潛艇磁場(chǎng)的估算與仿真

孫 權(quán), 唐勁飛

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潛艇磁場(chǎng)的估算與仿真

孫 權(quán)1, 唐勁飛2

(1. 駐七五O試驗(yàn)場(chǎng)軍事代表室, 云南 昆明, 650051; 2. 海軍潛艇學(xué)院 戰(zhàn)略導(dǎo)彈水中兵器系, 山東 青島, 266071)

潛艇磁場(chǎng)的分析估算與仿真對(duì)于開發(fā)誘餌、靶標(biāo)和磁探儀具有重要的實(shí)際意義。本文分析了潛艇磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)橢球體模型與磁偶極子模型, 估算了潛艇磁場(chǎng)的大小。在比較了高磁導(dǎo)率下空心球體與實(shí)心球體磁場(chǎng)差別的基礎(chǔ)上, 提出了采用空心永磁體模擬潛艇磁場(chǎng)這一方法, 由此估算了永磁體模擬的基本參數(shù)。該方法為磁性探潛的理論研究與試驗(yàn), 以及實(shí)現(xiàn)誘餌和靶標(biāo)的潛艇磁場(chǎng)仿真功能提供了參考。

潛艇磁場(chǎng); 旋轉(zhuǎn)橢球體模型; 磁偶極子模型; 永磁體; 估算; 仿真

0 引言

磁性探潛是反潛戰(zhàn)中重要的技術(shù)手段, 無論是老式的P-3C還是新型的P-8A, 美軍反潛機(jī)上都裝備有航空磁探儀, 模擬潛艇磁場(chǎng)可以訓(xùn)練我軍航空反潛裝備。若在聲誘餌的基礎(chǔ)上增加潛艇磁模擬功能, 可提高誘餌模擬潛艇的逼真性, 實(shí)戰(zhàn)中也可以用來對(duì)抗磁引信魚雷。水中兵器試驗(yàn)中, 在聲學(xué)靶標(biāo)的基礎(chǔ)上增加磁模擬功能從而形成“磁靶”, 可以在考核魚雷聲學(xué)性能的同時(shí)考核其磁引信功能。因此, 潛艇磁場(chǎng)的分析估算和仿真是很有實(shí)際價(jià)值的。

潛艇磁場(chǎng)模擬涉及兩方面問題, 首先是如何正確分析和估算潛艇磁場(chǎng)的大小, 其次是采取什么樣的技術(shù)手段模擬潛艇磁場(chǎng), 本文將對(duì)其逐一展開探討。

1 潛艇磁場(chǎng)的分析與估算

潛艇磁場(chǎng)可分為兩部分: 恒定磁場(chǎng)與感應(yīng)磁場(chǎng)[1-2]。恒定磁場(chǎng)是當(dāng)外磁場(chǎng)為零時(shí)潛艇自身的磁場(chǎng), 感應(yīng)磁場(chǎng)是潛艇在外磁場(chǎng)(背景磁場(chǎng))作用下感應(yīng)的場(chǎng)?？梢钥隙ǖ氖? 無論恒定磁場(chǎng)或感應(yīng)磁場(chǎng), 有限區(qū)域內(nèi)物體遠(yuǎn)場(chǎng)為磁偶極子場(chǎng)與背景磁場(chǎng)的和。潛艇所處的背景磁場(chǎng)——地磁場(chǎng)是弱磁場(chǎng), 總場(chǎng)強(qiáng)度在20~60 μT。恒定磁場(chǎng)大小受材料、建造等許多因素影響, 精確的理論計(jì)算比較困難。潛艇恒定磁場(chǎng)可以在消磁站定期消除。關(guān)于感應(yīng)磁場(chǎng), 在均勻磁化及較規(guī)則幾何體假設(shè)下, 有精確的理論結(jié)果。

式中:

其中:

感應(yīng)磁場(chǎng)的一般計(jì)算公式為[2]

旋轉(zhuǎn)橢球體感應(yīng)場(chǎng)可認(rèn)為, 在離源足夠遠(yuǎn)時(shí), 與偶極子的場(chǎng)相同。但具體多遠(yuǎn)是一個(gè)值得研究的問題。對(duì)磁矩相同的偶極子和橢球體產(chǎn)生的場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算, 比較在相同位置的場(chǎng), 在大于3倍磁場(chǎng)尺度的場(chǎng)點(diǎn), 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 如果距離橢球體球心大于3倍橢球體長(zhǎng)軸長(zhǎng)度, 則其與偶極子場(chǎng)差異小于5%, 可認(rèn)為兩者基本相同。

從以上分析可以看出, 無論是磁場(chǎng)的估算還是仿真, 首要的是確定磁矩。

以上計(jì)算是針對(duì)實(shí)心旋轉(zhuǎn)橢球體的。實(shí)際的潛艇是中空的, 近似為空心旋轉(zhuǎn)橢球體?？招?、實(shí)心橢球體的場(chǎng)間區(qū)別可類比實(shí)心球與空心球的場(chǎng)。

