【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于化学能热融冰的水下穿冰浮标，属于水下破冰。
技术介绍
1、随着水下破冰技术应用范围迅速扩展，水下破冰技术逐步涵盖了极地冰下科考和冰下湖泊生态系统的探索，例如，北冰洋气候寒冷，常年被厚厚的冰层覆盖。冬季有73%的海面冰封，冰层平均厚度3米；夏季也有57%海面覆盖冰层。
2、现有穿过冰层的技术一般存在两种：
3、1：物理破冰法：使用带有多刀刃的旋转钻头，将其安装在圆柱形探针的前端。这个探针必须配备辅助机械装置，用以反作用于破冰过程中产生的扭矩，并通过夹具或者履带作用于钻孔的侧壁，推动它向下移动。此方法缺点十分明显。
4、（1）：机械结构将具有极高的复杂性，制作成本高。
5、（2）：稳定性差，当面对特殊环境如冰水界面时，钻头前后产生的扭矩可能发生不可逆的损坏。
6、（3）：控制难度大，如何调节钻头扭矩\转速\进动速度\轴向力等参数在不同应用场景以实现最优解。
7、（4）：冰屑处理难度大，由于钻出的冰屑的体积一定远大于比同质量的冰，这就需要机器将冰屑压缩至与同质量的冰体积类似或者运输出穿孔。
8、2：热能破冰法：在水下机器人前部探头分布安装多个热板（无法移动）在接近冰层表面的环境下，通过加热设备将热能传递至融冰金属外壳，升高冰层温度使其融化，从而形成一个可供通行的通道。常见的热源包括电加热器以及通过化学反应释放的热量。
9、然而，热能穿冰技术仍面临诸多挑战。
10、（1）由于电池容量的限制，电热穿冰技术能够穿
11、（2）如何通过精确控制化学反应速度来提高热能的利用效率，并有效管理能量释放，仍然是当前研究中的关键难题。
技术实现思路
1、为了克服现有技术的缺点，提供一种穿冰效率高，成本低，构造简单，维护维修简单，噪音小，自主工作的水下破冰机器。
2、一种基于化学能热融冰的水下穿冰浮标，包括：融冰反应段舱体、核心控制段舱体、气囊、配重段和外壳；
3、所述核心控制段舱体包括气体释放装置，所述配重段包括发泡固体浮力材料；
4、延伸阶段时，所述气体释放装置给所述气囊充气，气囊膨胀后将所述发泡固体浮力材料挤出外壳，浮标姿态调整为整体竖直状态；
5、所述融冰反应段舱体包括水球、针、生石灰包和pcb控制板，所述外壳包括头部外壳；
6、启动融冰反应时，所述pcb控制板控制针扎破水球，与生石灰包中的生石灰发生放热反应，产生的水蒸气进入所述头部外壳，加热所述头部外壳，水蒸气通过头部外壳表面的孔逸出后与冰接触，实现融冰穿冰。
7、在优选实施例中，所述配重段还包括：碳纤维棍、发泡固体浮力材料和配重段；
8、所述气囊充气膨胀后长度增加，向后推动核心控制段舱体、发泡固体浮力材料、碳纤维棍、配重段，所述发泡固体浮力材料被挤出浮标，配重段后移，使得浮标重心后移；气囊充气体积继续增大，浮心前移，产生校正力矩，控制浮标竖直姿态。
9、在优选实施例中，气囊挤压核心控制段舱体，迫使核心控制段舱体后移并推动发泡固体浮力材料、碳纤维棍向后移动，碳纤维棍从核心控制段舱体中的第二10mm法兰中穿过，第二10mm法兰与配重段外壳用螺栓紧密连接不随之移动，核心控制段舱体中的控制段下舱盖被气囊的膨胀向后推动直至被第二10mm法兰阻碍，控制段下舱盖停止移动，此过程中发泡固体浮力材料会被向后挤出配重段外壳，而配重段与碳纤维棍与核心控制段舱体相连接，将继续停留在浮标后方，以上过程为浮标的延伸阶段。
10、在优选实施例中，所述发泡固体浮力材料的释放通过电磁铁和气囊一起控制发泡固体浮力材料的释放，电磁铁通电，同时气囊充气，来将发泡固体浮力材料挤出，电磁铁在不通电时具有磁性，通电后失去磁性,释放发泡固体浮力材料。
11、在优选实施例中，外壳包括：锥形的头部外壳和配重段外壳，所述锥形的头部外壳覆盖融冰反应段舱体的前端，所述配重段外壳覆盖融冰反应段舱体的中后端和核心控制段舱体。
12、在优选实施例中，融冰反应段舱体设置有单向阀，所述单向阀的开启压力提前设定后，当单向阀内部压力达到预定值时，单向阀自动开启，释放蒸汽。
13、在优选实施例中，所述融冰反应段舱体还包括：12mm铁氟龙管、第一舱体固定环、70mm亚克力舱体、第二舱体固定环、m20填料函、反应段铝盖出气盖、第二反应段法兰。
14、在优选实施例中，单向阀通过12mm铁氟龙管与m20填料函连接而固定在融冰反应段舱体前端，头部外壳与反应段铝盖出气盖通过螺栓连接，反应段铝盖出气盖、第二反应段法兰与70mm亚克力舱体通过亚克力专用胶水粘接在一起，第一舱体固定环和第二舱体固定环通过螺丝与配重段外壳上定位孔相连接，实现轴向与径向固定，头部外壳通过螺丝与配重段外壳相连实现固定，融冰反应段舱体被第一舱体固定环与头部外壳所限位；70mm亚克力舱体通过第一舱体固定环与第二舱体固定环所限位。
