深海失事装备探捞体系及其关键技术研究

发布时间：2020-05-18 19:43

【摘要】：深海是地球上最大的战略地理单元,随着经济发展和技术的进步,人类在深海立体空间的航天、航空、航海以及水下活动逐渐增多。恶劣的深海环境,使得深海失事事故频发,航行器、武备、潜艇等重要的装备沉入洋底,造成巨大损失。快速高效的深海应急探测搜寻打捞能力,是国家深海活动的重要保障。对于深海失事目标物的探捞问题,一方面深海远离大陆,受其高静水压性和低通透性恶劣环境影响,使其落点判断异常困难,且深海探测搜寻打捞技术复杂度高、作业成本高昂和技术体系缺失;另一方面,沉底的失事装备携带重要信息,必须要快速、高效、尽可能完整的打捞回收。这一矛盾揭示了系统开展深海失事装备探捞技术体系构建及其相关关键技术研究的必要性和紧迫性。本文以深海失事装备探捞工程问题实际需求为牵引,首先构建了一个基本的深海探捞技术体系,然后对该技术体系中“算-探-捞”三个系统中的部分关键技术进行了研究,突破深海失事装备探测搜寻打捞中的部分技术瓶颈,为深海失事装备快速、应急搜寻打捞的开展提供理论依据与技术支持。本文主要贡献可以归结为“构建一个体系,突破“算-探-捞”三方面的关键技术问题:(1)提出航天装备深海探捞任务剖面分解模式,并构建了深海失事装备“算-探-捞”技术体系的理论框架。针对深海失事装备探捞技术体系缺失的问题,从深海失事事件发生的一般过程入手,对发生的典型深海探捞事件进行了任务剖面的分解,提取了探捞任务中的关键要素和面临的主要技术问题。从深海失事装备探捞时历和任务剖面出发,结合工程实施流程,提出了深海失事装备算-探-捞技术体系,并根据算、探、捞三个技术层级的逻辑关系建立了该技术体系的理论框架。(2)建立了失事装备沉底位置与态势预测模型。针对深海失事目标物沉底位置与沉底模态精确预测关键问题,建立了基于流固耦合方法的跨气-海-泥介质的分析模型。基于SPH方法进行失事装备入水载荷分析方法;无动力下沉分析中引入了蒙特卡洛随机方法,进行落点概率分布模拟;入泥过程问题采用ALE方法进行模拟。论文针对上述入水、下沉和入泥三个阶段的理论方法分别进行了验证分析。(3)对深海目标激光探测方法和拖体平台稳定控制技术进行了优化。针对深海激光探测方法中精确条纹中心线高效提取和结构参数的标定问题,提出了极值法与高斯函数拟合相结合的复合激光条纹提取方法,探讨了结构参数标定的点云生成和欧氏距离聚类目标分割算法,并通过潜水器模型水池激光扫测试验进行了验证。针对深海拖体深度控制稳定性问题,引入了一种鲁棒非脆弱H∞主动定深控制方法,以某拖体为例进行了仿真验证,仿真结果显示本文方法较传统PID控制方法具有更短的调节时间,深度调节过程中对纵摇镇定影响更小。将最优搜寻理论引入深海目标搜寻问题,建立了深海最优搜寻的基本理论方法,探讨了最优搜寻模型的结构与求解方法。(4)建立了深海大深度条件下目标起吊回收母船-缆绳-吊物耦合运动分析模型,为打捞起吊任务提供作业边界。针对目标物提升出泥载荷预报与大深度提升作业安全性关键问题,探讨了基于有限元方法的出泥载荷分析模型,对不同出泥角度条件下斜向目标物出泥载荷的变化情况进行了模拟分析。建立了风浪流条件下大深度起吊回收母船-吊缆-吊物耦合分析模型,解决了吊缆极限载荷计算等问题,并进行了算法的验证。(5)应用案例。结合美国阿波罗11号任务土星 5号火箭F-1发动机残骸探捞实例,利用本文提出的技术体系对探捞过程进行推演应用模拟,进一步验证了技术体系的可行性。本文研究工作可为深海失事装备的探测搜寻打捞提供理论参考与技术基础,同时对于深海工程作业也有一定的参考价值。
【图文】：

