艦艇渦流磁場橫搖磁變模擬檢測方法研究

汪家驊 ， 祝小雨

（1. 91663部隊，山東青島 266012；2. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

0 引言

隨著水中磁性武器的發(fā)展，對艦艇磁場補(bǔ)償程度的要求越來越高。文獻(xiàn)指出，在超低頻段(ULF)[約零至3赫茲]，艦艇磁場有四個主要場源，其中艦艇上的所有導(dǎo)電材料(磁性及非磁性的)在地球磁場中搖擺產(chǎn)生的渦流磁場可以大到足以引爆水雷，它是第二重要的艦艇磁性產(chǎn)生源[1]。對于直接在雷區(qū)進(jìn)行作業(yè)的獵雷艦艇、掃雷艦艇等非磁性或者低磁材料的艦船，磁性防護(hù)要求會高得多，船上盡可能采用非磁性或低磁性材料，這樣，由渦流產(chǎn)生的磁場是極其重要的部分[2]。

艦艇渦流磁場的檢測方法在通常情況下有兩種：機(jī)械搖擺測定跟模擬搖擺測定，最早的機(jī)械搖擺測定方法是利用人在甲板上的來回奔跑運(yùn)動，使艦艇產(chǎn)生搖擺，這種方法非常原始，會花費(fèi)大量的人力物力；后來有在船塢測量站，利用柴油機(jī)作動力臂驅(qū)使艦船搖擺以及利用絞盤起絞艦船兩舷的木筏迫使艦船產(chǎn)生搖擺等方法，這些原始的方法最后都被廢除，英國的一些研究人員認(rèn)為用大面積帶電繞組在船下、舷邊移動，空間磁場的擺動將產(chǎn)生和機(jī)械搖擺同樣的渦流效應(yīng)，然而，這種方法不能控制搖擺角度和周期[3]。

由此可知，機(jī)械式搖擺檢測方法費(fèi)時費(fèi)力、自動化程度低、檢測工程量大、效果不明顯。另一方面，簡單的模擬搖擺檢測法又不能真實(shí)反映艦船的搖擺效應(yīng)，為此，應(yīng)研究新的模擬搖擺檢測法[3]。

1 空間位置的模擬

如圖1所示，在艦船正直位置，龍骨正下方某測量點(diǎn)A的磁場在艦船穩(wěn)定時跟艦船發(fā)生α角度的搖擺時的測量情況是不一樣的。產(chǎn)生這種差異的原因是：艦船搖擺后，作用在艦船上的磁場變化了，因而其的磁化狀態(tài)也隨之改變，加之搖擺后的渦流效應(yīng)，使得A點(diǎn)測得的磁場值改變。

現(xiàn)在，我們再來研究搖擺的模擬規(guī)律。設(shè)艦船初始平衡狀態(tài)如圖1中位置cI，艦船的坐標(biāo)軸系為Gxyz（圖中， Gx軸與紙面垂直，c未標(biāo)明，以下均同），船舶沿水線面橫傾 α角后，艦船狀態(tài)如圖1中位置Ⅱ，艦船c坐標(biāo)軸系為Gx’y’z’。如果我們選取 B點(diǎn)，使 B點(diǎn)相對于 Gx’y’z’坐標(biāo)軸系的坐標(biāo)等于A點(diǎn)相對于Gxyz坐標(biāo)軸系的坐標(biāo)，且B點(diǎn)與A點(diǎn)位于垂直于艦船縱剖面的同一平面Gyz上，則當(dāng)艦船處于位置I時，A點(diǎn)相對于坐標(biāo)軸系Gxyz的坐標(biāo)為：B點(diǎn)相對于坐標(biāo)軸系Gxyz的坐標(biāo)軸為：

當(dāng)艦船處于位置Ⅱ時，A點(diǎn)相對于坐標(biāo)軸系Gx’y’z’的坐標(biāo)(假設(shè)無縱傾)為：

可得到：

B 點(diǎn)相對于坐標(biāo)軸系 Gx’y’z’的坐標(biāo)(假設(shè)無縱傾)為：

由式（1）~式（4）得到：

由式（5）和式（6）可得：

1）艦船橫搖α角后的某點(diǎn)B之空間位置可以用艦船正直位置穩(wěn)定狀態(tài)下的A點(diǎn)之c空間位置來模擬；

2）艦船橫搖α角后的某點(diǎn)A之空間位置，可以用艦船正直位置穩(wěn)定狀態(tài)下，以縱剖面為基準(zhǔn)時，B點(diǎn)之鏡像對稱點(diǎn)來模擬。

