基于遠(yuǎn)場等效磁矩的潛艇磁防護(hù)技術(shù)

張朝陽，虞偉喬，陸鵬飛

(1.海軍裝備技術(shù)研究所，上海 200083； 2.中國人民解放軍91656部隊，上海 200080)

基于遠(yuǎn)場等效磁矩的潛艇磁防護(hù)技術(shù)

張朝陽1，虞偉喬2，陸鵬飛2

(1.海軍裝備技術(shù)研究所，上海 200083； 2.中國人民解放軍91656部隊，上海 200080)

摘要：從控制潛艇磁性的源頭出發(fā)，根據(jù)潛艇高空磁場與磁偶極子磁場的等效性，以及磁偶極子磁場與電流環(huán)磁場分布的一致性，提出一種基于遠(yuǎn)場等效磁矩的磁防護(hù)方法。通過布設(shè)簡單補(bǔ)償繞組，直接補(bǔ)償潛艇等效磁矩，從而降低潛艇遠(yuǎn)場磁場。仿真實驗結(jié)果表明，該方法可有效降低潛艇的遠(yuǎn)場磁場，提高潛艇對抗航空磁探的能力，為實際潛艇的遠(yuǎn)場磁防護(hù)提供了一種新的思路和技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：潛艇；磁防護(hù)；等效磁矩；航空磁探；磁偶極子

0引言

潛艇最主要的優(yōu)勢是隱身性，而潛艇本身產(chǎn)生的磁場對其隱身性能卻構(gòu)成了巨大威脅。隨著潛艇磁探測(航空磁探)技術(shù)的發(fā)展[1-3]，活動在大洋中的潛艇越來越容易被發(fā)現(xiàn)，為充分發(fā)揮潛艇的戰(zhàn)略作用，采取必要有效的磁防護(hù)手段，增強(qiáng)其磁隱身能力，顯得非常重要。在消磁站消除固定磁場和利用艦載消磁系統(tǒng)抵消感應(yīng)磁場是目前艦艇消磁的主要手段，若采取這2種防護(hù)手段，則潛艇的磁防護(hù)能力可大大增強(qiáng)，能有效對抗航空磁探[4-5]。但對于很多潛艇，一方面由于現(xiàn)有消磁系統(tǒng)的重量和功率比較大，潛艇承載能力有限，消磁系統(tǒng)安裝條件受限；另一方面，由于潛艇的空間狹小，消磁系統(tǒng)的安裝空間受限。因此，很多潛艇無法安裝現(xiàn)有消磁系統(tǒng)，磁防護(hù)性能大大降低，必須采用新的防護(hù)技術(shù)手段。

對潛艇而言，對抗航空磁探的遠(yuǎn)場磁防護(hù)要比對抗磁性水雷的近場磁防護(hù)重要的多，另外，現(xiàn)有消磁系統(tǒng)一般都針對近場磁場而言，其最終目標(biāo)是用通電繞組磁場補(bǔ)償?shù)艚鼒龃艌觯_(dá)到防磁性水雷的目的。若采用現(xiàn)有消磁系統(tǒng)補(bǔ)償近場磁場的方法去抵消遠(yuǎn)場磁場，則需要測量遠(yuǎn)場磁場來對繞組電流進(jìn)行調(diào)整，而這在實際中非常困難，很難實施。

針對上述問題，有必要研究一種專門針對潛艇遠(yuǎn)場磁場的磁防護(hù)方法，使之能夠方便、較好的補(bǔ)償遠(yuǎn)場磁場(消除固定磁性后的潛艇感應(yīng)磁場)，并且能夠較快應(yīng)用到潛艇上，提高潛艇對抗航空磁探的能力。本文試圖從潛艇的遠(yuǎn)場等效磁矩出發(fā)，利用圓形線圈(矩形線圈)遠(yuǎn)場磁場與磁偶極子磁場等效的原理，設(shè)計簡易遠(yuǎn)場磁防護(hù)系統(tǒng)，對基于等效磁矩的潛艇遠(yuǎn)場磁防護(hù)方法進(jìn)行仿真分析，為提高實際潛艇的防磁探能力提供一種技術(shù)手段。

