軸頻電場(chǎng)與靜電場(chǎng)一體化腐蝕相關(guān)電場(chǎng)隱身方法研究

孫強(qiáng)， 姜潤(rùn)翔， 喻鵬， 程錦房

(1.海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院， 湖北 武漢 430033； 2.海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 湖北 武漢 430033)

0 引言

中、大型艦艇船體一般由低合金鋼或鋁合金材料制造，螺旋槳推進(jìn)器則由銅合金制造。異種金屬組成的艦船在海水電解質(zhì)中存在電連接，將構(gòu)成原電池，從而在海水中產(chǎn)生腐蝕相關(guān)電場(chǎng)信號(hào)。腐蝕電場(chǎng)根據(jù)其頻率劃分，可分為靜電場(chǎng)、軸頻電場(chǎng)和工頻及其倍頻電場(chǎng)[1-2]。其中，靜電場(chǎng)和軸頻電場(chǎng)因量級(jí)相對(duì)較大、特征明顯等特點(diǎn)被作為信號(hào)源，廣泛應(yīng)用于水中兵器的探測(cè)系統(tǒng)中，如意大利ASTERIA水雷、西班牙MINEA水雷等均安裝有電場(chǎng)引信[3-4]。

為了防止被安裝有電場(chǎng)引信的水雷打擊，各國(guó)通常將電場(chǎng)抑制技術(shù)運(yùn)用在船舶設(shè)計(jì)和制造中[5-7]。如分別基于電流補(bǔ)償方法和主動(dòng)軸接地(ASG)技術(shù)[8]降低靜電場(chǎng)和軸頻電場(chǎng)信號(hào)。本文在深入研究電流補(bǔ)償方法和ASG技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了軸頻與靜電場(chǎng)(簡(jiǎn)稱(chēng)軸靜)一體化控制方法，該方法將ASG系統(tǒng)的補(bǔ)償電流值作為軸電流值，并將電流補(bǔ)償方法中的補(bǔ)償電流與軸電流的比值作為靜電場(chǎng)補(bǔ)償?shù)目刂屏俊?/p>

1 靜電場(chǎng)電流補(bǔ)償技術(shù)

補(bǔ)償技術(shù)的基本原理在于降低艦船靜電場(chǎng)的等效電偶極矩。自然腐蝕狀態(tài)下，船體與螺旋槳構(gòu)成的等效電偶極子如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，陽(yáng)極(船殼)的等效電荷中心位于船體中后部，陰極(螺旋槳)的等效電荷中心位于螺旋槳處，形成的電偶極矩為Q0=I0L0，其中I0為自然腐蝕電流，L0為電荷間距[9-10]。對(duì)于一艘長(zhǎng)度L為上百米的中型艦船，L0為L(zhǎng)/3～L/2，因此自然腐蝕電流產(chǎn)生的等效偶極矩通常較大。

圖1 自然腐蝕狀態(tài)船體等效電偶極子模型Fig.1 Equivelent electric dipole in natural corrosion state

若在靠近螺旋槳位置處增加補(bǔ)償陽(yáng)極，則可使其輸出的電流與自然腐蝕產(chǎn)生的電流方向相反。當(dāng)補(bǔ)償電流使船體電位趨于自平衡電位附近時(shí)，船殼表面的腐蝕電流值I0→0 A，此時(shí)大部分補(bǔ)償電流通過(guò)螺旋槳返回船體，若該電流值為I1，螺旋槳與補(bǔ)償陽(yáng)極之間的距離為L(zhǎng)1，則等效電偶極矩Q1=I1L1. 在一般情況下I1是I0的數(shù)倍，但是L1?L0，從而導(dǎo)致Q1明顯小于自然腐蝕狀態(tài)的Q0值，從而達(dá)到了降低靜電場(chǎng)的目的。補(bǔ)償狀態(tài)下的等效電偶極子模型如圖2所示。

圖2 補(bǔ)償狀態(tài)下等效電偶極子模型Fig.2 Equivelent electric dipole in current compensation state

