船舶磁防護(hù)與電場(chǎng)防護(hù)耦合性分析

耿 攀,王向軍,王建勛,左 超

(1.海軍工程大學(xué);2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所,湖北 武漢 430205)

0 引言

由于磁性材料的使用、腐蝕及防腐作用等因素,船舶會(huì)在其周圍海水和空氣中激發(fā)磁場(chǎng)和電場(chǎng)。隨著非聲探測(cè)技術(shù)手段的發(fā)展,磁場(chǎng)和電場(chǎng)信號(hào)日益成為威脅船舶安全的重要信號(hào)源。船舶的磁場(chǎng)和電場(chǎng)特征可能帶來3方面威脅:空中電磁探測(cè)、水下電磁探測(cè)、水中電磁場(chǎng)引信武器。如不采取相關(guān)措施對(duì)船舶的磁場(chǎng)和電場(chǎng)特征進(jìn)行有效抑制,我國船舶將面臨極大的被探測(cè)和攻擊風(fēng)險(xiǎn)。

基于船舶磁場(chǎng)和電場(chǎng)防護(hù)需求,亟需針對(duì)船舶的磁場(chǎng)和電場(chǎng)分布特性開展深入的研究。考慮到磁場(chǎng)和電場(chǎng)存在強(qiáng)烈的耦合性,常常同時(shí)產(chǎn)生,因此需對(duì)磁場(chǎng)防護(hù)和電場(chǎng)防護(hù)的耦合性進(jìn)行研究,為磁場(chǎng)和電場(chǎng)防護(hù)論證提供參考,為電磁場(chǎng)綜合防護(hù)裝備研制提供技術(shù)基礎(chǔ)保障。

1 船舶磁場(chǎng)與電場(chǎng)產(chǎn)生來源

船舶處于海洋環(huán)境中,無論是處于靜止?fàn)顟B(tài)還是運(yùn)動(dòng)的狀態(tài),其周圍海水中都存在有磁場(chǎng)和電場(chǎng)。

研究表明,船舶電磁場(chǎng)按產(chǎn)生機(jī)理的不同可大體分為磁性源和電性源兩種。磁性源主要與磁性材料相關(guān),包括固定磁場(chǎng)、感應(yīng)磁場(chǎng)和磁性船體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)3種。電性源主要與腐蝕防腐、通電設(shè)備泄漏電流相關(guān)、通電設(shè)備向船外電磁輻射、切割地球磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)以及其他相關(guān),共8種:腐蝕電磁場(chǎng)、防腐電磁場(chǎng)、泄漏電流電磁場(chǎng)、雜散電磁場(chǎng)、金屬船體運(yùn)動(dòng)感應(yīng)電磁場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電磁場(chǎng)、尾流電磁場(chǎng)、以及摩擦電磁場(chǎng)[1]。

按頻段劃分,船舶電磁場(chǎng)大體可分為靜磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)和低頻交變電磁場(chǎng),其中低頻交變電磁場(chǎng)還可細(xì)分為軸頻及其倍頻電磁場(chǎng)和工頻及其倍頻電磁場(chǎng)。靜磁場(chǎng)來源于固定磁場(chǎng)、感應(yīng)磁場(chǎng)、金屬船體運(yùn)動(dòng)感應(yīng)磁場(chǎng)(準(zhǔn)靜磁)、尾流磁場(chǎng)(準(zhǔn)靜磁)、摩擦磁場(chǎng)(準(zhǔn)靜磁),以及腐蝕電流、防腐電流、泄漏電流和雜散電磁場(chǎng)中的直流成分。靜電場(chǎng)來源于金屬船體運(yùn)動(dòng)感應(yīng)電場(chǎng)(準(zhǔn)靜電)、磁性船體運(yùn)動(dòng)感應(yīng)電場(chǎng)(準(zhǔn)靜電)、尾流電場(chǎng)(準(zhǔn)靜電)、摩擦電場(chǎng)(準(zhǔn)靜電),以及腐蝕電流、防腐電流、泄漏電流中的直流成分。軸頻電磁場(chǎng)來源于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電磁場(chǎng),以及腐蝕電流和防腐電流中的軸頻及其倍頻成分[2-7];工頻及其倍頻電磁場(chǎng)來源于防腐電流、泄漏電流和雜散電磁場(chǎng)中的工頻及其倍頻成分。

2 船舶磁場(chǎng)與電場(chǎng)耦合來源

根據(jù)麥克斯韋方程可知,電流和變化的電場(chǎng)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)(對(duì)應(yīng)麥克斯韋-安培定律),變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)(對(duì)應(yīng)法拉第電磁感應(yīng)定律)。由于海水是導(dǎo)體,海水中的電場(chǎng)將以傳導(dǎo)電流的形式存在,只要有電流存在的地方就必定存在著磁場(chǎng)[8],因此電性源必將在海水中同時(shí)產(chǎn)生電場(chǎng)和耦合磁場(chǎng),而磁性源中只有磁性船體運(yùn)動(dòng)引發(fā)感應(yīng)電場(chǎng)。具體到船舶,其電磁耦合來源可總結(jié)為以下幾個(gè)方面:

