電場抑制與磁場防護的共性技術(shù)研究

【裝備理論與裝備技術(shù)】

電場抑制與磁場防護的共性技術(shù)研究

張海鵬1，2，陳新剛1，龔文超2

(1.海軍裝備研究院，北京100161； 2.海軍潛艇學(xué)院，山東 青島266042)

摘要：為提高艦船電場特征信號的探測水平并研究科學(xué)的艦船電場防護方法，系統(tǒng)研究了電場和磁場產(chǎn)生機理的共性特點，分析了磁、電場對戰(zhàn)斗力影響的共同點，研究了磁、電場分析理論的相通之處；分析發(fā)現(xiàn)艦船磁場和電場的分析方法和為抑制艦船磁場或電場而采用防護策略也很相似；研究表明艦：船磁場和電場的防護技術(shù)是相通的，可以互相借鑒相似的研究方法，利用相同的研究和實驗資源，互相促進，共同研究。

關(guān)鍵詞：艦船；電場防護；磁場防護；抑制技術(shù)；共性

收稿日期：2014-10-21

作者簡介：張海鵬(1977—)，男，博士，講師，主要從事精密儀器及機械研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.003

中圖分類號：TM154.2+1

文章編號：1006-0707(2015)01-0008-05

本文引用格式：張海鵬，陳新剛，龔文超.電場抑制與磁場防護的共性技術(shù)研究[J].四川兵工學(xué)報，2015(1):8-12.

Citation format:ZHANG Hai-peng,CHEN Xin-gang,GONG Wen-chao.Research on Generic Technology Between Electric Field Suppression and Magnetic Field Protection[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(1):8-12.

Research on Generic Technology Between Electric Field Suppression

and Magnetic Field Protection

ZHANG Hai-peng1,2, CHEN Xin-gang1, GONG Wen-chao2

(1.Navy Equipment Research Institute, Beijing 100161, China;

2.Navy Submarine College, Qingdao 266042, China)

Abstract:In order to improve the level of ship electric characteristic signal detection and to study scientific protection methods of ship electric field as well as the mutual mechanism of electric field and magnetic field, the common characters of magnetic and electric were researched. Similarities in theory of magnetic and electric field were probed. Analysis shows that the analyzing methods of ship magnetic field and electric field and the protecting method of curbing the ship magnetic field or electric field are similar. Studies indicate that the ship protection technology of magnetic and electric fields are mutual, which means each of them can draw lessons from the other, and can be studied together and can promote each other by using the same researches and experimental materials.

Key words: ship; electric field protection; magnetic field protection; suppression technology; similarity

隨著降噪技術(shù)和消磁技術(shù)的快速發(fā)展，艦船已變的越來越安靜，為探測噪聲已降的很低的艦船，需要尋找新的可被遠程探測的艦艇特征信號。艦船電場成為了艦船探測技術(shù)關(guān)注的一種顯著的新型艦船特征信號容易被用來對艦船進行探測、跟蹤、定位和打擊[1-3]。俄、美、英和加拿大等發(fā)達國家已在艦船電場研究領(lǐng)域取得了相當(dāng)?shù)某删?，特別是敵方對艦船電場的探測與識別技術(shù)，更是目前我艦船面臨的重大挑戰(zhàn)[4-6]。我國艦船隱身技術(shù)主要集中在磁場、聲場和水壓場的研究上，尤其是在磁場隱身研究領(lǐng)域，投入了巨大力量，亦獲得了顯著成果并應(yīng)用于裝備[7]。但在艦船電場研究領(lǐng)域卻研究力量薄弱、投入不足、起步較晚，導(dǎo)致該領(lǐng)域的研究還是一片空白，它在很大程度上削弱了我消磁領(lǐng)域研究成果的效能和作用。艦船電場抑制技術(shù)已經(jīng)成為我艦船隱身技術(shù)亟待解決的重要問題。然而，電場和磁場就像一個硬幣的兩面，二者相互依存，不可分割，艦船電場的研究，在很大程度上可以參考和借鑒我國磁場的研究成果。

