基于軸頻電場(chǎng)機(jī)理的船體結(jié)構(gòu)電學(xué)特性分析

張海鵬， 陳新剛， 敖晨陽， 龔文超

(1.海軍潛艇學(xué)院動(dòng)力操縱系，山東 青島 266042;2.92857部隊(duì)，北京 100161)

0 引言

艦船電場(chǎng)是艦船的一項(xiàng)重要目標(biāo)特性［1］，許多國(guó)家都在積極從事艦船電場(chǎng)的研究工作，前蘇聯(lián)早就利用艦船電場(chǎng)作為非觸發(fā)引信，美國(guó)、英國(guó)和加拿大等國(guó)，也已經(jīng)把消除艦船電場(chǎng)列入其艦船建造規(guī)范［2-4］。艦船軸頻電場(chǎng)是一種交變電場(chǎng)，會(huì)耦合交變磁場(chǎng)，衰減速率更慢，傳播距離更遠(yuǎn)，更容易被對(duì)方電場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電場(chǎng)引信等探測(cè)到;其信號(hào)特征更易識(shí)別，更容易被用來對(duì)艦船進(jìn)行探測(cè)、跟蹤、定位和打擊［5-6］。抑制艦船軸頻電場(chǎng)是消除艦船電場(chǎng)的重中之重。

本文在分析艦船軸頻電場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，研究了艦船軸頻電場(chǎng)的主要影響因素，建立了與軸頻電場(chǎng)相關(guān)的艦船結(jié)構(gòu)電學(xué)等效模型并研究了其電學(xué)特性。為艦船軸頻電場(chǎng)抑制技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)，對(duì)增強(qiáng)艦船隱蔽性、應(yīng)對(duì)電場(chǎng)探測(cè)技術(shù)挑戰(zhàn)具有十分重要的意義。

1 艦船軸頻電場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)理分析

1.1 產(chǎn)生艦船電場(chǎng)的電能來源分析

現(xiàn)代艦船大都由不同金屬材料建造而成，因電化學(xué)作用，不同金屬在海水中具有不同的電極電位，特別是銅制的螺旋槳、管路、閥門等和鋼制的艦船殼體之間會(huì)存在較高的電位差，形成腐蝕原電池，產(chǎn)生腐蝕電流。為提高艦船的防腐能力，艦船都采用有源陰極保護(hù)系統(tǒng)［7］。被保護(hù)的船體表面電流密度必須達(dá)到一定值才能獲得良好的保護(hù)效果，一艘大中型艦船的保護(hù)電流可達(dá)到數(shù)十至數(shù)百安培。

艦船有源陰極保護(hù)系統(tǒng)提供的直流大電流和腐蝕電流是產(chǎn)生艦船電場(chǎng)的主要原因。

1.2 產(chǎn)生艦船軸頻電場(chǎng)的影響因素分析

艦船有源陰極保護(hù)系統(tǒng)提供的直流大電流和腐蝕電流共同作用，會(huì)促使較大的電流流過螺旋槳、軸系、艦船船體，并經(jīng)過海水構(gòu)成回路。該電流回路受到與艦船轉(zhuǎn)軸有關(guān)因素的調(diào)制，會(huì)產(chǎn)生軸頻電場(chǎng)。軸頻電場(chǎng)的特性主要受以下因素的影響:

(1)軸承接觸阻抗的變化

當(dāng)艦船螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸系軸承的接觸阻抗會(huì)隨轉(zhuǎn)動(dòng)周期性變化。而產(chǎn)生艦船電場(chǎng)的電能來源提供的電能大小比較穩(wěn)定，這樣，周期性變化的軸承阻抗，必然會(huì)引起周期性變化的過軸電流，從而使得流過螺旋槳、軸系、艦船船體、海水等整個(gè)回路中的電流隨之變化，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速同頻率的電場(chǎng)，即軸頻電場(chǎng)。

(2)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的海水阻抗變化

艦船輔助陽極和螺旋槳葉片之間的海水阻抗會(huì)隨著螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生變化，導(dǎo)致流經(jīng)螺旋槳和軸系的電流發(fā)生外調(diào)制，產(chǎn)生以轉(zhuǎn)速和槳葉數(shù)乘積為基頻的軸頻電場(chǎng)。

此外，螺旋槳葉片以不同速度在海水中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉片周圍的海水會(huì)不同程度的產(chǎn)生氣泡，影響海水阻抗，從而導(dǎo)致流經(jīng)螺旋槳和軸系的電流發(fā)生外調(diào)制，產(chǎn)生與艦船螺旋槳轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速頻率相關(guān)的軸頻電場(chǎng)。