1)船舶磁性船體(與固定和感應(yīng)磁性有關(guān))運(yùn)動(dòng)引起周圍空間磁場(chǎng)變化產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)和耦合感應(yīng)磁場(chǎng),為準(zhǔn)靜電場(chǎng)和準(zhǔn)靜磁場(chǎng);

2)船舶周圍形成的腐蝕電流會(huì)產(chǎn)生靜電場(chǎng)及其耦合靜磁場(chǎng)、軸頻及其倍頻電磁場(chǎng);

3)船舶周圍形成的防腐電流會(huì)產(chǎn)生靜電場(chǎng)及其耦合靜磁場(chǎng)、軸頻及其倍頻電磁場(chǎng)、工頻及其倍頻電磁場(chǎng);

4)船舶內(nèi)通電設(shè)備泄漏電流在海水中產(chǎn)生的漏電場(chǎng)和漏磁場(chǎng),為靜電場(chǎng)及其耦合靜磁場(chǎng)、工頻及其倍頻電磁場(chǎng);

5)船舶內(nèi)通電設(shè)備會(huì)向船外輻射產(chǎn)生靜磁場(chǎng)、工頻及其倍頻電磁場(chǎng);

6)船舶金屬船體運(yùn)動(dòng)切割地磁場(chǎng)將在船體和海水中產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)和耦合感應(yīng)磁場(chǎng),為準(zhǔn)靜電場(chǎng)和準(zhǔn)靜磁場(chǎng);

7)船舶旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子切割地磁場(chǎng)會(huì)在轉(zhuǎn)子和海水中產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)和耦合感應(yīng)磁場(chǎng),為軸頻倍頻電磁場(chǎng);

8)船舶尾流切割地磁場(chǎng)引起感應(yīng)電場(chǎng)和耦合感應(yīng)磁場(chǎng),為準(zhǔn)靜電場(chǎng)和準(zhǔn)靜磁場(chǎng)[9];

9)船舶船體與海水摩擦產(chǎn)生的電場(chǎng)和耦合和磁場(chǎng),為準(zhǔn)靜電場(chǎng)和準(zhǔn)靜磁場(chǎng)。

綜上可知,磁場(chǎng)和電場(chǎng)耦合主要來源于電性源。

3 船舶磁場(chǎng)與電場(chǎng)耦合性分析數(shù)學(xué)模型

船舶磁場(chǎng)與電場(chǎng)耦合性分析數(shù)學(xué)模型可分別通過靜態(tài)磁場(chǎng)等效模型或靜態(tài)電場(chǎng)等效模型推導(dǎo)得出。常用的磁場(chǎng)等效模型有旋轉(zhuǎn)橢球體模型、旋轉(zhuǎn)橢球體陣列模型、磁偶極子陣列模型以及橢球體和磁偶極子陣列組成的混合模型,主要用來分析靜態(tài)磁場(chǎng)。常用的電場(chǎng)等效模型有水平電偶極子模型和時(shí)諧偶極子模型等,可用來分析靜電場(chǎng)、耦合靜磁場(chǎng)和交變電磁場(chǎng)。對(duì)于這些已采用的靜態(tài)模型不再一一列舉,這里主要介紹將靜態(tài)等效模型轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)等效模型的方法。對(duì)于磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)等效模型,可以計(jì)算磁性船體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)以及磁場(chǎng)通過特性;對(duì)于電場(chǎng)動(dòng)態(tài)等效模型,則可以計(jì)算各種電性源產(chǎn)生的耦合動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)。

動(dòng)態(tài)耦合模型可基于電磁場(chǎng)相對(duì)論得出[10]。以磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)等效模型為例,在船舶磁性狀態(tài)已知的情況下,考慮其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下磁通的空間突變所產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)?？杉僭O(shè)2個(gè)慣性坐標(biāo)系K和K′,其中K系為船舶坐標(biāo)系,其相對(duì)K′系以速度V沿x軸方向作勻速運(yùn)動(dòng),在t為0時(shí)刻,2個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合。根據(jù)相對(duì)論的電磁變換式,可知靜止坐標(biāo)系K′中任意處的電場(chǎng)和磁場(chǎng),即感應(yīng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)為

上式表明,只要船舶處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的周圍磁場(chǎng)分布特征已知,即可由磁場(chǎng)分布計(jì)算運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)。同理,也可由靜態(tài)電偶極子耦合磁場(chǎng)分析模型推出耦合動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)。

4 船舶磁場(chǎng)防護(hù)與電場(chǎng)防護(hù)耦合性分析

結(jié)合仿真分析,我們對(duì)長約100 m排水量達(dá)5 000 t、航速20 kn的船舶各種電磁場(chǎng)源進(jìn)行了總結(jié),得出在距船舶10～20 m左右處的主要磁場(chǎng)與電場(chǎng)耦合頻率和量級(jí)大小如表1所示,同時(shí)列出其主要防護(hù)手段。

表1 船舶各類電磁場(chǎng)強(qiáng)度及頻率特征對(duì)比Table 1 Features comparison of intensity and frequency of all kinds of electromagnetic fields

