一種潛艇磁異常模擬器仿真與試驗(yàn)

王景然劉首善宗發(fā)保顧建松鄒鵬毅張謹(jǐn)

（1.第七一五研究所，杭州，310023；2.91046部隊(duì)，山東萊陽(yáng)，265200）

一種潛艇磁異常模擬器仿真與試驗(yàn)

王景然1劉首善2宗發(fā)保1顧建松1鄒鵬毅1張謹(jǐn)1

（1.第七一五研究所，杭州，310023；2.91046部隊(duì)，山東萊陽(yáng)，265200）

對(duì)永磁鐵、載流圓線圈、有限長(zhǎng)載流導(dǎo)線三種可能用于潛艇誘餌磁學(xué)特性模擬的方案進(jìn)行了理論分析對(duì)比，最終確定有限長(zhǎng)載流導(dǎo)線為最佳方案。在東營(yíng)海灘實(shí)地布設(shè)了100 m長(zhǎng)的載流導(dǎo)線作為磁異常模擬器，并采用動(dòng)力三角翼飛機(jī)搭載磁探儀對(duì)其開(kāi)展了試飛驗(yàn)證。記錄的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)日變校正、地磁背景場(chǎng)匹配后，在200 m高度某條測(cè)線的總場(chǎng)異常大小為2.6 nT，與理論仿真結(jié)果接近，與中型船舶在相同高度產(chǎn)生的總場(chǎng)異常大小相當(dāng)，證明采用有限長(zhǎng)載流導(dǎo)線作為潛艇磁異常模擬器是可行的，為潛艇磁異常模擬器的研制提供參考。

潛艇誘餌；載流導(dǎo)線；磁異常模擬器

磁異常探測(cè)是一種重要的非聲探測(cè)手段，具有分類能力好、定位精度高、可探測(cè)水下目標(biāo)、被動(dòng)探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[1-4]，通常作為對(duì)潛艇攻擊前的最后確認(rèn)手段和小范圍重點(diǎn)區(qū)域的搜索手段。潛艇可以通過(guò)潛艇誘餌(如美國(guó)的MK39潛艇模擬器)來(lái)躲避反潛巡邏機(jī)和反潛艦船的探測(cè)追蹤、魚(yú)雷攻擊[5,6]。潛艇誘餌必須具備模擬潛艇聲學(xué)和磁學(xué)特性。三種可能用于潛艇誘餌磁學(xué)特性模擬(即“磁異常模擬器”)的方案中，永磁體和載流圓線圈方案在實(shí)際應(yīng)用中均存在困難，本文采用有限長(zhǎng)載流導(dǎo)線方案，在有限長(zhǎng)載流導(dǎo)線理論仿真的基礎(chǔ)上開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 永磁鐵和載流圓線圈方案

國(guó)外中型潛艇的磁矩大小為2×105A·m2量級(jí)，在其上方400 m、200 m高度上產(chǎn)生的磁異常約為0.3 nT、2.4 nT。可以產(chǎn)生磁矩或磁異常的方案有：永磁體、載流圓線圈、有限長(zhǎng)載流導(dǎo)線。

1.1 永磁體方案

釹鐵硼永磁鐵是目前磁性最強(qiáng)的永磁體。釹鐵硼永磁鐵具有極高的磁能積和矯頑力，是稀土永磁材料發(fā)展的最新成果，因其優(yōu)異的磁性能被稱為“磁王”[7]，具有磁能積高、體積小質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，是迄今為止性價(jià)比最佳的商品化材料。2010年，我國(guó)釹鐵硼的產(chǎn)量就達(dá)10.8×107kg，占全球產(chǎn)量的80%，釹鐵硼已被廣泛應(yīng)用于電子信息、機(jī)械、醫(yī)療以及國(guó)防領(lǐng)域，有N35～N48、N33H～N45H、N33SH～N40SH等共計(jì)16種牌號(hào)，N40S型號(hào)的矯頑力可高達(dá)939 kA/m。

一塊直徑15 cm、厚度1 cm的釹鐵硼永磁鐵重量約為0.5 kg，磁矩約為60 A·m2。要產(chǎn)生2× 105A·m2大小的磁矩至少需要3 300個(gè)永磁鐵，重量高達(dá)1 650 kg，且磁性極強(qiáng)，搬動(dòng)和運(yùn)輸都存在極大危險(xiǎn)。

1.2 載流圓線圈方案

當(dāng)測(cè)量點(diǎn)到載流圓線圈的距離r遠(yuǎn)大于線圈半徑a時(shí)，載流圓線圈可等效為磁矩為P=NIπa2的磁偶極子[8]，N為載流圓線圈匝數(shù)，I為供電電流，a為線圈半徑。

若供電設(shè)備輸出電流為20 A，圓線圈直徑為2 m，要產(chǎn)生2×105A·m2量級(jí)的磁矩，線圈匝數(shù)須達(dá)到1 061匝，繞制線圈的導(dǎo)線長(zhǎng)度須13 km，消耗的功率極大，在實(shí)際中也是不可行的。