1理論分析

1.1　潛艇遠(yuǎn)場等效磁矩

磁矩是磁場產(chǎn)生的源。根據(jù)文獻(xiàn)[6]可知，在潛艇上方高空(距離潛艇2.5倍艇長以上)中，潛艇的磁場可以用一個等效磁偶極子產(chǎn)生的磁場代替。該磁偶極子具有三分量的磁矩，即為潛艇的遠(yuǎn)場等效磁矩，潛艇高空任意位置的磁場均可由此等效磁矩計算得到。潛艇的等效磁矩理論上可以由文獻(xiàn)[7]的方法測量得到，但由于實際潛艇的遠(yuǎn)場磁場難以測量，因而難以應(yīng)用于工程實踐。

由于本文主要討論潛艇消除固定磁性后感應(yīng)磁場的補(bǔ)償方法，因此等效磁矩一般為等效感應(yīng)磁矩。等效磁偶極子等效磁矩的3個分量可記為：縱向等效磁矩Mx、橫向等效磁矩My、垂向等效磁矩Mz(未完全消除的部分固定磁性、垂向固定磁性可與感應(yīng)磁性合在一起討論)。潛艇遠(yuǎn)場等效磁矩可以按照下述方法求得：1)測量得到2個相反航向的潛艇近場磁場；2)利用高空磁場換算方法[8-9]計算得到2個航向的高空磁場；3)計算得到2個航向的等效磁矩；4)利用磁矩分解得到潛艇的遠(yuǎn)場等效磁矩三分量。

1.2　磁偶極子磁場與電流環(huán)磁場的等效

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，對于磁矩沿x軸方向的磁偶極子，當(dāng)場點(diǎn)與磁偶極子距離遠(yuǎn)大于磁偶極子尺度時，其磁場表達(dá)式為：

(1)

根據(jù)“分子電流”觀點(diǎn)，微小環(huán)電流(或與場點(diǎn)、源點(diǎn)間的距離相比可視為微小電流環(huán)的通電繞組)的作用相當(dāng)于磁偶極子，該環(huán)電流的作用可用磁矩表示為：

M=ISn。

(2)

式中：S為電流環(huán)所圍的面積；I為電流環(huán)的電流大?。籲為S與電流環(huán)成右手螺旋關(guān)系的法向單位向量。

電流環(huán)在遠(yuǎn)處場點(diǎn)產(chǎn)生的磁場表達(dá)式與式(1)相同[11]，表明電流環(huán)在遠(yuǎn)處產(chǎn)生的磁場與磁偶極子在遠(yuǎn)處產(chǎn)生的磁場等效。圖1為電流環(huán)與磁偶極子產(chǎn)生的磁場的對比圖，從圖中可以看出，在遠(yuǎn)處二者產(chǎn)生的磁場分布一致。

圖1　電流環(huán)與磁偶極子產(chǎn)生磁場的比較Fig.1　Compare the field generated by circle current with the　field generated by magnetic dipole

1.3　潛艇遠(yuǎn)場磁場的補(bǔ)償原理

因為潛艇高空磁場可用磁偶極子產(chǎn)生的磁場等效，同時，磁偶極子產(chǎn)生的磁場又與相應(yīng)電流環(huán)產(chǎn)生的磁場相同，因此，可以考慮在潛艇位置處設(shè)計一個環(huán)電流(簡易通電繞組)，使得在高空產(chǎn)生與潛艇遠(yuǎn)場磁場大小相等、方向相反的磁場，達(dá)到抵消潛艇遠(yuǎn)場磁場的目的，實際上就是利用潛艇處的環(huán)電流產(chǎn)生一個與潛艇等效磁偶極子磁矩大小相等、方向相反的等效磁矩，從源頭上控制潛艇的高空磁場。

