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原文传递深海失事装备探捞体系及其关键技术研究

论文题名：	深海失事装备探捞体系及其关键技术研究
关键词：	深海失事装备;探捞体系;任务分解;沉底位置;态势预测;激光探测;拖体平台;稳定控制
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。
作者：	陈云赛
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	庞永杰
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2019