìn)一步地，所述聲波探測系統(tǒng)包括聲波發(fā)生器和聲波接收器以及相位差測量器，通過聲波發(fā)生器發(fā)送聲波信號并通過聲波接收器接收信號，再由相位差測量器測量信號的傳播時間來計(jì)算冰層的厚度。

7、進(jìn)一步地，選取根據(jù)冰層厚度測量結(jié)果與船體的安全位置結(jié)合出來的安全易破點(diǎn)，既能保證該系統(tǒng)破冰成功，又能夠保證船體不會受到該系統(tǒng)產(chǎn)生的特高壓脈動氣泡對船體結(jié)構(gòu)的沖擊，保證船體結(jié)構(gòu)安全。

8、進(jìn)一步地，根據(jù)確定的安全易破點(diǎn)設(shè)計(jì)孔位的排布方案，確保船載電箱產(chǎn)生的特高壓脈動氣泡能夠達(dá)到破冰效果。

9、進(jìn)一步地，根據(jù)孔位的排布方案來選取氣泡能量大小，選取的能量大小不能超過船載最高電壓產(chǎn)生的能量范圍。

10、進(jìn)一步地，通過電極在水中放電產(chǎn)生特高壓脈動氣泡，產(chǎn)生的特高壓脈沖氣泡破開冰層，船體脫困后由機(jī)器人回收電極。

11、進(jìn)一步地，根據(jù)冰層厚度測量結(jié)果，選取冰層厚度最小處，再確定了孔位的排布方案，便可根據(jù)冰層厚度與孔位排布方案來確定產(chǎn)生氣泡的能量大??；在確定了孔位的具體位置后，便可將鉆孔機(jī)器人放于冰層上方，由工作人員在船體上通過計(jì)算機(jī)觀察由鉆孔機(jī)器人上安裝的攝像頭傳來的畫面，在到達(dá)指定位置后，用計(jì)算機(jī)控制鉆孔機(jī)器人開始鉆孔，將冰層鉆通后，再控制機(jī)器人將電極放于冰層下方。

12、本發(fā)明還提出一種基于所述的極地船載特高壓脈沖放電氣泡破冰系統(tǒng)的破冰方法，所述破冰方法包括：

13、步驟1、將相位差測量器與聲波發(fā)生器和聲波接收器連接，打開開關(guān)，聲波發(fā)生器發(fā)射聲波，一段時間，接收器接收信號，相位差測量器測量時差；

14、步驟2、根據(jù)時差，計(jì)算冰層厚度；

15、步驟3、確定孔位排布方案，定鉆孔位置，定能量大小；

16、步驟4、計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人鉆孔，布置電極；

17、步驟5、設(shè)定電壓及放電頻率，打開控制開關(guān)，電極產(chǎn)生特高壓脈動氣泡；

18、步驟6、氣泡破冰，船體脫困，回收電極。

19、本發(fā)明還提出一種電子設(shè)備，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時實(shí)現(xiàn)所述一種基于所述的極地船載特高壓脈沖放電氣泡破冰系統(tǒng)的破冰方法的步驟。

20、本發(fā)明還提出一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，用于存儲計(jì)算機(jī)指令，所述計(jì)算機(jī)指令被處理器執(zhí)行時實(shí)現(xiàn)所述一種基于所述的極地船載特高壓脈沖放電氣泡破冰系統(tǒng)的破冰方法的步驟。

21、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

22、本發(fā)明所述系統(tǒng)和方法通過特高壓放電產(chǎn)生高壓脈動氣泡，避免爆炸破冰可能導(dǎo)致的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，更加符合環(huán)保要求。在經(jīng)濟(jì)性方面，相對于需要大量燃料和維護(hù)費(fèi)用的破冰船或爆炸破冰方法，氣泡破冰技術(shù)可降低長期運(yùn)行的運(yùn)營成本。在安全性方面，這種技術(shù)在提高破冰效率的同時，降低了操作風(fēng)險。此外，該技術(shù)具有良好的可重復(fù)使用性，無需像爆炸破冰受攜帶藥量的限制，可提供持續(xù)可靠的破冰能力。