在實(shí)現(xiàn)外加電流補(bǔ)償技術(shù)時(shí)，一種合適的方法是基于補(bǔ)償電流與軸電流的比值κ作為控制參量。仿真計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)0.82≤κ≤1.18時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船靜電場(chǎng)的有效抑制[11-12]。一艘中型艦船仿真計(jì)算得到κ與水下電場(chǎng)峰- 峰值的關(guān)系如圖3所示，其中橫坐標(biāo)為補(bǔ)償電流I. 由圖3可知，隨著補(bǔ)償電流的增加，水下電場(chǎng)的峰- 峰值Up-p先減小、后增加，Up-p最小時(shí)對(duì)應(yīng)的κ值處于1.0附近，為采用電流補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)隱身奠定了基礎(chǔ)。

圖3 κ與水下電場(chǎng)峰- 峰值的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between κ and peak-peak value of electric field

2 ASG技術(shù)

在電化學(xué)腐蝕和防腐過(guò)程中，無(wú)論是腐蝕電流還是保護(hù)電流，都將從陽(yáng)極(分別對(duì)應(yīng)船殼和輔助陽(yáng)極或犧牲陽(yáng)極)通過(guò)海水流向陰極(螺旋槳)，再經(jīng)過(guò)尾軸、軸承、聯(lián)軸器、齒輪等接地結(jié)構(gòu)返回到船殼，形成回路。一艘艦船的尾部結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中R1、R2、R3、R4分別表示后軸承、前軸承、軸接地裝置和推力軸承處的軸地電阻。

圖4 一艘艦船的尾部結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of stern

由圖4可知，腐蝕和防腐電流經(jīng)過(guò)尾軸時(shí)可以通過(guò)多條路徑返回船殼，若忽略大軸電阻，則船體內(nèi)部的軸- 地等效電阻Rb可視為由多個(gè)電阻并聯(lián)的結(jié)果，如圖4中的軸- 地等效電阻Rb可表示為

(1)

軸頻電場(chǎng)主要是因軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中Rb的波動(dòng)而產(chǎn)生，研究表明：若減小軸和地之間的電位差，則可有效抑制軸頻電場(chǎng)信號(hào)[13-14]，即在船體內(nèi)部安裝ASG系統(tǒng)，使軸地等效電阻降低為0 Ω(實(shí)際系統(tǒng)可保證等效電阻為20 μΩ)，此時(shí)軸電流將從低電阻路徑的ASG系統(tǒng)返回船殼，ASG系統(tǒng)的輸出電流即近似為軸電流。2016年3月在湛江海域，對(duì)一艘中型船舶A在不同航速航行時(shí)的軸電流和ASG系統(tǒng)的輸出電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)采樣頻率為100 Hz，低通濾波器截止頻率為5 Hz，其中，軸電流的監(jiān)測(cè)裝置采用無(wú)接觸電流傳感器(見(jiàn)圖5)。該船舶不同航速條件下的ASG輸出電流與軸電流均值如表1所示，其中參比電極的保護(hù)電位均為-0.8 V.

圖5 電流傳感器安裝示意圖Fig.5 Schematic diagram of current sensor installation

航速為5.8 kn、參比電位為0.8 V時(shí)，左舷及右舷的軸電流及ASG輸出電流如圖6所示(ASG系統(tǒng)工作時(shí)刻為40.2 s)。由圖6可知，在ASG系統(tǒng)工作后：左舷、右舷的軸電流交流波動(dòng)成分明顯減小，直流信號(hào)幅度有明顯增大；測(cè)量得到的軸電流有下降趨勢(shì)，這是因?yàn)锳SG系統(tǒng)開(kāi)啟后一段時(shí)間內(nèi)陰極保護(hù)系統(tǒng)的極化過(guò)程引起的；ASG系統(tǒng)輸出的電流值與電流傳感器的測(cè)量值差別相對(duì)較小，且變化趨勢(shì)一致(電流傳感器安裝在軸上，測(cè)軸電流)。綜合表1和圖6的試驗(yàn)結(jié)果可知，ASG系統(tǒng)輸出電流與軸電流具有較好的一致性，僅靜態(tài)電流存在部分偏差，相對(duì)誤差約5%左右，應(yīng)為ASG系統(tǒng)輸出電流的測(cè)量誤差。