本文在廣泛分析磁場和電場特性的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的研究了電場和磁場在產(chǎn)生機理、對艦船影響、分析理論、分析方法、抑制技術(shù)等方面的共性特征，找出其共同點和相似點，以指導(dǎo)我國電場抑制技術(shù)的研究。這對于借鑒磁場研究成果，開展電場研究，具有重要作用。

1艦船磁、電場產(chǎn)生機理的共性分析

由于艦船的存在，在它的周圍會出現(xiàn)不同物理性質(zhì)的場，目前已知的有磁場、電場、聲場、水壓場、熱場、重力場、光場、宇宙射線場等。艦船的磁場和電場是對艦船特征信號影響最大的兩個物理場[1,3]。

1.1艦船電場來源分析

艦船電場主要來源于以下6個方面：由船體腐蝕產(chǎn)生的靜電場；由船體腐蝕防護CP系統(tǒng)形成靜電場；船載電力系統(tǒng)設(shè)備輻射電磁波進入海水形成的交變電場；軸系運動、槳葉旋轉(zhuǎn)運動調(diào)制的交變電場；CP系統(tǒng)控制單元和CP電源濾波不夠等引起的交變電場；磁性艦船運動所感應(yīng)的電場。

1.2艦船磁場來源分析

艦船磁場主要來源于以下4個方面：艦船主要是由鋼鐵結(jié)構(gòu)組成的，鋼鐵本身就屬于磁性材料，帶有一定的磁性；地磁場的磁化，鋼鐵中的磁疇在地磁場的影響下很容易扭轉(zhuǎn)達到方向一致，從而增加磁性；艦船中電力系統(tǒng)設(shè)備會輻射磁場；雷達、通信等設(shè)備會輻射電磁波；

1.3艦船磁場產(chǎn)生機理共性分析

由艦船電場來源和磁場來源可以看出其產(chǎn)生機理的共性特點：

1) 無論艦船電場還是艦船磁場都是只可消減，不可徹底消除。即使作戰(zhàn)時關(guān)掉CP系統(tǒng)，做好了絕緣設(shè)計，從熱力學(xué)原理講，腐蝕產(chǎn)生的電場也不可避免，從運動磁體的角度講，也會產(chǎn)生感應(yīng)的電場。同時，為了提高腐蝕防護能力，無論是犧牲陽極法還是外加電流法，艦船CP系統(tǒng)都為艦船提供了一個電流供給系統(tǒng)，在船體附近形成一個穩(wěn)恒電流形成的電場。同樣的，艦船的鋼鐵結(jié)構(gòu)不會改變，由其產(chǎn)生的磁場就會存在，電力系統(tǒng)必須持續(xù)工作，輻射的磁場救不會消失。

2) 艦船電場和艦船磁場互相聯(lián)系，互相影響。一方面，有些來源是相同的，如船載電力系統(tǒng)，既能輻射電場，又能輻射磁場；另一方面，艦船電場產(chǎn)生的電流本身就能生成磁場，同樣的艦船磁場感應(yīng)出的感生電動勢，也會產(chǎn)生電場。

2艦船磁、電場的影響共性分析

2.1對隱蔽性的影響

磁場和電場對于艦船隱蔽性，具有重大的影響。近年來，一方面，由于技術(shù)原因和對隱蔽性的認識還存在不足，另一方面，敵對勢力的偵查探測能力建設(shè)逐步得到加強，導(dǎo)致近些年來我艦船暴露率，特別是潛艇暴露率有增高的趨勢。磁場和電場對于隱蔽性的影響，在潛艇中的體現(xiàn)更為集中、更為典型。

潛艇電場隱身技術(shù)目前尚處于起步階段，基礎(chǔ)薄弱，應(yīng)加強科研投入，采取有效手段減小腐蝕防護形成的靜電場，抵消軸頻電場，消除工頻電場，達到艦船電場隱身的目的。

