德國海軍消磁系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用

韋春健，史振宇

（1. 海軍駐桂林地區(qū)軍事代表室，廣西桂林541002； 2. 海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，武漢 430060）

0 引言

隨著水雷磁引信技術(shù)[1-2]的飛速發(fā)展，消磁系統(tǒng)在艦船研制中的地位愈發(fā)重要。在艦船上配備消磁系統(tǒng)是對抗水雷最為有效的一種方法。通過消磁可有效降低艦船的磁場特征信號水平，從而滿足在布設(shè)水雷的情況下安全執(zhí)行任務(wù)的需要，如圖1。德國海軍作為世界上最早將磁引信水雷應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)的國家，其在消磁領(lǐng)域上的技術(shù)一直處于世界先進(jìn)水平。從傳統(tǒng)的集中式消磁系統(tǒng)已發(fā)展到目前的分布式消磁系統(tǒng)，主要有“DEGROT”、“DEG－STAT”、“DEG－COMP”等型號。其中“DEG－COMP MOD 1”是其中最先進(jìn)的，該系統(tǒng)由SAM電子公司研制，是一種模塊化、分布式、集中控制的通用型消磁系統(tǒng)，通過采取差異化的配置模式可部署于不同類型的海軍艦船。目前裝備該消磁系統(tǒng)的艦船有德國海軍的F124型護(hù)衛(wèi)艦、212型潛艇、702特遣部隊(duì)供應(yīng)船和韓國海軍的LPX直升機(jī)母艦、KDX-II(III)驅(qū)逐艦以及意大利、印度、馬來西亞、南非、土耳其的海軍艦船[3]。

圖1 消磁后艦船磁場的降低

1 “DEG－COMP MOD 1”消磁系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)中心單元接受來自三個(gè)方面的輸入信息：艦艇導(dǎo)航系統(tǒng)提供的經(jīng)緯度、傾斜、搖擺，羅經(jīng)提供的航向，布置在桅桿處的三分量磁強(qiáng)計(jì)所測量的地磁場信息。當(dāng)艦船的航行方向及地區(qū)發(fā)生變化時(shí)，中心單元根據(jù)實(shí)時(shí)輸入的上述信息對本艦所產(chǎn)生的磁場量進(jìn)行解算，給出相應(yīng)的控制信號輸出到各功率放大器中。與各功率放大器對應(yīng)的消磁線圈中的電流跟隨控制信號的變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，對艦船的固定磁場、感應(yīng)磁場及渦流磁場進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，達(dá)到降低艦船磁場特征信號的目的[4]。具體的功能實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由消磁控制單元（DCU）、消磁電源、遠(yuǎn)程控制單元（BCU）、磁探測系統(tǒng)、消磁線圈等功能模塊單元組成，可根據(jù)不同類型的艦船選擇不同的模塊進(jìn)行組合配置。在潛艇上由于三分量磁強(qiáng)計(jì)安裝的不可行性，所以在潛艇消磁系統(tǒng)中不包含磁探測系統(tǒng)模塊。

1.2.1 消磁控制單元（Degaussing Control Unit）

消磁控制單元中的計(jì)算機(jī)是整個(gè)消磁系統(tǒng)的核心，它提供與導(dǎo)航系統(tǒng)和消磁系統(tǒng)其他主要設(shè)備（包括消磁電源、磁探測系統(tǒng)等）的接口，并通過附帶鍵盤和熱鍵功能的液晶顯示屏提供良好的人機(jī)工程界面，使用者可通過計(jì)算機(jī)軟件的控制菜單對系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視和控制。

圖2 消磁功能實(shí)現(xiàn)流程

系統(tǒng)的工作模式分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種情況。在自動(dòng)模式下，計(jì)算機(jī)自動(dòng)接受兩路相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)信息，并隨機(jī)選擇一路作為主數(shù)據(jù)源，另一路作為從數(shù)據(jù)源，采取兩種方式分別對艦船所處位置的地磁場進(jìn)行解算。以磁探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)為輸入的解算方式：通過三分量磁強(qiáng)計(jì)測出作用在艦船縱向、橫向和垂向三個(gè)方向上的總磁場數(shù)據(jù)，并采取措施消除其中的干擾磁場信號，得到艦船所處位置的地磁場數(shù)據(jù)。根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)給出的艦船位置信息即可查出該位置的地磁場信息。在消磁系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，計(jì)算機(jī)程序會對從不同途徑得出的地磁場信息進(jìn)行監(jiān)控和比較，以保證地磁場數(shù)據(jù)輸入的正確性。當(dāng)二者之間的差異超過程序的規(guī)定值時(shí)，程序立即啟動(dòng)自檢模塊對上述輸入進(jìn)行檢查，然后選擇正確的一路輸入作為系統(tǒng)的主數(shù)據(jù)源。在磁探測系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)與DCU計(jì)算機(jī)失去通信聯(lián)系的情況下，可采取手動(dòng)模式通過鍵盤手動(dòng)輸入艦船的位置和航向信息。