(3)其他因素

艦船低頻電場(chǎng)還包括外加電流陰極保護(hù)供電系統(tǒng)引起的諧波電場(chǎng)、艦船運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)、船體漏電流和電磁輻射產(chǎn)生的電場(chǎng)、艦船運(yùn)動(dòng)引起的海水?dāng)_動(dòng)產(chǎn)生的電場(chǎng)，這些低頻電場(chǎng)會(huì)與軸頻電場(chǎng)疊加，影響軸頻電場(chǎng)特性。

1.3 艦船軸頻電場(chǎng)的研究意義

在過去幾十年里，降噪技術(shù)快速發(fā)展，艦船已變得越來越安靜，為探測(cè)噪聲已降得很低的艦船，需要尋找新的可被遠(yuǎn)程探測(cè)的艦艇特征信號(hào)。艦船軸頻電場(chǎng)成為了艦船探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)關(guān)注的一種艦船新型顯著特征信號(hào)。

根據(jù)麥克斯維電磁理論，交變電場(chǎng)會(huì)耦合交變磁場(chǎng)，衰減速率更慢，傳播距離更遠(yuǎn)。因此，在艦船水下電場(chǎng)中，軸頻電場(chǎng)更容易被對(duì)方電場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電場(chǎng)引信水雷等探測(cè)到，其信號(hào)特征更易識(shí)別，更容易被用來對(duì)艦船進(jìn)行探測(cè)、跟蹤、定位和打擊。因此，對(duì)艦船軸頻電場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)理及電學(xué)特性進(jìn)行分析，為艦船軸頻電場(chǎng)抑制技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)，具有十分重要的軍事意義。

2 影響軸頻電場(chǎng)的主要艦船結(jié)構(gòu)分析

研究發(fā)現(xiàn)，艦船軸頻電場(chǎng)特性的主要影響因素集中在艦船軸系上，從電學(xué)角度看，主要的艦船結(jié)構(gòu)部件包括轉(zhuǎn)軸、支撐軸承、中間軸承、推力軸承、螺旋槳，滑環(huán)、電刷和輪機(jī)系統(tǒng)。

以某部某拖船為例，其軸系的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括右端的密封軸承、左端的艙室軸承、支撐軸承、推力軸承、中間軸承、滑環(huán)、電刷、輪機(jī)系統(tǒng)、螺旋槳以及槳葉與電極和船體之間的海水。

圖1 某船軸系結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 某船轉(zhuǎn)軸上的滑環(huán)和電刷

其中海水是艦船軸系結(jié)構(gòu)電學(xué)分析的重要組成部分，而輪機(jī)對(duì)艦船軸系結(jié)構(gòu)電學(xué)分析的影響不大，不同種類的軸承電學(xué)特性相似，用相同的符號(hào)表示。

拖船轉(zhuǎn)軸上配備有一套滑環(huán)和電刷，如圖2所示，系統(tǒng)中滑環(huán)和電刷之間的接觸阻抗對(duì)艦船軸頻電場(chǎng)相關(guān)結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性的影響很大，該接觸阻抗也是艦船軸系結(jié)構(gòu)分析的重要組成部分。

3 艦船軸頻電場(chǎng)的電學(xué)電路分析

3.1 產(chǎn)生艦船軸頻電場(chǎng)的主要結(jié)構(gòu)電學(xué)電路等效方法研究

為了深入分析艦船軸系的電學(xué)特性，研究上述艦船重要軸系結(jié)構(gòu)的等效電路，在艦船軸系結(jié)構(gòu)的等效電路分析過程中，需要注意以下幾點(diǎn):

(1)從電學(xué)角度看，槳葉周圍的海水對(duì)軸頻電場(chǎng)的影響很大，需要作為艦船軸系結(jié)構(gòu)電學(xué)分析的重要組成部分。

(2)輪機(jī)系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能強(qiáng)大，但對(duì)艦船軸系結(jié)構(gòu)電學(xué)分析影響不大，可以簡(jiǎn)單的等效為一個(gè)可變阻抗與恒值阻抗的串聯(lián)電路。

(3)為保證軸系的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和功能實(shí)現(xiàn)，艦船配備了不同種類的多個(gè)軸承，雖然從機(jī)械結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性來看這些軸承差別很大，但是，從電學(xué)角度看，這些軸承的電學(xué)特性和等效電路結(jié)構(gòu)都是相同的，都需要等效為一個(gè)可變阻抗與恒值阻抗的串聯(lián)電路。