2.2對引信技術(shù)的影響

艦船在海水中產(chǎn)生的磁場和電場，都具有波形特征明顯、區(qū)域性強、傳播距離遠等特點。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，艦船在海水中產(chǎn)生的磁場信號和電場信號，都很容易被檢測到，從而成為水中兵器的非觸發(fā)型信號源[8,9]。

目前的水雷引信主要是磁引信、聲引信和水壓引信及其組合。由于艦船電場在艦船周圍數(shù)十米內(nèi)達到數(shù)十甚至上百μV/m的量級，而且存在著從準直流到上百赫茲的豐富的信號成分，因此完全可以用作控制水雷爆炸的近炸引信的信號源。與水雷磁引信相比較，電場信號還具有在水雷晃動下受到的干擾相對較小的優(yōu)點，因此對于反潛錨雷，使用電引信將比使用磁引信更為優(yōu)越。圖1為水雷引信系統(tǒng)的基本組成圖。

圖1　引信系統(tǒng)組成框圖

2.3對隱身技術(shù)的影響

有矛就有盾，磁性水雷的出現(xiàn)促進了消磁系統(tǒng)的發(fā)展，同樣，電場水雷、電場探測系統(tǒng)的出現(xiàn)，也會促進消除電場系統(tǒng)的發(fā)展，艦艇在設(shè)計時要考慮減少電場，并安裝消除電場的裝置，這是艦船電場研究的又一個重要方面。此外，目前各國岸基對潛通訊主要依靠長波通訊，而潛艇產(chǎn)生的極低頻電場對長波通訊特別是極長波的通訊無疑是一種干擾，因此研究潛艇電場隱身技術(shù)，不僅對于潛艇反探測，而且對于提高潛艇通訊質(zhì)量也具有重要的意義。

3磁場理論與電場分析理論的共性分析

磁場與電場的密切關(guān)系在麥克斯韋方程組中得到了充分的體現(xiàn)，麥克斯韋總結(jié)了時變電磁場的普遍規(guī)律，并將這些規(guī)律用一組數(shù)學(xué)公式完整的表示出來，將磁場和電場的本質(zhì)特性統(tǒng)一在同一組方程組里，這就是為宏觀電磁理論的發(fā)展做出了里程碑式貢獻的麥克斯韋方程組[10]。

3.1麥克斯韋方程組

3.1.1積分形式

麥克斯韋方程組包括4個方程，其積分形式如下：

第一方程又稱為安培定律，也稱為全電流定律：

第二方程又稱為法拉弟定律，也稱為電磁感應(yīng)定律：

第三方程又稱磁場連續(xù)性定律：

第四方程又稱高斯定律：

2.1.2微分形式

麥克斯韋方程組得積分形式定量的給出了場量之間在較大范圍內(nèi)的相互關(guān)系，但在實際的電磁問題中，人們往往更需要了解諸場量在場中每一點上的定量關(guān)系，需要將麥克斯韋方程組的積分形式轉(zhuǎn)化為麥克斯韋方程組的微分形式。

▽·B=0

▽·D=ρ

其中，▽為哈密頓算子，在直角坐標(biāo)系中

2.1.3連續(xù)性方程

在時變電磁場中，除了麥克斯韋的4個方程之外，連續(xù)性方程也是一個十分重要的基本方程。連續(xù)性方程來自電荷守恒定律，是一條既適用于恒定場又適用于時變場的基本定律。其積分形式為

微分形式為

2.1.4結(jié)構(gòu)方程

麥克斯韋以及連續(xù)性方程聯(lián)立，有E、D、H、B、J5個矢量及一個標(biāo)量ρ，即有16個未知數(shù)，以上方程不能完全確定整個電磁場的分布。要想完全求解得出所研究電磁場的整個分布，還需要3個矢量方程，研究媒質(zhì)特征參數(shù)，可得與其有關(guān)的結(jié)構(gòu)方程如下：

D=εE

B=μH

J=σE

2.2恒定場方程

當(dāng)單獨研究和分析艦船磁場或電場時，這些場實際上是時變電磁場在某些常量不隨時間而變化，或者變化很小可近似忽略條件下的特例。如果令諸場量隨時間的變化率為零，便可直接從麥克斯韋方程組及其邊界條件導(dǎo)出恒定場的基本方程。