15、本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术可自动调节成头部朝上的竖直姿态，规避了复杂的机械破冰结构，使用了原料便宜产热量大的化学放热反应产热融冰，在复杂的极地环境中能够更加高效、稳定地运行，同时显著降低了成本和维护难度。
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1.一种基于化学能热融冰的水下穿冰浮标，其特征在于，包括：融冰反应段舱体、核心控制段舱体、气囊、配重段和外壳；
2.如权利要求1所述的基于化学能热融冰的水下穿冰浮标，其特征在于：所述配重段还包括：碳纤维棍、发泡固体浮力材料和配重段；
3.如权利要求2所述的基于化学能热融冰的水下穿冰浮标，其特征在于：气囊挤压核心控制段舱体，迫使核心控制段舱体后移并推动发泡固体浮力材料、碳纤维棍向后移动，碳纤维棍从核心控制段舱体中的第二10mm法兰中穿过，第二10mm法兰与配重段外壳用螺栓紧密连接不随之移动，核心控制段舱体中的控制段下舱盖被气囊的膨胀向后推动直至被第二10mm法兰阻碍，控制段下舱盖停止移动，此过程中发泡固体浮力材料被向后挤出配重段外壳，而配重段与碳纤维棍与核心控制段舱体相连接，将继续停留在浮标后方，以上过程为浮标的延伸阶段。
4.如权利要求2所述的基于化学能热融冰的水下穿冰浮标，其特征在于：所述发泡固体浮力材料的释放通过电磁铁和气囊一起控制发泡固体浮力材料的释放，电磁铁通电，同时气囊充气，将发泡固体浮力材料挤出，电磁铁在不通电时具有磁性，通电后失去
5.如权利要求1所述的基于化学能热融冰的水下穿冰浮标，其特征在于：外壳包括：锥形的头部外壳和配重段外壳，所述锥形的头部外壳覆盖融冰反应段舱体的前端，所述配重段外壳覆盖融冰反应段舱体的中后端和核心控制段舱体。
6.如权利要求1所述的基于化学能热融冰的水下穿冰浮标，其特征在于：融冰反应段舱体设置有单向阀，所述单向阀的开启压力提前设定后，当单向阀内部压力达到预定值时，单向阀自动开启，释放蒸汽。
7.如权利要求5所述的基于化学能热融冰的水下穿冰浮标，其特征在于：所述融冰反应段舱体还包括：12mm铁氟龙管、第一舱体固定环、70mm亚克力舱体、第二舱体固定环、m20填料函、反应段铝盖出气盖和第二反应段法兰。
8.如权利要求7所述的基于化学能热融冰的水下穿冰浮标，其特征在于：单向阀通过12mm铁氟龙管与m20填料函连接而固定在融冰反应段舱体前端，头部外壳与反应段铝盖出气盖通过螺栓连接，反应段铝盖出气盖、第二反应段法兰与70mm亚克力舱体通过亚克力专用胶水粘接在一起，第一舱体固定环和第二舱体固定环通过螺丝与配重段外壳上定位孔相连接，实现轴向与径向固定，头部外壳通过螺丝与配重段外壳相连实现固定，融冰反应段舱体被第一舱体固定环与头部外壳所限位；70mm亚克力舱体通过第一舱体固定环与第二舱体固定环所限位。
...【技术特征摘要】
1.一种基于化学能热融冰的水下穿冰浮标，其特征在于，包括：融冰反应段舱体、核心控制段舱体、气囊、配重段和外壳；
2.如权利要求1所述的基于化学能热融冰的水下穿冰浮标，其特征在于：所述配重段还包括：碳纤维棍、发泡固体浮力材料和配重段；
3.如权利要求2所述的基于化学能热融冰的水下穿冰浮标，其特征在于：气囊挤压核心控制段舱体，迫使核心控制段舱体后移并推动发泡固体浮力材料、碳纤维棍向后移动，碳纤维棍从核心控制段舱体中的第二10mm法兰中穿过，第二10mm法兰与配重段外壳用螺栓紧密连接不随之移动，核心控制段舱体中的控制段下舱盖被气囊的膨胀向后推动直至被第二10mm法兰阻碍，控制段下舱盖停止移动，此过程中发泡固体浮力材料被向后挤出配重段外壳，而配重段与碳纤维棍与核心控制段舱体相连接，将继续停留在浮标后方，以上过程为浮标的延伸阶段。
4.如权利要求2所述的基于化学能热融冰的水下穿冰浮标，其特征在于：所述发泡固体浮力材料的释放通过电磁铁和气囊一起控制发泡固体浮力材料的释放，电磁铁通电，同时气囊充气，将发泡固体浮力材料挤出，电磁铁在不通电时具有磁性，通电后失去磁性,释放发泡固体浮力材料。
5.如权利要求1所述的基于化学能热融冰的水下穿冰浮...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩凤磊，高兰棋，杜雨璁，汪春辉，赵望源，夏力扬，林永亮，冯可一，黄屹，彭潇，周泽宇，林琪，霍文华，余家齐，苏亮，岳文博，陈洪亮，吴禹良，姜帆，
申请(专利权)人：青岛哈尔滨工程大学创新发展中心，
类型：发明
国别省市：
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