2 地磁場的模擬

用以下三個坐標(biāo)軸系確定搖擺艦船在空間的位置：

o1ξ1η1ζ1—固定在空間的坐標(biāo)軸系；

Gξηζ—固定在艦船的重心而在運(yùn)動的整個時間內(nèi)保持和o1ξ1η1ζ1軸系平行的坐標(biāo)軸系；

Gxyz—固定在艦船重心上的艦船坐標(biāo)軸系；

這樣一來，艦船的位置將由它的重心G的三個坐標(biāo)——ξg、ηg、ζg和 3 個歐拉角α、β、γ來確定。歐拉角的選取如圖3所示。

經(jīng)過一系列推導(dǎo)可得到：

式中：DH—當(dāng)?shù)氐卮潘椒至浚ê翃W）

ZD—當(dāng)?shù)氐卮糯怪狈至浚ê翃W）

以上即為在艦船搖擺情況下，艦船坐標(biāo)系下地磁場各分量的磁變化計算公式。

艦船搖擺時，地球磁化艦船狀態(tài)的變化稱為“磁變”，艦船本身空間位置的變化稱為“位變”。

如果只考慮橫搖情況，令β=0，由式（7）得

當(dāng)艦船處于南（北）航向時，φ=0°,180°，則有：

代入式（8），得：

3 橫搖磁變模擬測量

艦船橫搖運(yùn)動方程為：

設(shè)初相0φ=，則

式中：f—橫搖頻率，T—橫搖周期

設(shè)最大橫搖角α=45°，下面我們來說明橫搖檢測的模擬方案。

按照前面的分析計算，我們可以設(shè)計一測磁行車，圖4示出行車上探頭基陣布置的示意圖。測磁行車上設(shè)有13組26個三分量探頭，布置在以o1（G1）為圓心的環(huán)形截面上，該環(huán)形截面位于 o1η1ζ1平面內(nèi)。圖 4示出第一組和第二組探頭布置位置，每組探頭由1Q和2Q兩個探頭組成?，F(xiàn)以第i組為例說明探頭左邊的方位。

1Q[i]與 2Q[i]的 E1iX1i、E2i X2i軸與o1ξ1軸平行， E1iZ1i軸為通過o1(G1) 點(diǎn)的徑向方向，與軸o1ζ1夾角為αi，各組αi值列出如表1所示。E1i Z1i軸與 E2iZ2i軸平行。E1iY1i（ E2iY2i）與 E1i Z1i（ E2iZ2i）組成 Yi-Zi平面并與 o1η1ζ1平面重合。

為了模擬磁變狀態(tài)，須按公式（8）計算及控制搖擺磁變TiD（包括XiD、YiD、ZiD三個分量），另外還得實(shí)地校正各探頭的補(bǔ)償度。同時，為了模擬艦船位變，必須按照時間原則控制各探頭掃描順序。在每一個搖擺周期中，各探頭掃描動作時間和地磁磁變對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

如果還要模擬艦船沿O1ξ1軸的航行運(yùn)動，可按速度原則控制測磁行車沿著 O1ξ1軸方向平行滑動。

這樣通過13組26條測量線，就可獲得靜態(tài)及搖擺時（包括艦船運(yùn)動及不運(yùn)動兩種情況下的搖擺）艦船下方各測量點(diǎn)X、Y、Z三個方向的磁場變化。借助數(shù)據(jù)處理裝置分析計算，將其結(jié)果記錄、顯示，可以逐點(diǎn)打印表格，也可以連續(xù)繪制曲線。

概括橫搖磁變模擬檢測方法的測量步驟是：

1）艦船靜止情況下，測量其下方各點(diǎn)磁場；

2）艦船原地橫搖運(yùn)動情況下，測量其下方各點(diǎn)及原測量平面各點(diǎn)磁場；

3）艦船行駛無橫搖情況下，測量其下方各點(diǎn)磁場;

4）艦船航行在周期橫搖情況下，測量其下方各點(diǎn)磁場及原測量平面各點(diǎn)磁場。

4 結(jié)論

本文在分析艦艇空間位置模擬和地磁場模擬的基礎(chǔ)上，提出了一種艦艇渦流磁場橫搖磁變模擬檢測方法，給出了該方法的模擬方案，包括測磁行車探頭基陣布置、磁變狀態(tài)模擬及艦艇位變模擬等，最后給出了橫搖磁變模擬檢測方法的測量步驟。

下一步的工作是在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)本文提出的艦艇渦流磁場檢測方法。

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[1]Holmes J J. Reduction of a ship’s magnetic field signatures [M]. Maryland: Morgan & Claypool Publishers, 2008.

[2]王軍民，朱顯橋．縱搖低磁艦船的渦流磁場計算[J]．艦船科學(xué)技術(shù)，2010，32(3)：49-53．

[3]夏春田.艦船搖擺磁場的磁變模擬[J].艦船科學(xué)技術(shù)，1982，(3)：10-28．

[4]呂正石，王錫坤．艦船殼體渦流磁場［J］．船舶，1994，(2): 47-57．