在得到潛艇的遠(yuǎn)場等效磁矩后，可由下式計算環(huán)電流的大?。?/p>

I=M/S。

(3)

式中：M為潛艇某一方向的等效磁矩大??；S為電流環(huán)的環(huán)面積；I為電流大小。

可以根據(jù)潛艇3個方向的遠(yuǎn)場等效磁矩構(gòu)造3個環(huán)電流，在3個方向上產(chǎn)生反向磁矩對潛艇磁性進(jìn)行補(bǔ)償，使得潛艇的遠(yuǎn)場磁場降低到很小的水平。因此，用簡單的幾個環(huán)電流，就可以很好降低潛艇的遠(yuǎn)場磁場，這就是基于遠(yuǎn)場等效磁矩的磁防護(hù)技術(shù)的基本原理。該方法的補(bǔ)償原理如圖2所示。具體線圈布置示意如圖3所示，環(huán)電流Ix，Iy，Iz分別補(bǔ)償遠(yuǎn)場等效磁矩Mx，My，Mz。

圖2　潛艇遠(yuǎn)場磁場補(bǔ)償原理框圖Fig.2　The theory block diagram of compensating the far　magnetic field of submarine

該方法的新穎之處在于其補(bǔ)償原理是對潛艇等效磁性的直接補(bǔ)償，而非是傳統(tǒng)方法中對磁場的簡單擬合抵消，相比傳統(tǒng)意義上的防護(hù)原理更好理解，具體實施更為方便。

環(huán)電流的產(chǎn)生可以用傳統(tǒng)消磁系統(tǒng)補(bǔ)償中的通電繞組產(chǎn)生，對于潛艇而言，通電繞組可以選擇圓形線圈或矩形線圈[10](遠(yuǎn)距離的高空均可視為微小電流環(huán))。

2磁防護(hù)技術(shù)的仿真實驗分析

根據(jù)上述基于遠(yuǎn)場等效磁矩的磁防護(hù)原理，可知理論上僅需一組繞組線圈(包括水平繞組線圈、縱向繞組線圈和橫向繞組線圈)即可將潛艇高空磁場補(bǔ)償。下面根據(jù)實驗室某潛艇模型的磁場測量數(shù)據(jù)，按照上述方法對防護(hù)效果進(jìn)行仿真實驗分析。

在實驗室測量某潛艇模型(對模型進(jìn)行了簡單消磁處理，還有部分固定磁性)北航向、南航向的近場包絡(luò)面磁場，用邊界元法[9]計算兩航向高空磁場和高空等效磁矩，然后得到北航向遠(yuǎn)場等效磁矩(包括縱向磁矩和垂向磁矩，橫向磁矩為0)，由式(3)得到遠(yuǎn)場補(bǔ)償安匝量(單匝電流大小和匝數(shù)的乘積)，考察加入補(bǔ)償電流后高空磁場的變化。

經(jīng)計算得到該潛艇遠(yuǎn)場等效磁矩為：

Mx=45 113 Am2，My=0，Mz=-3 868 Am2。

遠(yuǎn)場補(bǔ)償繞組線圈設(shè)計如下，其中線圈電流方向按右手定則規(guī)定為：產(chǎn)生正向磁矩的電流方向為正向，相反為負(fù)向。

