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：

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。北極具有重要的生態(tài)、經(jīng)濟、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，極地已成為關乎國家利益的戰(zhàn)略領域。

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，是三大藍色經(jīng)濟通道之一，對降低運輸成本、加強全球貿(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，因此，誰主導了北極，誰就能世界軍事的“制高點”，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因其安全高效、綠色環(huán)保、可重復性的優(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。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有技術中的問題，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)明是通過以下技術方案實現(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、所述點位選取模塊采用聲波探測系統(tǒng)來探測冰層的實時厚度，為后續(xù)的破冰點選取提供依據(jù)；

4、所述鉆孔和電極布置模塊由機器人來進行工作，利用計算機控制鉆孔機器人在選取的安全易破點進行鉆孔，鉆孔完成后再利用計算機控制機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、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算冰層的厚度。

7、進一步地，選取根據(jù)冰層厚度測量結果與船體的安全位置結合出來的安全易破點，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構的沖擊，保證船體結構安全。

8、進一步地，根據(jù)確定的安全易破點設計孔位的排布方案，確保船載電箱產(chǎn)生的特高壓脈動氣泡能夠達到破冰效果。

9、進一步地，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，船體脫困后由機器人回收電極。

11、進一步地，根據(jù)冰層厚度測量結果，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)生氣泡的能量大小；在確定了孔位的具體位置后，便可將鉆孔機器人放于冰層上方，由工作人員在船體上通過計算機觀察由鉆孔機器人上安裝的攝像頭傳來的畫面，在到達指定位置后，用計算機控制鉆孔機器人開始鉆孔，將冰層鉆通后，再控制機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，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、計算機控制機器人鉆孔，布置電極；

17、步驟5、設定電壓及放電頻率，打開控制開關，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備，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序時實現(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)明還提出一種計算機可讀存儲介質(zhì)，用于存儲計算機指令，所述計算機指令被處理器執(zhí)行時實現(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)濟性方面，相對于需要大量燃料和維護費用的破冰船或爆炸破冰方法，氣泡破冰技術可降低長期運行的運營成本。在安全性方面，這種技術在提高破冰效率的同時，降低了操作風險。此外，該技術具有良好的可重復使用性，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算冰層的厚度。

3.根據(jù)權利要求2所述的破冰系統(tǒng)，其特征在于，選取根據(jù)冰層厚度測量結果與船體的安全位置結合出來的安全易破點，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構的沖擊，保證船體結構安全。

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

5.根據(jù)權利要求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，船體脫困后由機器人回收電極。

7.根據(jù)權利要求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)生氣泡的能量大小；在確定了孔位的具體位置后，便可將鉆孔機器人放于冰層上方，由工作人員在船體上通過計算機觀察由鉆孔機器人上安裝的攝像頭傳來的畫面，在到達指定位置后，用計算機控制鉆孔機器人開始鉆孔，將冰層鉆通后，再控制機器人將電極放于冰層下方。

8.一種基于權利要求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：

9.一種電子設備，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計算機程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序時實現(xiàn)權利要求8所述方法的步驟。

10.一種計算機可讀存儲介質(zhì)，用于存儲計算機指令，其特征在于，所述計算機指令被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)權利要求8所述方法的步驟。

技術總結
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)利用聲波探測技術精準測量冰層厚度，通過計算機控制機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，實現(xiàn)高效破冰。該技術具有安全高效、綠色環(huán)保、可重復使用等優(yōu)點，避免了傳統(tǒng)破冰方法帶來的環(huán)境污染和操作風險，降低了長期運營成本。具體實施中，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。

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