設(shè)空心球內(nèi)外徑之比為, 則空心球產(chǎn)生的磁場(chǎng)與實(shí)心球產(chǎn)生的磁場(chǎng)其比值為[2]

當(dāng)=200時(shí), 不同內(nèi)外徑比的空心球產(chǎn)生的磁場(chǎng)與實(shí)心球的磁場(chǎng)比值可見表1。

表1 不同內(nèi)外徑比下空心球與實(shí)心球的磁場(chǎng)比

2 潛艇磁場(chǎng)的仿真

要模擬潛艇的磁場(chǎng), 最重要的是建造一個(gè)物體, 能產(chǎn)生合適大小的磁矩。產(chǎn)生磁場(chǎng)有兩種方法: 通電線圈模擬和永磁體模擬。文獻(xiàn)[4]提出用電極模擬潛艇磁場(chǎng)對(duì)抗航空磁探的方法。潛艇磁矩在107~108Am2量級(jí), 要產(chǎn)生這么大磁矩, 要么采用大電流的線圈, 要么采用大面積的線圈。如采用1 A的電流產(chǎn)生磁矩, 線圈的長(zhǎng)度在10~100 km。如采用1 m2的線圈產(chǎn)生磁矩, 則電流強(qiáng)度一般導(dǎo)線無法承受, 同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的焦耳熱。采用超導(dǎo)技術(shù)能部分地解決電流的產(chǎn)生與維持問題, 但考慮到磁場(chǎng)模擬裝置可能會(huì)放到水下, 這些用實(shí)際電流產(chǎn)生磁矩的方法實(shí)用性都不好, 所以轉(zhuǎn)向考慮永磁體模擬。采用永磁體的好處是: 不需要提供能源、體積小、價(jià)格便宜、維護(hù)性好, 因此目前許多電機(jī)的磁系統(tǒng)都采用永磁體。

潛艇磁場(chǎng)模擬器可采用拖曳線列陣實(shí)現(xiàn), 線列陣可放在誘餌或靶的尾部。通過控制陣列中磁體的轉(zhuǎn)動(dòng), 改變磁矩的方向, 就可以調(diào)整合成模擬磁場(chǎng)的大小和方向。

3 結(jié)束語

本文討論了潛艇磁場(chǎng)的估算和仿真。分析了潛艇磁場(chǎng)的模型, 比較了空心與實(shí)心物體的磁場(chǎng), 得到了潛艇磁場(chǎng)的數(shù)量級(jí)。為模擬潛艇磁場(chǎng), 提出了用空心永磁體球來模擬潛艇磁場(chǎng)的方法, 并估算出了模擬體的物理及幾何參數(shù)。這些工作為磁性探潛的理論研究及試驗(yàn), 以及實(shí)現(xiàn)誘餌和靶標(biāo)的潛艇磁場(chǎng)模擬功能提供了參考。

對(duì)于潛艇磁場(chǎng)的模擬, 需要在本文的研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)用化, 如材料的選擇和加工問題。另外, 強(qiáng)磁體會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸引或排斥力, 這也是需要考慮的問題。

[1] 葉平賢, 龔沈光. 艦船物理場(chǎng)[M]. 北京: 兵器工業(yè)出版社, 1992.

[2] 周耀忠, 張國友. 艦船磁場(chǎng)分析與計(jì)算[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2004.

[3] 謝處方, 饒克謹(jǐn). 電磁場(chǎng)與電磁波[M]. 北京: 人民教育出版社, 1979.

[4] 汪曉雨, 劉忠樂. 基于小型運(yùn)動(dòng)載體的潛艇磁誘餌磁場(chǎng)產(chǎn)生方法[J]. 水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù), 2006, 16(4): 18-21.

Estimation and Simulation of Submarine Magnetic Field

SUN Quan1, TANG Jin-fei2

(1. Military Representative Office, Stationed in the 750 Test Range, Kunming 650051, China; 2. Department of Ballistic Missile and Underwater Weapon, Navy Submarine Academy, Qingdao 266071, China)

Estimation andsimulation of submarine’s magnetic field are of practical significance to the development of decoy, aiming target, and magnetic fieldsimulation detection instrument. This paper analyzes the rotary prolate spheroid model and the magnetic dipole model, and estimates the magnitude of submarine magnetic field. Comparing the magnetic fields of hollow sphere and solid sphere with high permeability, a method of applying hollow permanent magnet to simulation of submarine magnetic field is proposed, and the essential parameters of the permanent magnet are estimated with this method. This method may be taken as a tool in theoretical research and experiment of submarine′s magnetic field detection and in realization of the submarine′s magnetic field simulation for decoy and aiming target.

submarine′s magnetic field; rotary prolate spheroid model; magnetic dipole model; permanent magnet; estimation; simulation

TJ630; U674.76; TM153

A

1673-1948(2011)04-0318-03

2010-07-13;

2010-12-08.

孫 權(quán)(1970-), 男, 碩士, 高工, 研究方向?yàn)樗斜髟囼?yàn).

(責(zé)任編輯: 許 妍)