2.2.1恒定電場的基本方程

當(dāng)導(dǎo)體中的電流為不隨時間而變化的恒定電流時，導(dǎo)體中運動著的電荷處于動態(tài)平衡狀態(tài)，其電荷分布不隨時間而變化。這種恒定電荷分布在導(dǎo)體外部，所產(chǎn)生的恒定電場與靜止電荷所產(chǎn)生的靜電場相同。因此，在分析電場特性時，可以把恒定電流中運動著的電荷等效為等量靜止電荷。

當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)部流過恒定電流時，導(dǎo)體內(nèi)部的電荷密度和電流密度均不隨時間而變化，導(dǎo)體內(nèi)部的電場為無旋場，導(dǎo)體內(nèi)部的體電流密度的散度為零，導(dǎo)體內(nèi)部的電流密度和電場強度服歐姆定律。

這樣，導(dǎo)體內(nèi)部恒定電場基本方程可以表示為

▽×E=0

▽·J=0

J=σE

應(yīng)用斯托克斯定理和高斯散度定理，可將微分基本方程可以轉(zhuǎn)換為積分形式：

而此時，靜電場的基本方程成立：

▽·D=ρ

而且，當(dāng)導(dǎo)電媒質(zhì)是線性和各向同性的均勻媒質(zhì)時：

▽·D=0

2.2.2恒定磁場的基本方程

類似于恒定電場，在麥克斯韋方程組中，令所有場量對時間的偏導(dǎo)數(shù)均等于零，則得出恒定磁場的場量滿足的積分方程為

上述兩式分別是安培環(huán)路定律和磁介質(zhì)中的磁通連續(xù)性定律。用斯托克斯定理和高斯散度定理將積分形式基本方程轉(zhuǎn)換成微分形式：

▽×H=J

▽·B=0

類似于電場歐姆定律考慮磁導(dǎo)率，式中：B=μH。

2.3電場與磁場分析理論的應(yīng)用分析

2.3.1進行電場與磁場的本質(zhì)探討

電場方程和磁場方程形式相似，統(tǒng)一在同一個麥克斯韋方程組中，這種數(shù)學(xué)關(guān)系從理論上嚴格證明了磁場和電場的特性是相通的，為磁場和電場采用相似的分析、計算方法提供了理論依據(jù)。

在電場和磁場關(guān)系中，相似性是主要方面，但也有兩個區(qū)別。一是在恒定磁場方程中，第一個方程描述了恒定磁場的旋度特性。它表明在空間的任一點上，磁場強度的旋度等于該點的恒定電流密度，即恒定磁場是一個有旋場。而在靜電場中，電場強度的旋度處處為零，是一個無旋場。二是恒定磁場第二個基本方程描述子恒定磁場的散度特性。它表明，在空間的任一點上，磁感應(yīng)強度的散度都等于零，即恒定磁場是一個無源場。而在靜電場中，電位移的散度等于該點的體電荷密度，是一個有源場。也就是說，在靜電場中，電力線起于正電荷止于負電荷，是一些有頭有尾的曲線。在恒定磁場中，不存在作為“源”的磁荷，磁力線是一些無頭無尾的閉合曲線。

為了更好地掌握和發(fā)揮電場和磁場的共性特點，必須處理好其間的差異，從而使二者能夠更好的結(jié)合，在分析方法和工程處理策略上，互為啟發(fā)，互相借鑒。

2.3.2確定電場與磁場的整體特性

麥克斯韋的電磁場理論，用嚴密的數(shù)學(xué)關(guān)系，完整的描述了電場和磁場的空間定量特性。從理論上說，麥克斯韋方程組能夠讓我們嚴格計算出空間任意點的場量分布；反過來，如果要進行電場或磁場的防護，我們也可以嚴格計算出產(chǎn)生反向場需要的場源大小、分布、形態(tài)等特點。