表1 不同狀態(tài)下ASG輸出電流與電流傳感器 測(cè)量值Tab.1 Output currents of ASG and measured currents of sensor in different states

圖6 航速5.5～5.8 kn時(shí)的軸電流與ASG輸出電流Fig.6 Shaft current and ASG output at 5.5-5.8 kn

3 軸靜一體化控制方法

3.1 電流補(bǔ)償技術(shù)對(duì)軸頻電場(chǎng)的影響

采用外加電流補(bǔ)償技術(shù)后，相對(duì)于自然腐蝕狀態(tài)，軸電流將增加。由軸頻電場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)理可知，在相同波動(dòng)條件下，軸頻電場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度因軸電流的增加將增大。不同補(bǔ)償電流時(shí)船舶A的軸電流如表2所示。其中，試驗(yàn)時(shí)在船體尾部安裝了補(bǔ)償陽(yáng)極，并利用圖5所示無(wú)接觸電流傳感器對(duì)不同補(bǔ)償電流時(shí)的軸電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，螺旋槳保持靜止?fàn)顟B(tài)。

表2 某中型船舶不同外加補(bǔ)償電流時(shí)的軸電流Tab.2 Shaft current of a middle sized ship under different compensation currents A

由表2可發(fā)現(xiàn)，隨著補(bǔ)償電流的增加，軸電流信號(hào)明顯增加，補(bǔ)償電流引起的軸電流增加量約占補(bǔ)償電流的50%左右。一艘縮比艦船模型靜電場(chǎng)隱身前后的靜電場(chǎng)及軸頻電場(chǎng)信號(hào)包絡(luò)的峰- 峰值如表3所示，其中Ex、Ey、Ez分別表示沿x軸、y軸、z軸(垂直)方向上的電場(chǎng)。由表3可知，當(dāng)采用外加電流補(bǔ)償時(shí)，軸頻電場(chǎng)信號(hào)的包絡(luò)峰- 峰值明顯增加，Ex包絡(luò)的峰- 峰值增大了1.5倍。綜合上述分析可知，采用電流補(bǔ)償技術(shù)降低靜電場(chǎng)信號(hào)時(shí)，將導(dǎo)致軸電流與軸頻電場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)度增加。

表3 一縮比模型靜電場(chǎng)隱身前后的靜電場(chǎng)及軸頻 電場(chǎng)信號(hào)包絡(luò)的峰- 峰值Tab.3 Envelope values of static and shaft-rate electric fields of a scaled ship model in static electric field stealthy state

3.2 ASG系統(tǒng)對(duì)靜電場(chǎng)的影響

以船殼→海水→螺旋槳→軸接地→船殼構(gòu)成的電化學(xué)系統(tǒng)回路為例，回路的等效電路如圖7所示。圖7中：φa為陽(yáng)極電位；φc為陰極電位；Z1表示上虛線框內(nèi)的等效阻抗，即由面積為S1的船體在海水中的泄漏電阻Rs1、船體涂層阻抗(涂層電阻Rc1和涂層容抗1/ωCc1)和船體極化阻抗(極化電阻Rp1和界面雙電層容抗1/ωCd1)組成；Z2表示下虛線框內(nèi)的等效阻抗，即由面積為S2的螺旋槳在海水中的泄漏電阻Rs2和螺旋槳極化阻抗(極化電阻Rp2和界面雙電層容抗1/ωCd2)組成；Rb為船體內(nèi)部回路軸地等效電阻。

圖7 軸頻電場(chǎng)產(chǎn)生的等效電路Fig.7 Equivelent circuit diagram of shaft-rate electric field

在電導(dǎo)率為σ的海水中，系統(tǒng)中的回路阻抗為

Z=Z1+Z2+Rb.