DCU中的計(jì)算機(jī)根據(jù)所獲得艦船所處位置的地磁場信息和羅經(jīng)給出的艦船航向，得到艦船的磁場值。經(jīng)過處理輸出相應(yīng)的控制信號到各功率放大器。各功率放大器的輸出電壓、電流等實(shí)時(shí)工作信息均被實(shí)時(shí)監(jiān)測，并上傳至DCU中。這些數(shù)據(jù)會與計(jì)算機(jī)的輸出控制信號進(jìn)行比較，當(dāng)其偏差超過系統(tǒng)的規(guī)定值時(shí)，在DCU和BCU的計(jì)算機(jī)程序中會發(fā)出報(bào)警指示。

1.2.2 消磁電源（Degaussing Power Supply）

根據(jù)不同型號的艦船，消磁系統(tǒng)提供兩種不同的線圈供電模式：針對單位線圈功率消耗較低的艦船采取集中式，例如掃雷艦、潛艇，對應(yīng)于各消磁線圈的功率放大器可整合至一個(gè)集中式的機(jī)柜中；針對單位線圈功率消耗較高的艦船采取分布式，像登陸艦、運(yùn)輸船，通過使用相互獨(dú)立的消磁功率放大模塊為不同部位的消磁線圈供電示。上述供電模式所使用的功率放大器屬于同一系列，可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)和額定功率。功率消耗在60－500 W之間的，由于功率較低各功率放大器設(shè)計(jì)成模塊化的組件，布置在一個(gè)集中式供電的消磁電源機(jī)柜中為全船的消磁線圈提供電源；分布式供電的消磁功率放大模塊其輸出功率為3－5 kW,最大可達(dá)到9 kW，最大輸出電壓為440 V，全船所有的消磁功率放大模塊通過變壓器獲得合適的輸入電壓并與主電網(wǎng)隔離。各DPU均連接至DCU上，接受DCU的控制命令，并將本地的實(shí)時(shí)電壓電流信號值上傳至DCU。

1.2.3 遠(yuǎn)程控制模塊（Bridge Control Unit）

作為消磁系統(tǒng)不可缺少的一部分，擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視的功能。同時(shí)是DCU的冗余設(shè)計(jì)，操作面板可手動(dòng)輸入艦船導(dǎo)航信息，在DCU喪失功能的情況下保證消磁系統(tǒng)仍能為艦船提供一定的磁防護(hù)能力。

1.2.4 磁探測系統(tǒng)

包括磁信號處理單元（安裝在DCU中）和三分量磁強(qiáng)計(jì)。三分量磁強(qiáng)計(jì)通常安裝在水面艦船的桅桿上，探測艦船所處位置縱向、橫向和垂向三個(gè)方向的磁場信號。然后經(jīng)過磁信號處理單元進(jìn)行相應(yīng)處理，從而得出真實(shí)的地磁場信號值。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念分析

