移動(dòng)式消磁站機(jī)動(dòng)消磁保障方法優(yōu)化改進(jìn)

胡 欣，張 迪，楊 輝，高俊吉

移動(dòng)式消磁站機(jī)動(dòng)消磁保障方法優(yōu)化改進(jìn)

胡 欣1，張 迪2，楊 輝3，高俊吉1

（1. 海軍工程大學(xué)，湖北武漢 430033；2. 91315部隊(duì)，遼寧大連 116041；3. 91370部隊(duì)，福建福州 350015）

針對(duì)移動(dòng)式消磁站在使用過程中可能出現(xiàn)的場(chǎng)地背景磁場(chǎng)變化和退磁場(chǎng)能量不足等制約其消磁保障能力發(fā)揮的實(shí)際問題，采取理論分析、計(jì)算仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，逐一拆解，分析原因，提出相應(yīng)優(yōu)化改進(jìn)措施，能夠進(jìn)一步提升移動(dòng)式消磁站機(jī)動(dòng)消磁保障效能和艦艇磁性防護(hù)水平。

移動(dòng)式消磁站 消磁 優(yōu)化

0 引言

艦艇周圍空間的磁場(chǎng)是敵方探測(cè)設(shè)備及水中兵器用于探測(cè)和攻擊的主要物理場(chǎng)。艦艇消磁就是采取現(xiàn)代電磁方法和控制技術(shù)來控制艦艇磁場(chǎng)，將艦艇磁場(chǎng)消除或補(bǔ)償?shù)揭欢ǚ秶鷥?nèi)，是提高艦艇磁隱身性能的有效手段[1]。移動(dòng)式消磁站是一種新型的消磁裝備，與傳統(tǒng)固定式消磁站具有一樣的艦艇消磁功能，不同的是，移動(dòng)式消磁站將電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測(cè)磁系統(tǒng)等設(shè)備集成在若干個(gè)集裝箱內(nèi)，可通過陸地或船載機(jī)動(dòng)運(yùn)輸，大大提高了靈活性和隱蔽性。在合理區(qū)分保障對(duì)象后，其造價(jià)成本和生產(chǎn)周期也可以得到較好的控制，因此尤其適合在戰(zhàn)時(shí)多地部署，對(duì)大量中小型艦艇進(jìn)行快速應(yīng)急消磁。

移動(dòng)式消磁站適合于執(zhí)行大量中小型艦艇戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急機(jī)動(dòng)消磁保障任務(wù)，平時(shí)可作為常規(guī)消磁力量的補(bǔ)充。由于功能定位和任務(wù)背景的不同，結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)論證，該裝備在常規(guī)使用中一些影響保障能力發(fā)揮的困難問題可能會(huì)逐漸凸顯出來，亟需加以分析，制定切實(shí)可行的解決措施，以確保其能夠遂行各項(xiàng)使命任務(wù)。

1 消磁場(chǎng)地背景磁場(chǎng)變化對(duì)艦艇磁場(chǎng)測(cè)量精度的影響

1.1 問題描述

一般艦艇消磁需要在背景磁場(chǎng)均勻且穩(wěn)定的低磁場(chǎng)地進(jìn)行，以方便將艦艇磁場(chǎng)從背景磁場(chǎng)中分離出來。移動(dòng)式消磁站對(duì)消磁陣地也有同樣的要求。但考慮到戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急條件，移動(dòng)式消磁站不應(yīng)提出類似固定式消磁站的嚴(yán)苛要求，應(yīng)能在普通非低磁碼頭為艦艇消磁。此時(shí)需要對(duì)消磁場(chǎng)地進(jìn)行少量適應(yīng)性改造，盡量滿足其工作條件。例如，根據(jù)碼頭實(shí)際情況定制專用消磁浮箱，一般采用鋁合金或玻璃鋼等低磁材料建造，漂浮綁定在艦艇和碼頭之間，既能使艦艇遠(yuǎn)離碼頭一定距離以減小碼頭磁場(chǎng)的干擾，又能調(diào)整艦艇航向至磁南（北）航向以減少敷設(shè)橫向補(bǔ)償線圈[2]，如圖1所示。

圖1 消磁碼頭布置示意圖

（工作電纜取捷徑鋪放在碼頭上）

但是，即使采取了這樣的隔離調(diào)整措施，在對(duì)艦艇通電磁性處理前后，艦艇所在位置的背景磁場(chǎng)還是會(huì)發(fā)生變化，從而可能會(huì)影響艦艇磁場(chǎng)分離精度。