(2)

由圖7可得船殼→海水→螺旋槳→船殼回路中的電流為

(3)

在ASG系統(tǒng)工作前后，海水中的穩(wěn)態(tài)電流Iw由Ew/(Rb+Rw)變化為Ew/Rw，其中Ew為腐蝕回路的穩(wěn)態(tài)電勢(shì)差，Rw為腐蝕回路中除軸地等效電阻Rb以外的穩(wěn)態(tài)電阻。由此可知，當(dāng)Rb的值較大時(shí)，ASG系統(tǒng)工作后，將導(dǎo)致海水中電流Iw增大，即螺旋槳電流增大，由于靜電場(chǎng)信號(hào)的主要源為螺旋槳，靜電場(chǎng)信號(hào)也將增大。通常情況下，實(shí)船的回路總電阻(Rb+Rw)為幾百毫歐～幾歐姆，被動(dòng)軸接地電阻不足20 mΩ，因此當(dāng)采用ASG系統(tǒng)后，將被動(dòng)軸接地系統(tǒng)的電阻將等效為0 Ω時(shí)，對(duì)回路的總電阻影響不大，即回路中的電流變化不大，進(jìn)而靜電場(chǎng)變化不大[15]。但當(dāng)被動(dòng)軸接地系統(tǒng)碳刷和滑環(huán)電阻值Rb較大時(shí)，ASG系統(tǒng)工作后，將導(dǎo)致軸電流的明顯增大，從而導(dǎo)致靜電場(chǎng)增大。一艘中型船舶ASG系統(tǒng)開(kāi)啟前后的靜電場(chǎng)信號(hào)如圖8所示。

圖8 一艘中型船舶ASG系統(tǒng)工作前后水下電場(chǎng)Ex信號(hào)Fig.8 Ex of a middle sized ship in ASG state

3.3 一體化控制方案

由3.1節(jié)和3.2節(jié)分析可知，電流補(bǔ)償?shù)撵o電場(chǎng)與ASG技術(shù)的軸頻電場(chǎng)隱身方法分別對(duì)軸頻電場(chǎng)和靜電場(chǎng)有影響。同時(shí)，由第1節(jié)分析可知，在實(shí)施外加電流補(bǔ)償時(shí)，可采用補(bǔ)償電流與軸電流的比值κ作為控制參量，而由第2節(jié)分析可知，ASG系統(tǒng)的輸出電流即為軸電流信號(hào)。因此，為了有效降低靜電場(chǎng)與軸頻電場(chǎng)信號(hào)，應(yīng)實(shí)施綜合控制。為此，本文在第1和第2節(jié)的基礎(chǔ)上，提出軸靜一體化控制方法，示意圖如圖9所示。

圖9 軸靜一體化控制流程圖Fig.9 Diagram of integrated control of shaft-rate and static electric fields

圖9所示方法利用ASG系統(tǒng)的輸出電流作為軸電流Ib，也可以采用無(wú)接觸電流傳感器測(cè)量軸電流，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明二者的所測(cè)軸電流值基本一致；然后采用微處理器基于增量式PI控制算法實(shí)時(shí)調(diào)整補(bǔ)償電流I1的輸出值，目標(biāo)是使I1與Ib的比值保持為預(yù)先設(shè)定值κ.

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證軸靜一體化控制的效果，在第3節(jié)基礎(chǔ)上研制兩臺(tái)原理樣機(jī)，并進(jìn)行縮比模型和海上試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)時(shí)兩臺(tái)原理樣機(jī)分別對(duì)應(yīng)左舷、右舷兩側(cè)安裝。

4.1 縮比模型試驗(yàn)

1∶50縮比模型及尾部補(bǔ)償陽(yáng)極如圖10所示，船體結(jié)構(gòu)為涂層鋼，螺旋槳為青銅槳。由于此次試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證軸靜一體化控制系統(tǒng)的性能，所以海水電導(dǎo)率仍為4 S/m(未按照縮比模型法設(shè)定為0.08 S/m)以增大信號(hào)的強(qiáng)度。