系統(tǒng)通過功能模塊化、設(shè)備小型化以及靈活的電源配置原則，有效地提高了系統(tǒng)的集成度和通用性，使得該系統(tǒng)可裝備于不同類型的艦船。除消磁電源外，消磁控制單元、遠(yuǎn)程控制單元、磁探測系統(tǒng)在不同的艦船上均可互換通用，降低了消磁系統(tǒng)的研制成本和裝備保障的難度。采取了分布式消磁線圈的設(shè)計(jì)方法，即對應(yīng)于艦船不同部位不同類型的消磁線圈，由于各消磁線圈獨(dú)立供電，故可以采用調(diào)整繞組電流與區(qū)段匝數(shù)相結(jié)合的方式對消磁系統(tǒng)進(jìn)行安匝調(diào)整，改變了以往只能采用反接繞組的方式進(jìn)行跳躍式調(diào)整的做法，而且繞組變細(xì)，實(shí)現(xiàn)方便、快速、精細(xì)、高效調(diào)整的目標(biāo)。由于各消磁線圈構(gòu)成獨(dú)立回路，當(dāng)任一線圈發(fā)生故障時(shí)，不會影響其它線圈，方便故障維修；同時(shí)通過分區(qū)供電，減小了線圈電纜的需用截面積，從而降低線圈電流，使系統(tǒng)能耗降低，同時(shí)帶來設(shè)備的小型化、發(fā)熱量的下降等技術(shù)優(yōu)勢。同時(shí)減少了消磁電纜的使用數(shù)量和重量，降低了系統(tǒng)成本和提高了總體性能。在船廠建造方面，由于電纜截面變細(xì)，在船體上的開口減小，從而使得電纜開口對船體結(jié)構(gòu)的影響程度下降，并降低了電纜的敷設(shè)難度和施工量。各消磁線圈均在船體各部位獨(dú)立敷設(shè)，繞組回路獨(dú)立，且各分區(qū)之間沒有接口關(guān)系，可在各船體分段獨(dú)立制作期間、或某些分段合攏后進(jìn)行繞組電纜敷設(shè)，對于縮短建造周期、降低費(fèi)用、提高質(zhì)量都具有重要意義[5-6]。

系統(tǒng)在消磁控制方式上采取了 “磁強(qiáng)計(jì)式消磁控制”和“地磁解算式消磁控制”二者相結(jié)合的控制模式?！按艔?qiáng)計(jì)式消磁控制”是在距離艇體一定距離的位置安裝三分量磁強(qiáng)計(jì)，根據(jù)探測結(jié)果調(diào)節(jié)消磁電流進(jìn)行控制，其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)測量艦船感應(yīng)磁場，不受地域限制，其缺點(diǎn)是三分量磁強(qiáng)計(jì)容易受到艇體磁場干擾，需要進(jìn)行抗干擾處理?！暗卮沤馑闶较趴刂啤眲t采用地球磁場模式組進(jìn)行地磁解算后得到磁場，根據(jù)磁場在艦船坐標(biāo)的投影結(jié)果調(diào)節(jié)消磁電流，其優(yōu)點(diǎn)是不需要安裝三分量磁強(qiáng)計(jì)，而且精度不受時(shí)間影響，缺點(diǎn)是它的精度與地球磁場模式組密切相關(guān)，在遠(yuǎn)洋海域驗(yàn)證難度大。西方發(fā)達(dá)國家航海歷史悠久，航跡遍布世界，多年來積累了豐富的海洋各處地磁實(shí)測值，并與IGRF（主要表征地磁正常場）相結(jié)合分析得到地磁異常數(shù)據(jù)庫。我國海洋工作起步較晚，缺少世界其他大洋海區(qū)的三分量磁場實(shí)測數(shù)據(jù)。“地磁解算”式消磁設(shè)備的不足恰恰就是“磁強(qiáng)計(jì)控制”式消磁設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，兩種方式可以互為補(bǔ)充。在傳統(tǒng)的消磁系統(tǒng)中通常在消磁控制方式上只采取一種控制模式，因此無法保證系統(tǒng)的消磁精度。系統(tǒng)通過采取不同的控制模式對艦船磁場進(jìn)行結(jié)算并比較，當(dāng)二者差異較大時(shí)按照系統(tǒng)的設(shè)定進(jìn)行分析，然后選擇正確的艦船磁場信號值控制消磁電流進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而保證消磁系統(tǒng)工作的有效性。

3 結(jié)語

隨著我國海軍建設(shè)的發(fā)展，新入役的艦種日益繁多，噸位逐步大型化，這些艦船都需要配備相應(yīng)的消磁系統(tǒng)，而傳統(tǒng)的消磁系統(tǒng)對消磁電源的功率越來越大，需要投入相當(dāng)多的精力解決消磁電源的電磁兼容、溫升、電纜敷設(shè)等問題。因此，采用分布式消磁系統(tǒng)是未來艦船消磁系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，我國可借鑒德國海軍消磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先進(jìn)理念，從而提高艦船的磁防護(hù)水平，為打贏現(xiàn)代化條件下的海上局部戰(zhàn)爭作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

[1] 艦船物理場M]. [北京: 兵器工業(yè)出版社, 2007.

[2] 艦船消磁理論與方法[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社,2011.

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