1.2 原因分析

移動(dòng)式消磁站采用直通式消磁方法，該方法不同于傳統(tǒng)的旁通式消磁方法。其是在艦艇艏艉焊接專用連接器，將艦艇等效視為一段電阻，串聯(lián)至工作線圈通電回路中，這樣工作電流可直接流過船體，船體電流產(chǎn)生的工作磁場(chǎng)將艦艇內(nèi)部磁籌打亂，使艦艇對(duì)外不顯磁性[3,4,5]，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)消磁方法與直通式消磁方法的對(duì)比圖

直通式消磁方法不用在船體外敷設(shè)螺線管工作線圈，因此在大量艦艇輪候集中消磁時(shí)能明顯提高保障效率。為了產(chǎn)生足夠的退磁磁場(chǎng)安匝量，要求工作線圈通過的電流較大。此時(shí)，鋪放在碼頭上的工作電纜，通電后產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，必然會(huì)磁化鋼筋混凝土建造的普通碼頭，進(jìn)而造成背景磁場(chǎng)變化，如圖1所示。如果背景磁場(chǎng)變化量持續(xù)增大，將會(huì)影響艦艇磁場(chǎng)測(cè)量和分析。

1.3 改進(jìn)建議

一是選用合適的消磁碼頭。在建材選擇上，普通碼頭雖無法達(dá)到低磁化要求，但最好使用鋼筋混凝土材質(zhì)，避免使用全鋼鐵材料建造的碼頭；在碼頭走向上，最好選擇磁南北朝向或與其角度偏差不大的碼頭，便于艦艇南北向靠泊消磁；在碼頭結(jié)構(gòu)上，最好選擇固定式沉箱結(jié)構(gòu)，避免使用高樁碼頭或浮碼頭，保證其具備足夠的承載力和穩(wěn)定性。

二是消磁場(chǎng)地水下背景磁場(chǎng)應(yīng)盡量均勻穩(wěn)定?？膳蓾撍畣T攜帶測(cè)磁儀對(duì)海底背景磁場(chǎng)進(jìn)行普測(cè)，并撈取水下鐵磁物體。當(dāng)艦艇標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量深度的背景磁場(chǎng)值符合消磁要求時(shí)，即可正常開展工作。

三是減小碼頭磁場(chǎng)的干擾。在不影響航道和艦艇機(jī)動(dòng)的情況下，可視情增加消磁浮箱的數(shù)量，從而讓艦艇盡量遠(yuǎn)離碼頭。

四是改進(jìn)工作電纜的布設(shè)方式。為減小工作電纜強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)碼頭的磁化影響，應(yīng)將工作電纜靠近舷邊從船艉集中返回電源車，如圖3所示。此時(shí)，在靠近船艏、船舯的普通碼頭處，工作電路對(duì)碼頭磁化影響較弱。但船艉處工作電纜較為集中，對(duì)碼頭的磁化影響仍然較強(qiáng)。

圖3 改進(jìn)后的消磁碼頭布置示意圖

（工作電纜沿左右兩舷布設(shè)）

五是采取工作電纜磁場(chǎng)屏蔽措施。設(shè)計(jì)磁場(chǎng)屏蔽裝置，將鋪放在船艉附件碼頭上的工作電纜包裹起來，使其產(chǎn)生的磁場(chǎng)盡量不外泄，還可考慮將多余的工作電纜裁短。屏蔽裝置要能以模塊化的方式拆裝組合，便于機(jī)動(dòng)運(yùn)輸，如圖4所示。

圖4 消磁陣地工作電纜磁場(chǎng)屏蔽裝置示意圖

2 船舯上層建筑區(qū)段消磁效果

2.1 問題描述

移動(dòng)式消磁站對(duì)艦?zāi)Ｏ艜r(shí)發(fā)現(xiàn)，船舯上層建筑區(qū)段處的固定磁場(chǎng)較難處理。在采取了增加布設(shè)水平補(bǔ)償電纜等措施后，能在一定程度上降低該區(qū)段的固定磁場(chǎng)，但效果有限，導(dǎo)致最終仍有部分位置結(jié)果磁場(chǎng)不達(dá)標(biāo)，如圖5所示。