深海区,全球,深海

是人类生存四大战略空间（陆／海／空／天）中，最具现实意义和最具发展潜力的逡逑战略空间。全球海洋平均深度为３３４７米，国际上一般将超过１０００米的区域列为深海，逡逑深海分别占海洋和地球面积的９２．４％和６５．４％邋（如下图１．１所示）。深海大多位于国家管逡逑辖外海域，是人类未来发展的战略新疆域，也是参与全球治理，构建人类命运共同体的逡逑重要领地，深海活动能力直接关系到在深海资源勘查、深海环境保护和深海科技发展中逡逑的活力，影响国家深海战略利益和国家安全，得到了世界各国的高度重视［１］。逡逑２０°Ｗ逦２０°Ｅ逦６０°Ｅ逦１００°Ｅ逦１４０°Ｅ逦１８０°逦１４０°Ｗ逦１００°Ｗ逦６０°Ｗ逡逑ｍ逡逑２０°Ｗ逦２０°Ｅ逦６０°Ｅ逦１００°Ｅ逦１４０°Ｅ逦１８０°逦１４０°Ｗ逦１００°Ｗ逦６０°Ｗ逡逑图１．１全球深海区域分布逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ａｂｙｓｓａｌ邋ｚｏｎｅｓ邋ａｌｌ邋ａｒｏｕｎｄ邋ｔｈｅ邋ｗｏｒｌｄ逡逑广阔的深海为人类提供了巨大的活动空间，全球海上航运、海洋资源开发、深海科逡逑学考察、海上军事活动、航空洲际飞行、航天海上发射回收等均依托于深海立体空间［２］。逡逑深海空间具有复杂特殊环境特征，其海面海洋气象和海水运动多变，海底无光、高压、逡逑低温、无氧。恶劣的海洋环境、装备故障、人为等因素使得深海重大突发安全事故长期逡逑在高位徘徊，，飞机、潜艇、运载火箭、船舶失事导致多种重要目标物沉入深海海底。为逡逑减小深海失事事故损失，探明失事原因，需要第一时间开展救援并对失事装备进行搜寻逡逑打捞。国家经济的发展

内容,深海,技术体系,应用验证

Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｍａｉｎ邋ｒｅｓｅａｒｃｈ邋ｃｏｎｔｅｎｔｓ逡逑（２）论文组织与章节安排逡逑论文组织上遵循“探捞体系构建－关键技术研究－推演应用验证”的思路。全文以深逡逑海失事装备探捞工程问题为牵引，首先，开展了深海探捞技术体系研究，构建一个初步逡逑的探捞技术体系；然后，按照“算－探－捞”的顺序对体系中部分关键技术进行了研究；逡逑最后以Ｆ－１火箭发动机探捞的推演应用验证技术体系的可行性。全文共分为６章，图１．４逡逑给出了本文的总体组织结构构架，具体内容如下：逡逑第１章，介绍了本文研究的背景与意义。对深海探捞的失事装备类型及特点进行了逡逑分析，对深海探捞所涉及的相关理论与关键技术问题的研究现状开展了综述分析，得出逡逑了深海探捞问题研究的挑战，进一步明确了本文的主要研究内容。逡逑第２章，从深海失事事件发生的过程入手，对典型深海探捞事件进行了任务剖面分逡逑解，提取了探捞任务中的关键要素。从深海失事装备探捞时历和任务剖面出发，结合工逡逑程实施流程需求，探索提出了深海失事装备算－探－捞理论与技术体系，并分系统对整个逡逑
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U676.6

【参考文献】