總之，麥克斯韋方程組提供一種方法，可以嚴格計算磁場和電場的產(chǎn)生、傳播和空間分布，為電場和磁場防護提供了堅實的理論支持。

3磁場與電場分析方法的共性分析

電場方程和磁場方程本質(zhì)的相似，決定了磁場和電場的分析、計算方法也是相似的。

相對于磁路來說，電路在人們生活中的應(yīng)用非常廣泛，給人的感覺也更直觀，人們對電路的分析和計算方法也更熟悉。長期實踐發(fā)現(xiàn)，電路的基本定律是歐姆定律和基爾霍夫定律，常用的基本分析方法有支路電流法、電路等效變換法、疊加原理、戴維南定理等[2,10-11]。磁路的分析計算要更比電路更復(fù)雜，這是因為：磁通量在傳遞的過程中，會有漏磁，特別是在一些導(dǎo)磁特性不佳的材料中，漏磁會更嚴重，這就使得磁路的分析計算時，帶有較大的誤差，從而使得磁路的許多傳導(dǎo)規(guī)律和特性的不確定性增加，其準確計算變得更復(fù)雜；相反的，電流在傳遞過程中，幾乎不會產(chǎn)生漏電流，因而其計算公式和定理，基本不需要考慮漏電流的影響，所以其表達方式更簡潔，更準確。

但是，磁場和電場畢竟在本質(zhì)上是相通的，所以磁場的特性也必然和電場有很多相似之處。實際上，如果忽略漏磁的影響，或者利用優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)磁物質(zhì)組建磁路，可以將電路的基本定律和基本分析方法，直接套用到磁路中，表1 所示的是磁路和電路中常用概念和定理的對比。

反過來，相同表達形式的定律和分析方法，同時成功的應(yīng)用在磁路和電路中，也進一步證明了磁場和電場具有很多共性。

艦船電場和磁場的變化緩慢，在分析和計算時，可以轉(zhuǎn)化為靜態(tài)電場和磁場問題。由于磁場和電場的本質(zhì)、基本定理、基本分析方法和描述方程的形式都基本相同，所以二者方程的解法也是相同的。

表1　磁路和電路的類比關(guān)系

求解靜態(tài)和準靜態(tài)的電場及磁場，主要有兩種方法：解析方法和數(shù)值方法。解析方法中包括鏡像法、分離變量法、保角變換法、羅果夫斯基法和羅茲法等；數(shù)值方法中包括松弛法、迭代法等，有時也用到統(tǒng)計方法(蒙特一卡羅方法)。

目前，一般來說，對于電場或磁場的定量計算，人們更習(xí)慣于應(yīng)用數(shù)值方法，而對于定性分析，則更傾向于解析方法。

4磁場與電場抑制技術(shù)共性分析

4.1抑制策略的共性分析

磁場和電場的具體抑制技術(shù)，從表面上看，好像差別很大：它們利用不同的設(shè)備、關(guān)注不同的參數(shù)、采用不同的操作流程、實現(xiàn)不同的工作方式。但實際上，磁場和電場抑制技術(shù)在策略上是相同的[6,11-12]。其主要的抑制策略有2個：

一個策略是反向抵消。采用有效的設(shè)備產(chǎn)生一個與原電場或磁場大小相等、方向相反的新物理場，使得兩個場相互抵消，達到抑制的目的。在實際運用中艦船磁場和電場常常是時變的，由多種場源產(chǎn)生，且影響因素眾多，因此試圖通過預(yù)測艦船電場的強度來調(diào)整抵消電流的參數(shù)來產(chǎn)生抵消電場是困難的。這時，可以考慮兩個途徑，一個是自適應(yīng)抵消，實時地獲得艦船電場的強度，通過即時反饋來控制抵消電流的輸出，以抵消艦船電場；另一個是抓住主要矛盾，只把影響最大的幾個磁場源或電場源產(chǎn)生物理場抵消掉。