圖5 磁性較難處理的船舯上層建筑區(qū)段示意圖

2.2 原因分析

2.2.1 船舯周長(zhǎng)大的部位工作電流密度小，產(chǎn)生的工作磁場(chǎng)偏小

移動(dòng)式消磁站采用直通式消磁方法進(jìn)行消磁，即利用直接在船體通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行退磁。通過對(duì)直通式消磁工作磁場(chǎng)分布情況的分析計(jì)算，結(jié)合大量的物理模型試驗(yàn)，分析推導(dǎo)出工作電流強(qiáng)度與艦艇半徑及周長(zhǎng)之間關(guān)系的近似公式，從而可以根據(jù)艦艇的物理尺寸估算出所需工作電流強(qiáng)度，具體推導(dǎo)如下：

對(duì)于圓柱形空心物體，有：

式中，為退磁電流強(qiáng)度，單位為A；為半徑，單位為cm；為進(jìn)行退磁所需的表面磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為Oe。

對(duì)于非圓柱形空心物體，可取等效半徑。所謂“等效半徑”是指與該物體具有相同周長(zhǎng)的圓柱體的半徑，即：

式中，為非圓柱形空心物體的周長(zhǎng)，單位為cm；為等效半徑，單位為cm。

由(1) 、(2)可得，工作電流與船舯周長(zhǎng)的關(guān)系為：

式中，為工作電流強(qiáng)度，單位為A；為船舯周長(zhǎng)，單位為cm；為進(jìn)行退磁所需的表面磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為Oe。

由此可見，消磁時(shí)船體表面磁場(chǎng)強(qiáng)度為工作電流強(qiáng)度與船舯周長(zhǎng)比值的倍數(shù)，當(dāng)工作電流強(qiáng)度一定時(shí)，船舯周長(zhǎng)越大，表面磁場(chǎng)強(qiáng)度越小[6]。

移動(dòng)式消磁站對(duì)艦?zāi)Ｏ艜r(shí)，采用測(cè)磁儀對(duì)消磁通電時(shí)各部位工作磁場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量。在艦艇周長(zhǎng)最大的位置，如指揮臺(tái)第三層右側(cè)，工作磁場(chǎng)僅為0.09，在煙囪頂端中間和指揮臺(tái)外室右側(cè)，工作磁場(chǎng)僅為0.15；而在艦艇平均周長(zhǎng)處，工作磁場(chǎng)約為0.32，如表1所示。

表1 1#艦?zāi)９ぷ鞔艌?chǎng)測(cè)量結(jié)果表（數(shù)據(jù)作歸一化處理）

從消磁結(jié)果看，對(duì)于船舯上層建筑區(qū)段，消磁通電前后磁場(chǎng)變化較小，較難處理。原因分析：一是由于這艘艦?zāi)倓傔M(jìn)行了改裝，本身磁性較大；二是部分周長(zhǎng)大的位置工作磁場(chǎng)強(qiáng)度不夠；三是船舯上層建筑區(qū)段，艙室分布復(fù)雜，分散了電流密度，導(dǎo)致其產(chǎn)生的工作磁場(chǎng)偏小。

2.2.2船艏的工作電纜未貼近舷邊返回船艉的電源，導(dǎo)致產(chǎn)生的工作磁場(chǎng)偏小

移動(dòng)式消磁站的工作電流從主電源出發(fā)，通過專用電纜連接器流到船艉上，經(jīng)過船體后，從船艏又通過專用電纜連接器回到主電源，構(gòu)成一個(gè)通電回路[7]。從舷邊返回的工作線圈要離開船舷1.0～1.5 m，如圖6、圖7、圖8、圖9所示。此時(shí)，舷邊返回的電纜產(chǎn)生的磁場(chǎng)起到了加強(qiáng)船體磁化的作用。

圖6 工作線圈俯視圖

圖7 工作線圈側(cè)視圖

圖8 從舷邊返回的工作線圈離開船舷的距離示意圖

圖9 工作線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)示意圖

為減少工作電纜敷設(shè)的工作量，移動(dòng)式消磁站一開始采取工作電纜直接鋪放在碼頭上，再?gòu)拇a頭取捷徑返回電源的方式，而不是貼近舷邊從船艏到船艉再返回電源。例如，工作電纜均從左舷經(jīng)消磁浮箱取捷徑返回電源，如圖1所示。此時(shí)，工作電纜通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)未充分作用在船體上，可能出現(xiàn)工作磁場(chǎng)能量不足的現(xiàn)象。實(shí)測(cè)中也發(fā)現(xiàn)，未貼近船舷返回電源車右側(cè)的工作磁場(chǎng)明顯偏小，如表2所示。