技術(shù)特征：

1.一種極地船載特高壓脈沖放電氣泡破冰系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括點(diǎn)位選取模塊、鉆孔和電極布置模塊以及特高壓脈沖氣泡發(fā)生模塊；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的破冰系統(tǒng)，其特征在于，所述聲波探測系統(tǒng)包括聲波發(fā)生器和聲波接收器以及相位差測量器，通過聲波發(fā)生器發(fā)送聲波信號并通過聲波接收器接收信號，再由相位差測量器測量信號的傳播時間來計(jì)算冰層的厚度。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的破冰系統(tǒng)，其特征在于，選取根據(jù)冰層厚度測量結(jié)果與船體的安全位置結(jié)合出來的安全易破點(diǎn)，既能保證該系統(tǒng)破冰成功，又能夠保證船體不會受到該系統(tǒng)產(chǎn)生的特高壓脈動氣泡對船體結(jié)構(gòu)的沖擊，保證船體結(jié)構(gòu)安全。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的破冰系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)確定的安全易破點(diǎn)設(shè)計(jì)孔位的排布方案，確保船載電箱產(chǎn)生的特高壓脈動氣泡能夠達(dá)到破冰效果。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的破冰系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)孔位的排布方案來選取氣泡能量大小，選取的能量大小不能超過船載最高電壓產(chǎn)生的能量范圍。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的破冰系統(tǒng)，其特征在于，通過電極在水中放電產(chǎn)生特高壓脈動氣泡，產(chǎn)生的特高壓脈沖氣泡破開冰層，船體脫困后由機(jī)器人回收電極。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的破冰系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)冰層厚度測量結(jié)果，選取冰層厚度最小處，再確定了孔位的排布方案，便可根據(jù)冰層厚度與孔位排布方案來確定產(chǎn)生氣泡的能量大??；在確定了孔位的具體位置后，便可將鉆孔機(jī)器人放于冰層上方，由工作人員在船體上通過計(jì)算機(jī)觀察由鉆孔機(jī)器人上安裝的攝像頭傳來的畫面，在到達(dá)指定位置后，用計(jì)算機(jī)控制鉆孔機(jī)器人開始鉆孔，將冰層鉆通后，再控制機(jī)器人將電極放于冰層下方。

8.一種基于權(quán)利要求6所述的極地船載特高壓脈沖放電氣泡破冰系統(tǒng)的破冰方法，其特征在于，所述破冰方法包括：

9.一種電子設(shè)備，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求8所述方法的步驟。

10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，用于存儲計(jì)算機(jī)指令，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)指令被處理器執(zhí)行時實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求8所述方法的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出一種極地船載特高壓脈沖放電氣泡破冰系統(tǒng)和方法。本發(fā)明所述系統(tǒng)包括點(diǎn)位選取模塊、鉆孔和電極布置模塊以及特高壓脈沖氣泡發(fā)生模塊三大模塊。該系統(tǒng)利用聲波探測技術(shù)精準(zhǔn)測量冰層厚度，通過計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人完成鉆孔和電極布置,最后利用特高壓脈沖放電在冰層下產(chǎn)生氣泡，實(shí)現(xiàn)高效破冰。該技術(shù)具有安全高效、綠色環(huán)保、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，避免了傳統(tǒng)破冰方法帶來的環(huán)境污染和操作風(fēng)險，降低了長期運(yùn)營成本。具體實(shí)施中，本發(fā)明所述系統(tǒng)能根據(jù)冰層厚度靈活調(diào)整氣泡能量和孔位排布，確保破冰效果的同時保障船體安全。

技術(shù)研發(fā)人員：董茜茜,董小帥,梁文彥,崔璞,熊騁望
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工程大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23