縱向補(bǔ)償繞組線圈：布放在潛艇中心位置，采用圓形線圈，半徑取R=3 m，安匝量大小為Mx/(πR2)=532安匝，電流方向取負(fù)向。

垂向補(bǔ)償繞組線圈：布放在潛艇中心位置，采用正方形矩形線圈，邊長為4 m，安匝量大小為Mz/42=121安匝，電流方向取正向。

由于北航向橫向磁矩為0，不用橫向補(bǔ)償繞組線圈。

實際中線圈可采用多匝纏繞以降低單匝線圈的電流大小。

采用上述參數(shù)通電后，考察高度為H的高空某平面(H>200 m)上潛艇磁場(對應(yīng)到實艇)的補(bǔ)償效果。如圖4為潛艇北航向磁場補(bǔ)償前后的磁場對比情況，圖中給出了z分量磁場和總量磁場的變化情況，每列的前2個小圖為補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的磁場曲面比較圖，第3個小圖為中間一條測量線的磁場比較曲線。從圖中可以看出，針對遠(yuǎn)場等效磁矩，采用簡單的幾組通電繞組線圈，即可將高空磁場補(bǔ)償?shù)暮芎?。z分量磁場最大幅值由原來的1.6 nT變?yōu)榱?.14 nT，總量磁場最大幅值由原來的1.8 nT變?yōu)榱?.18 nT。對于分辨率為0.2 nT的磁探儀，沿北航向潛艇正上方探測時，補(bǔ)償前有效磁異常長度和有效磁異常面積[5]分別為1 020 m和656 800 m2，補(bǔ)償后，均變?yōu)?，磁探儀已經(jīng)探測不到潛艇。

從上面的仿真分析可以看出，采用簡單的幾組繞組線圈(縱向，橫向和垂向)對潛艇遠(yuǎn)場等效磁矩進(jìn)行反向補(bǔ)償，即可較好地降低遠(yuǎn)場磁場，提高潛艇對抗航空磁探的能力。

3結(jié)語

根據(jù)潛艇高空磁場與磁偶極子磁場的等效，以及磁偶極子與電流環(huán)產(chǎn)生磁場的一致性，采用簡單的補(bǔ)償繞組線圈，直接補(bǔ)償潛艇遠(yuǎn)場等效磁矩，即可降低潛艇的遠(yuǎn)場磁場，提高潛艇對抗航空磁探的能力，該研究為實際潛艇的遠(yuǎn)場磁防護(hù)提供了一種思路和技術(shù)手段。另外，雖然在理論上可以把補(bǔ)償繞組線圈布放在一處，但由于較大的安匝量可能把線圈所環(huán)繞的設(shè)備磁化，因此在實際中繞組線圈的布設(shè)應(yīng)盡量分散成螺線管狀(這樣不會影響遠(yuǎn)場磁場的補(bǔ)償效果)，且盡量離開設(shè)備環(huán)繞，只要保證總的安匝量不變即可。

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Research on the submarine′s magnetic defense technology based on the far field equivalent magnetic moment

ZHANG Zhao-yang1, YU Wei-qiao2, LU Peng-fei2

(1.Navy Equipment Technology Institute,Shanghai 200083,China;

2.No. 91656 Unit of PLA,Shanghai 200083,China)

Abstract：Starting from controlling the magnetic source of the submarine, according to the equivalence of the submarine′s aerial field and the magnetic dipole′s field, as well as the coherence of the magnetic dipole′s field and the current loop′s field, one novel magnetic defense method based on the far field equivalent magnetic moment was founded. By laying simple compensation loops, the equivalent magnetic moment can be compensated directly, and the far field of the submarine can be reduced. The simulation experiment′s result showed that the method can reduce the far field of the submarine effectively, which can improve the ability of the submarine to resist the aerial magnetic detection and support a new idea and a novel technology means for the actual submarine′s far field′s magnetic defense.

Key words：submarine;magnetic defense;equivalent magnetic moment;aerial magnetic detection;magnetic dipole

作者簡介：張朝陽( 1981 - ) ，男，博士，工程師，主要從事艦船消磁和磁性目標(biāo)定位等方面的研究。

收稿日期：2013-12-06； 修回日期： 2014-02-25

文章編號：1672-7649(2015)02-0097-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.020

中圖分類號：O441.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A