表2 1#艦?zāi)Ｗ笥蚁瞎ぷ鞔艌?chǎng)對(duì)比表（數(shù)據(jù)作歸一化處理）

為解決磁場(chǎng)能量不足的問題，移動(dòng)式消磁站對(duì)2#艦?zāi)Ｏ艜r(shí)作了改進(jìn)，將工作電纜靠近艦艇舷邊從船艏返回到船艉，因此工作電纜通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)利用率較高，如圖3所示。此時(shí)，測(cè)得的左右舷工作磁場(chǎng)強(qiáng)度基本一致，舷邊返回的電纜產(chǎn)生的磁場(chǎng)能對(duì)直接流經(jīng)船體的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)起到加強(qiáng)作用，測(cè)磁結(jié)果如表3所示。

表3 2#艦?zāi)Ｗ笥蚁瞎ぷ鞔艌?chǎng)對(duì)比表（數(shù)據(jù)作歸一化處理）

為了更好地分析驗(yàn)證移動(dòng)式消磁站工作磁場(chǎng)的分布特性，以對(duì)3#艦?zāi)Ｏ艦槔?，?duì)其進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

從表4中可以看出，左、右舷工作電纜單獨(dú)作用時(shí)，各自分別對(duì)左、右舷產(chǎn)生作用；左、右舷工作電纜共同作用時(shí)，產(chǎn)生的工作磁場(chǎng)最大；工作電流越大，產(chǎn)生的工作磁場(chǎng)也越大。當(dāng)通1#工作電流時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)最大，但是磁場(chǎng)強(qiáng)度還是略顯不足，尤其是對(duì)經(jīng)過大修的艦艇，個(gè)別部位的工作磁場(chǎng)可能難以超過造船鋼板的矯頑力，從而容易導(dǎo)致艦艇下方部分位置結(jié)果磁場(chǎng)不達(dá)標(biāo)。

表4 3#艦?zāi)９ぷ鞔艌?chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果表（測(cè)量點(diǎn)位于水線面下6 m處，數(shù)據(jù)作歸一化處理）

2.3 改進(jìn)建議

一是對(duì)工作電纜的布設(shè)方式進(jìn)行改進(jìn)。將工作電纜靠近艦艇舷邊從船艏返回到船艉，然后進(jìn)入電源。在對(duì)2#艦?zāi)Ｏ艜r(shí)，采用了上述工作電纜布設(shè)方式，測(cè)量發(fā)現(xiàn)通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)利用率較高，消磁后艦艇結(jié)果磁場(chǎng)合格。

二是部分艦艇不適合由移動(dòng)式消磁站消磁。因新造艦艇或大修出廠后的艦艇固定磁場(chǎng)一般較大，需要較大的磁場(chǎng)能量對(duì)其進(jìn)行退磁處理，而移動(dòng)式消磁站主要突出應(yīng)急機(jī)動(dòng)消磁保障能力，設(shè)計(jì)輸出的能量有限，因此不適于為這類艦艇進(jìn)行消磁。

3 結(jié)語

移動(dòng)式消磁站具有機(jī)動(dòng)靈活、生命力強(qiáng)、建造成本低等優(yōu)點(diǎn)，可作為固定消磁站的有利補(bǔ)充。本文通過理論分析、計(jì)算仿真、船模實(shí)驗(yàn)等方法，對(duì)該型裝備在使用過程中可能出現(xiàn)的主要問題進(jìn)行了分析研究，提出了科學(xué)可行的優(yōu)化改進(jìn)方案，能夠進(jìn)一步提升移動(dòng)式消磁站機(jī)動(dòng)消磁保障效能，對(duì)日常消磁保障工作具有很強(qiáng)的借鑒指導(dǎo)作用。

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Optimization and improvement of motorized deperming guarantee method for mobile deperming station

Hu Xin1, Zhang Di2, Yang Hui3, Gao Junji1

(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2.Unit 91315, Dalian 116041, China; 3. Unit 91370, Fuzhou 350015, China)

U674

A

1003-4862（2022）09-0025-05

2022-03-15

海軍工程大學(xué)自主立項(xiàng)科研項(xiàng)目資助（2020504280）

胡欣（1980-），男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：艦艇消磁。

張迪（1981-），男，工程師，研究方向：艦艇消磁。E-mail：16684050@qq.com