另一個策略是消除源頭。采用有效手段，消除裝備中產(chǎn)生該電場或磁場的源頭，使得原電場或磁場無從產(chǎn)生，從而達到抑制的目的。但大部分情況下，裝備中產(chǎn)生電場或磁場源頭的設(shè)備，都是必須運行、無法消除的。此時，可以考慮盡量減少或者用相同功能的設(shè)備替代能夠產(chǎn)生電場或磁場的設(shè)備。

4.2反向抵消策略分析

電場抵消的基本工作流程：測量模塊測得海水中的電場值，輸入控制模塊，控制模塊通過抵消算法輸出抵消電流，抵消電流通過輸出模塊導(dǎo)入海水，產(chǎn)生抵消電場。例如圖2所示為俄羅斯現(xiàn)代級驅(qū)逐艦上裝備的消電場系統(tǒng)，其中就包含了電場抵消系統(tǒng)。圖2中海水中帶箭頭的實心曲線表示艦船正常運行產(chǎn)生的電流和電場，而帶箭頭的虛線曲線則表示補償系統(tǒng)產(chǎn)生的電流和電場。合理的調(diào)整補償系統(tǒng)，就可以有效的降低或消除原電流和電場的影響。

圖2　俄羅斯現(xiàn)代級驅(qū)逐艦上裝備的消電場系統(tǒng)

同樣的，磁場的反向抵消也采取相似的做法，只是利用的設(shè)備、方式等不同。圖3簡單示意了艦船磁場分布特點，圖中虛線表示艦船自身產(chǎn)生的磁場，為了反向抵消該磁場，采用通電線圈，產(chǎn)生圖中所示的實線表示的反向磁場。

圖3　艦船磁場分布示意圖

由電場和磁場反向補償方式，可以看出它們在實際運用該策略的時候，也有很多相似或相同的共性特點。艦船電場和磁場抵消系統(tǒng)的基本模型都包含3個部分：艦船電場或磁場測量模塊、電場或磁場抵消控制模塊、抵消電場或磁場輸出模塊。他們的運行方式也很相似：都是先測量原裝備產(chǎn)生的電場或磁場值，輸入控制模塊，控制模塊通過抵消算法輸出抵消的電場或磁場量，抵消電場或磁場通過輸出模塊實現(xiàn)。

4.3消除源頭策略分析

消除物理場源頭的方法對艦船的磁電場防護有重要作用。對于艦船電場，在可被利用的艦船水下靜電場中，腐蝕防護電流產(chǎn)生的靜電場是主要成分，對于安裝有ICCP系統(tǒng)的艦船，由于防護電流很大，會在海水中產(chǎn)生較大的靜電場，但在作戰(zhàn)時，艦船隱身要比艦船防腐更為重要，而該靜電場可通過切斷防腐電源來完全消除。

對于艦船磁場，一個典型的例子是潛艇的消磁。目前，我國的常規(guī)潛艇和核動力潛艇都未安裝艇載消磁系統(tǒng)，僅通過臨時線圈消磁。臨時線圈消磁即可被看作是一種消除源頭的方法，它是定期的在消磁站或通過消磁船在海上，由外界磁源產(chǎn)生一個強大的磁場，消減和降低艦船本身原有的磁場。臨時線圈消磁之后，艦船自身的鋼鐵結(jié)構(gòu)不再帶有磁性，相當(dāng)于消除了強大的詞源，由其產(chǎn)生的磁場會大幅降低。

5結(jié)論

綜上所述，艦船磁場和電場本質(zhì)上是相通的，它們原理的數(shù)學(xué)描述統(tǒng)一在相同的麥克斯韋方程中，滿足相同的基本定律，可以采用相同的分析方法和求解方法；本質(zhì)的相通決定了艦船磁、電場具有相似的特性，都可作為艦船的重要目標(biāo)特征，對艦船產(chǎn)生相似的影響；更為重要的是，艦船磁、電場抑制策略基本相同，可以在磁、電場防護技術(shù)上共同研究，采用相似的方法，利用相同的資源，互相借鑒，互相促進。

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(責(zé)任編輯周江川)