(4)滑環(huán)和電刷系統(tǒng)中，滑環(huán)和電刷這兩個(gè)部件本身會(huì)對(duì)電流產(chǎn)生阻礙作用，可以等效為兩個(gè)恒值阻抗。更重要的是，滑環(huán)和電刷之間的接觸阻抗對(duì)艦船軸頻電場(chǎng)相關(guān)結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性的影響很大，是艦船軸系等效電路中的一個(gè)重要阻抗。而且，該接觸阻抗與艦船平時(shí)的保養(yǎng)、維護(hù)有很大關(guān)系，保養(yǎng)不善，接觸阻抗會(huì)很大，而且阻值不穩(wěn)定。

該艦船軸系重要結(jié)構(gòu)的電學(xué)等效電路如圖3所示。

3.2 艦船主要結(jié)構(gòu)的等效電路簡(jiǎn)化

為了進(jìn)行有效的電路分析，深入研究艦船軸系的電學(xué)特性，需要對(duì)圖3所示電路進(jìn)行等效變換，突出與艦船軸頻電場(chǎng)有關(guān)的電學(xué)結(jié)構(gòu)和特性，以便于電路的特性分析，利于研究艦船軸頻電場(chǎng)抑制方法。

根據(jù)電路原理進(jìn)行電路等效變換時(shí)，需要考慮以下因素:

(1)艦船軸體、殼體、軸承等均由金屬材料制成，阻抗率很低，這些部件本身的阻抗值與接觸阻抗相比，一般會(huì)少兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。因此，在等效變換過程中，為了減少等效算法的復(fù)雜度，必要的時(shí)候，可以忽略部分金屬制品本身的阻抗。

(2)引起艦船軸頻電場(chǎng)的因素中，影響最大的是軸承的接觸阻抗，而艦船槳葉與船體間阻抗的影響要小得多，這是因?yàn)榕灤菪龢獦~的面積相對(duì)于艦船船體來說顯得很小，處于其間的海水量的變化也很小。只有當(dāng)軸承接觸阻抗引起的軸頻電場(chǎng)被抑制到很小的程度時(shí)，槳葉阻抗的影響才會(huì)突顯。因此，在現(xiàn)階段主要研究對(duì)軸承接觸阻抗影響的抑制。

(3)根據(jù)戴維南定理，電路網(wǎng)絡(luò)可以等效為一個(gè)阻抗和理想電壓源串聯(lián)，圖3電路中僅在右邊有一個(gè)等效電源，其余部分沒有電源，所以艦船各個(gè)軸承及輪機(jī)系統(tǒng)可以等效為一個(gè)可變阻抗與一個(gè)恒值阻抗串聯(lián)。

基于以上考慮，某船軸系結(jié)構(gòu)電路可以等效變換為圖4所示的簡(jiǎn)化示意圖。

圖3 某船軸系結(jié)構(gòu)的等效電路

4 產(chǎn)生軸頻電場(chǎng)的艦船主要結(jié)構(gòu)電學(xué)特性分析

分析圖4所示某船軸系簡(jiǎn)化電路，可知電路中有些部分的阻抗值基本不變或變化很小，可以近似為穩(wěn)定值，有些阻抗變化很大，使得電路電流發(fā)生很大的波動(dòng)，隨著時(shí)間有明顯的變化。因此，為描述和分析方便，可在某船軸系簡(jiǎn)化電路中，除了等效電源，將其余部分劃分為穩(wěn)恒和變化兩大部分，如圖4中所示。該電路具有如下特性:

圖4 某船軸系等效電路的簡(jiǎn)化示意圖

(1)變化部分是對(duì)艦船軸頻電場(chǎng)造成影響的主要因素，是軸頻電場(chǎng)抑制技術(shù)研究的重點(diǎn)。

(2)軸系變化阻抗隨著艦船轉(zhuǎn)軸的周期性變化，引起電路各處電流發(fā)生波動(dòng)，其中海水電流的周期性變化，輻射出軸頻電場(chǎng)。

(3)隨著軸系變化阻抗的周期性變化，AB兩點(diǎn)間的電壓UAB發(fā)生周期性波動(dòng)。

(4)艦船電刷接觸阻抗的存在使得電刷兩端存在波動(dòng)電壓，該電壓與海水中的電流變化密切相關(guān)。

5 結(jié)束語

本文分析了艦船電場(chǎng)電能來源，研究了艦船軸頻電場(chǎng)的影響因素;在分析艦船主要結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立了影響軸頻電場(chǎng)的艦船主要結(jié)構(gòu)電學(xué)等效電路模型，變換、簡(jiǎn)化該等效電路并進(jìn)行分析，得出了其電學(xué)特性。研究結(jié)果表明，軸系變化阻抗是艦船軸頻電場(chǎng)的主要影響因素，其電學(xué)特性是艦船軸頻電場(chǎng)抑制技術(shù)研究的基礎(chǔ)。

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