2 有限長(zhǎng)載流導(dǎo)線理論仿真

2.1 理論基礎(chǔ)

如圖1所示，建立右手空間直角坐標(biāo)系O-XYZ，原點(diǎn)O為有限長(zhǎng)導(dǎo)線的一個(gè)端點(diǎn)，X軸指向正北方向，Z軸鉛直向下。導(dǎo)線在O-XY平面內(nèi)放置，與X軸方向的夾角記為θ。當(dāng)通過(guò)導(dǎo)線的電流為I時(shí)，電流元在空間產(chǎn)生的磁場(chǎng)依據(jù)畢奧-薩伐爾定律[9]為

式（1）中，0μ為真空磁導(dǎo)率，為電流元到測(cè)量點(diǎn)P的位移矢量，r為電流元到測(cè)量點(diǎn)的距離。記ex、ey、ez分別為X、Y、Z軸的單位向量，空間中任意一點(diǎn)P的坐標(biāo)為(px,py,pz)，導(dǎo)線在P點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)為(B3 x,B3 y,B3 z)

將式（2）～（5）帶入式（1）積分后可得

式中

圖1 坐標(biāo)系建立

2.2 數(shù)值仿真

給定仿真參數(shù)：載流導(dǎo)線長(zhǎng)度L=100 m；供電電流I=15 A；導(dǎo)線沿與X軸方向成45°放置；地磁場(chǎng)總場(chǎng)52 000 nT，地磁傾角為55°，地磁偏角為－2°；其在200 m高度(Z=－200)上方平面內(nèi)產(chǎn)生的磁異常B3 x、B3 y、B3 z分別如圖2～圖4所示，產(chǎn)生的總場(chǎng)異常ΔB如圖5所示。

圖2 200 m高度平面內(nèi)的B3 x分布

圖3 200 m高度平面內(nèi)的B3 y分布

圖4 200 m高度平面內(nèi)的B3 z分布

圖5 200 m高度平面內(nèi)的ΔB分布

由圖2～圖4可以看出，給定仿真條件下的載流導(dǎo)線產(chǎn)生的磁異常x分量B3 x，y分量B3 y的峰峰值大小均為2.56 nT，B3 x為負(fù)，B3 y為正；磁異常z分量B3 z的峰峰值大小為2.83 nT。由圖5可以看出，給定仿真條件下的載流導(dǎo)線產(chǎn)生的磁異常與地磁場(chǎng)疊加后產(chǎn)生的總場(chǎng)異常ΔB峰峰值大小為2.74 nT，與中型船舶在相同高度產(chǎn)生的總場(chǎng)磁異常大小相當(dāng)。

3 試驗(yàn)情況

為了驗(yàn)證載流導(dǎo)線產(chǎn)生的磁異常，我們?cè)跂|營(yíng)海灘布設(shè)了磁異常模擬器。該磁異常模擬器如圖6所示，由發(fā)電機(jī)、恒流源、雙絞線、長(zhǎng)導(dǎo)線、電極組、安全警示帶組成，長(zhǎng)導(dǎo)線長(zhǎng)度為100 m。

圖6 載流導(dǎo)線式磁異常模擬器

電極組布置現(xiàn)場(chǎng)中，為了減小供電回路電阻，每個(gè)電極組由6根打入地下的鋁條組成。試驗(yàn)中采用的動(dòng)力三角翼航磁測(cè)量系統(tǒng)如圖7所示，其由動(dòng)力三角翼飛機(jī)、氦光泵磁力儀、三分量磁力儀、GPS、高度計(jì)組成。

圖7 動(dòng)力三角翼航磁測(cè)量系統(tǒng)

動(dòng)力三角翼航磁測(cè)量系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)日變校正、地磁背景場(chǎng)匹配后，在200 m高度某條測(cè)線的總場(chǎng)異常如圖8所示，其總場(chǎng)異常峰峰值大小為2.6 nT，與理論仿真結(jié)果接近，與中型船舶在相同高度產(chǎn)生的總場(chǎng)異常大小相當(dāng)。

圖8 載流導(dǎo)線在200 m高度某測(cè)線的總場(chǎng)異常

4 結(jié)語(yǔ)

初步研究了有限長(zhǎng)載流導(dǎo)線型潛艇模擬器的磁異常，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該型潛艇模擬器的可行性，這可作為潛艇磁異常模擬器研制提供技術(shù)支撐。該研究尚有不足之處，后續(xù)將考慮導(dǎo)線型模擬器在不同方向放置、不同供電電流、不同高度探測(cè)時(shí)產(chǎn)生的磁異常情況。

本文是在吳文福研究員的細(xì)心指導(dǎo)下完成的，對(duì)中色地科礦產(chǎn)勘查股份有限公司提供動(dòng)力三角翼飛機(jī)和試驗(yàn)幫助表示感謝，對(duì)其他所有參與試驗(yàn)的人員在此一并表示感謝。

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