圖10 縮比模型Fig.10 Scaled ship model

試驗(yàn)前期，首先通過(guò)電化學(xué)工作站手動(dòng)調(diào)整補(bǔ)償陽(yáng)極的輸出電流，并實(shí)時(shí)記錄軸電流大小，測(cè)量發(fā)現(xiàn)當(dāng)補(bǔ)償電流與軸電流的比例系數(shù)κ為1.18時(shí)隱身效果較好。在此基礎(chǔ)上，將軸靜一體機(jī)的補(bǔ)償系數(shù)κ設(shè)定為1.18，系統(tǒng)自動(dòng)工作，水深1.0B(B為模型寬度)處，正橫距為0 cm時(shí)，自然腐蝕及軸靜電場(chǎng)隱身時(shí)的軸頻電場(chǎng)、靜電場(chǎng)如圖11所示，其中系統(tǒng)工作時(shí)間為10～85 s. 圖11中U為電位值，在試驗(yàn)中只測(cè)量了水下電位值，因?yàn)殡妶?chǎng)值即是對(duì)電位值求梯度，所以用電位值變化表征電場(chǎng)抑制效果是合適的。

圖11 隱身前后的電位信號(hào)UFig.11 Stealthy effect of electric potential U

試驗(yàn)時(shí)，補(bǔ)償電流與ASG輸出電流的波形如圖12所示，可見(jiàn)補(bǔ)償電流與ASG輸出電流比值跟蹤得較好。

圖12 補(bǔ)償電流與ASG輸出電流的波形Fig.12 Compensation current and ASG output current

4.2 實(shí)船試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)性能，2017年1月于湛江進(jìn)行港口試驗(yàn)，試驗(yàn)船舶為中型拖船，測(cè)量方法示意圖如圖13所示。待測(cè)船螺旋槳低速旋轉(zhuǎn)，測(cè)量傳感器安裝在測(cè)量船(木制漁船)兩側(cè)，測(cè)量船沿待測(cè)船縱向平行方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)記錄水下電場(chǎng)信號(hào)，測(cè)量系統(tǒng)采樣頻率為100 Hz.

圖13 船體電場(chǎng)測(cè)量示意圖Fig.13 Schematic diagram of electric field measuring

圖14 拖船的水下電場(chǎng)信號(hào)ExFig.14 Underwater electric field Ex of a tugboat

靜電場(chǎng)與軸頻電場(chǎng)綜合隱身前后，該船的水下電場(chǎng)信號(hào)Ex如圖14所示，其中，測(cè)線的正橫距為8.6 m(近似等于0.5B)，測(cè)量水深為1.0 m. 自然腐蝕狀態(tài)下，船舶的首尾時(shí)刻分別為30 s和142 s，隱身狀態(tài)下，船舶的首尾時(shí)刻分別為46 s和155 s. 由圖14可知，軸頻電場(chǎng)的抑制效果可達(dá)90%以上，靜電場(chǎng)的抑制效果為55%以上，實(shí)現(xiàn)了靜電場(chǎng)與軸頻電場(chǎng)的一體化控制。

5 結(jié)論

本文在仿真數(shù)據(jù)、縮比模型試驗(yàn)和實(shí)船試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)軸頻電場(chǎng)隱身方法、靜電場(chǎng)隱身方法及二者之間的關(guān)系展開(kāi)了研究。得出以下主要結(jié)論：1)外加電流補(bǔ)償技術(shù)將導(dǎo)致軸電流與軸頻電場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)度增加；2)ASG系統(tǒng)將導(dǎo)致軸電流的明顯增大，從而導(dǎo)致靜電場(chǎng)增大；3)ASG系統(tǒng)輸出電流即為軸電流。在以上結(jié)論基礎(chǔ)上，提出軸靜一體化隱身方案，并研制了軸靜一體化電場(chǎng)隱身原理樣機(jī)，通過(guò)船模和實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證了一體化控制方法的有效性。下一步的研究重點(diǎn)是明確一體化控制系統(tǒng)的控制參量與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的關(guān)系。