一种极地船载特高压脉冲放电气泡破冰系统和方法

本发明涉及船舶与海洋工程，特别是涉及一种极地船载特高压脉冲放电气泡破冰系统和方法。

背景技术：

1、近年来，随着极地海冰的缩减，北极航道和极地资源开发变得日渐现实。北极具有重要的生态、经济、资源和军事地位，在国家发展规划中具有极地探测的重要性，极地已成为关乎国家利益的战略领域。

2、北极航道是新兴黄金航道，能够缩短传统亚欧航线5-6千公里，是联系亚、欧、美三大洲最短航线，是三大蓝色经济通道之一，对降低运输成本、加强全球贸易联系具有重要意义。北极具有丰富的矿产资源，其中具有全球13％的石油储量和30％未开发的天然气，此外，北极的稀有金属、海洋资源和丰富的渔业资源也具有愈来愈明显的商业价值，因此，北极是未来重要能源和资源基地。同时，北极的军事地理位置也非常重要。北极是亚、欧、美三洲的结合部，是武器打击的最短距离，然而，北极大面积冰层能为战略核潜艇提供天然保护，因此，谁主导了北极，谁就能世界军事的“制高点”，可见其军事战略意义之高，所以北极航道的资源开发利用对我国的能源战略和经济发展影响巨大。

3、破冰船和爆炸破冰是目前两种主要的破冰方法，破冰船一旦遭遇极端恶劣天气被困后，难以依靠自身动力脱困。爆炸破冰通过在冰层内引爆炸药，容易干扰海洋生态和引起水质污染。这两种方法难以满足极地环保法规和使用需求。特高压脉动气泡破冰技术因其安全高效、绿色环保、可重复性的优势，在极地探索和资源开发中具有巨大潜力。是一种提高舰船极地航行能力和辅助破冰手段。

技术实现思路

1、本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种极地船载特高压脉冲放电气泡破冰系统和方法。所述破冰系统和方法安全高效、绿色环保、可重复使用，是一种提高舰船极地航行能力和辅助破冰的手段。

2、本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种极地船载特高压脉冲放电气泡破冰系统，所述系统包括点位选取模块、钻孔和电极布置模块以及特高压脉冲气泡发生模块；

3、所述点位选取模块采用声波探测系统来探测冰层的实时厚度，为后续的破冰点选取提供依据；

4、所述钻孔和电极布置模块由机器人来进行工作，利用计算机控制钻孔机器人在选取的安全易破点进行钻孔，钻孔完成后再利用计算机控制机器人在孔洞下方布置气泡发生电极；

5、所述特高压脉冲气泡发生模块包括气泡发生装置，该气泡发生装置包含控制器、电箱、升压器以及电极，其中控制器用来控制装置的开关、电压的大小以及放电的频率；电箱采用船载电箱，用来放电；升压器用来提高电箱电压；电极在水中放电产生特高压脉动气泡。

6、进一步地，所述声波探测系统包括声波发生器和声波接收器以及相位差测量器，通过声波发生器发送声波信号并通过声波接收器接收信号，再由相位差测量器测量信号的传播时间来计算冰层的厚度。

7、进一步地，选取根据冰层厚度测量结果与船体的安全位置结合出来的安全易破点，既能保证该系统破冰成功，又能够保证船体不会受到该系统产生的特高压脉动气泡对船体结构的冲击，保证船体结构安全。

8、进一步地，根据确定的安全易破点设计孔位的排布方案，确保船载电箱产生的特高压脉动气泡能够达到破冰效果。

9、进一步地，根据孔位的排布方案来选取气泡能量大小，选取的能量大小不能超过船载最高电压产生的能量范围。

10、进一步地，通过电极在水中放电产生特高压脉动气泡，产生的特高压脉冲气泡破开冰层，船体脱困后由机器人回收电极。

11、进一步地，根据冰层厚度测量结果，选取冰层厚度最小处，再确定了孔位的排布方案，便可根据冰层厚度与孔位排布方案来确定产生气泡的能量大小；在确定了孔位的具体位置后，便可将钻孔机器人放于冰层上方，由工作人员在船体上通过计算机观察由钻孔机器人上安装的摄像头传来的画面，在到达指定位置后，用计算机控制钻孔机器人开始钻孔，将冰层钻通后，再控制机器人将电极放于冰层下方。