由表1可知磁場(chǎng)防護(hù)及其電場(chǎng)防護(hù)耦合性具有以下特點(diǎn):

1)在總電場(chǎng)中,靜電場(chǎng)能量所占比重最大,工頻電場(chǎng)能量與軸頻電場(chǎng)相當(dāng)且比重較小。由于海洋電場(chǎng)環(huán)境中背景電場(chǎng)以靜電場(chǎng)為主,且量級(jí)與船舶靜電場(chǎng)相當(dāng),不具有頻率特征的靜電場(chǎng)在遠(yuǎn)場(chǎng)將很難提取,靜電場(chǎng)主要體現(xiàn)在近場(chǎng)威脅;在交變電場(chǎng)中,軸頻及其倍頻電場(chǎng)較工頻及其倍頻頻率電場(chǎng)衰減慢且幅值大,因此軸頻電場(chǎng)最具遠(yuǎn)場(chǎng)威脅。

2)在總磁場(chǎng)中,靜磁場(chǎng)能量所占比重遠(yuǎn)大于交變磁場(chǎng)。靜磁場(chǎng)由于與地球背景磁場(chǎng)量級(jí)相當(dāng),近場(chǎng)威脅明顯,同時(shí)因?yàn)榈厍虮尘按艌?chǎng)較為穩(wěn)定,靜磁場(chǎng)也有一定的遠(yuǎn)場(chǎng)威脅;交變磁場(chǎng)中,軸頻磁場(chǎng)特征同樣具有很大遠(yuǎn)場(chǎng)威脅。

3)在靜電場(chǎng)源中,防腐電磁場(chǎng)源對(duì)靜電場(chǎng)的貢獻(xiàn)比例最大,其次是腐蝕電磁場(chǎng)源,其他電磁場(chǎng)源如尾流電磁場(chǎng)源、泄漏電流電磁場(chǎng)、雜散電磁場(chǎng)源等普遍貢獻(xiàn)較小,在近場(chǎng)的影響基本可以忽略;在遠(yuǎn)場(chǎng)需特別注意尾流電磁場(chǎng)源產(chǎn)生的準(zhǔn)靜電場(chǎng),因尾流覆蓋范圍廣,其在遠(yuǎn)處產(chǎn)生的電場(chǎng)與近場(chǎng)差別較小,可能成為最明顯的船舶電場(chǎng)特征。

4)在靜磁場(chǎng)源中,磁性材料固定磁場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)源對(duì)靜磁場(chǎng)的貢獻(xiàn)比例最大,其次是防腐電磁場(chǎng)源、腐蝕電磁場(chǎng)源等電性源,其他電性源的貢獻(xiàn)較小,在近場(chǎng)的影響基本可以忽略;在遠(yuǎn)場(chǎng)需特別注意腐蝕和防腐電磁場(chǎng)源產(chǎn)生的靜磁場(chǎng),由于其衰減較慢,在遠(yuǎn)場(chǎng)磁性水平降到一定程度或采用了消磁技術(shù)后,該部分靜磁場(chǎng)可能成為影響靜磁場(chǎng)特征的最主要因素。在防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),腐蝕和防腐電磁場(chǎng)源磁場(chǎng)特征控制需要結(jié)合電場(chǎng)特征控制同時(shí)考慮。

5)在交變電磁場(chǎng)源中,防腐電磁場(chǎng)源對(duì)交變電磁場(chǎng)的貢獻(xiàn)比例最大,其次是腐蝕電磁場(chǎng)源、泄漏電流電磁場(chǎng)源、雜散電磁場(chǎng)源、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)感應(yīng)電磁場(chǎng)。由于交變頻率下磁場(chǎng)和電場(chǎng)同時(shí)產(chǎn)生,因此需要在進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)要同時(shí)考慮磁場(chǎng)和電場(chǎng)防護(hù)。

5 結(jié)束語

從威脅角度考慮,在近場(chǎng),需同時(shí)考慮靜磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)、軸頻電磁場(chǎng)和工頻電磁場(chǎng);在遠(yuǎn)場(chǎng),需考慮靜磁場(chǎng)和軸頻電磁場(chǎng),并特別注意尾流電磁場(chǎng)源產(chǎn)生的準(zhǔn)靜電場(chǎng)。

從電磁綜合防護(hù)措施考慮,應(yīng)對(duì)固定消磁和消磁系統(tǒng)應(yīng)用后磁性船體運(yùn)動(dòng)耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)水平進(jìn)行評(píng)估;在對(duì)腐蝕和防腐電磁場(chǎng)進(jìn)行控制時(shí)同時(shí)考慮磁場(chǎng)和電場(chǎng)特征降低程度;在進(jìn)行其他次要場(chǎng)源如泄漏電流電磁場(chǎng)、雜散電磁場(chǎng)控制、金屬船體運(yùn)動(dòng)感應(yīng)電磁場(chǎng)控制、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)感應(yīng)電磁場(chǎng)的控制時(shí)也需同時(shí)考慮磁場(chǎng)和電場(chǎng)特征降低程度;在進(jìn)行尾流電磁場(chǎng)控制時(shí)還需考慮同時(shí)考慮尾跡防護(hù)。