12、本发明还提出一种基于所述的极地船载特高压脉冲放电气泡破冰系统的破冰方法，所述破冰方法包括：

13、步骤1、将相位差测量器与声波发生器和声波接收器连接，打开开关，声波发生器发射声波，一段时间，接收器接收信号，相位差测量器测量时差；

14、步骤2、根据时差，计算冰层厚度；

15、步骤3、确定孔位排布方案，定钻孔位置，定能量大小；

16、步骤4、计算机控制机器人钻孔，布置电极；

17、步骤5、设定电压及放电频率，打开控制开关，电极产生特高压脉动气泡；

18、步骤6、气泡破冰，船体脱困，回收电极。

19、本发明还提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种基于所述的极地船载特高压脉冲放电气泡破冰系统的破冰方法的步骤。

20、本发明还提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种基于所述的极地船载特高压脉冲放电气泡破冰系统的破冰方法的步骤。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

22、本发明所述系统和方法通过特高压放电产生高压脉动气泡，避免爆炸破冰可能导致的环境污染和生态破坏，更加符合环保要求。在经济性方面，相对于需要大量燃料和维护费用的破冰船或爆炸破冰方法，气泡破冰技术可降低长期运行的运营成本。在安全性方面，这种技术在提高破冰效率的同时，降低了操作风险。此外，该技术具有良好的可重复使用性，无需像爆炸破冰受携带药量的限制，可提供持续可靠的破冰能力。

技术特征：

1.一种极地船载特高压脉冲放电气泡破冰系统，其特征在于，所述系统包括点位选取模块、钻孔和电极布置模块以及特高压脉冲气泡发生模块；

2.根据权利要求1所述的破冰系统，其特征在于，所述声波探测系统包括声波发生器和声波接收器以及相位差测量器，通过声波发生器发送声波信号并通过声波接收器接收信号，再由相位差测量器测量信号的传播时间来计算冰层的厚度。

3.根据权利要求2所述的破冰系统，其特征在于，选取根据冰层厚度测量结果与船体的安全位置结合出来的安全易破点，既能保证该系统破冰成功，又能够保证船体不会受到该系统产生的特高压脉动气泡对船体结构的冲击，保证船体结构安全。

4.根据权利要求3所述的破冰系统，其特征在于，根据确定的安全易破点设计孔位的排布方案，确保船载电箱产生的特高压脉动气泡能够达到破冰效果。

5.根据权利要求4所述的破冰系统，其特征在于，根据孔位的排布方案来选取气泡能量大小，选取的能量大小不能超过船载最高电压产生的能量范围。

6.根据权利要求5所述的破冰系统，其特征在于，通过电极在水中放电产生特高压脉动气泡，产生的特高压脉冲气泡破开冰层，船体脱困后由机器人回收电极。

7.根据权利要求1所述的破冰系统，其特征在于，根据冰层厚度测量结果，选取冰层厚度最小处，再确定了孔位的排布方案，便可根据冰层厚度与孔位排布方案来确定产生气泡的能量大小；在确定了孔位的具体位置后，便可将钻孔机器人放于冰层上方，由工作人员在船体上通过计算机观察由钻孔机器人上安装的摄像头传来的画面，在到达指定位置后，用计算机控制钻孔机器人开始钻孔，将冰层钻通后，再控制机器人将电极放于冰层下方。

8.一种基于权利要求6所述的极地船载特高压脉冲放电气泡破冰系统的破冰方法，其特征在于，所述破冰方法包括：

9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求8所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求8所述方法的步骤。

技术总结本发明提出一种极地船载特高压脉冲放电气泡破冰系统和方法。本发明所述系统包括点位选取模块、钻孔和电极布置模块以及特高压脉冲气泡发生模块三大模块。该系统利用声波探测技术精准测量冰层厚度，通过计算机控制机器人完成钻孔和电极布置,最后利用特高压脉冲放电在冰层下产生气泡，实现高效破冰。该技术具有安全高效、绿色环保、可重复使用等优点，避免了传统破冰方法带来的环境污染和操作风险，降低了长期运营成本。具体实施中，本发明所述系统能根据冰层厚度灵活调整气泡能量和孔位排布，确保破冰效果的同时保障船体安全。技术研发人员：董茜茜,董小帅,梁文彦,崔璞,熊骋望受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学技术研发日：技术公布日：2024/12/23