外國海軍艦艇閉環(huán)消磁技術(shù)應(yīng)用研究

賈曉輝

摘要：由于閉環(huán)消磁系統(tǒng)能實時監(jiān)測艦艇磁性變化，控制方式最為先進(jìn)，可以達(dá)到最好的消磁效果，因此成為了世界各主要海軍國家紛紛研制或裝備的重點(diǎn)，然而目前只有少數(shù)發(fā)達(dá) 國家掌握并應(yīng)用了該技術(shù)。通過相關(guān)資料的檢索分析并掌握這些國家海軍艦艇閉環(huán)消磁技術(shù)應(yīng)用情況對我國海軍艦艇攻關(guān)閉環(huán)消磁關(guān)鍵技術(shù)具有一定的參考意義?；诖耍疚木蛧庵饕獓液＼娕炌г陂]環(huán)消磁技術(shù)的研究與應(yīng)用方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：外國海軍艦艇;閉環(huán)消磁技術(shù)

前言

鋼鐵制成的艦艇在其周圍會產(chǎn)生磁場，這些磁場成為了水中磁性武器攻擊的信號源及反潛飛機(jī)進(jìn)行空中磁探的探測源[1]。艦艇磁場包括固定磁場和感應(yīng)磁場，艦艇必須定期到消磁站進(jìn)行退磁處理以消除其大部分固定磁場，由于感應(yīng)磁場隨艦艇的航向、緯度和姿態(tài)的改變而改變，因此，必須在艦艇上加裝消磁 系統(tǒng)進(jìn)行實時補(bǔ)償控制[2]。然而傳統(tǒng)的“開環(huán)”消磁

系統(tǒng)通過直接測量或數(shù)學(xué)模型的計算得到作用在艦艇上的地球磁場，然后根據(jù)艦艇感應(yīng)磁場 與地球磁場的關(guān)系進(jìn)行消磁系統(tǒng)電流的控制，因此它僅能實時補(bǔ)償艦艇的感應(yīng)磁場。對退磁處理后的剩余固定磁場，通過在固定補(bǔ)償繞組中通一恒定的電流來補(bǔ)償，因此不能補(bǔ)償因艦 艇“固定磁性”的改變而產(chǎn)生的異常磁場，而由于海浪的沖擊、武器發(fā)射及地球磁場的緩慢作用等，艦艇的固定磁場必然要發(fā)生變化，這就導(dǎo)致了艦艇的磁暴露危險。為了彌補(bǔ)這一缺陷，世界各主要海軍國家紛紛研制或裝備閉環(huán)消磁 （closed-1oop degaussing，簡稱CLDG）系統(tǒng)[3]。

1閉環(huán)消磁的定義

所謂閉環(huán)消磁，就是在艦艇內(nèi)部特征部位布置一定數(shù)量的傳感器，利用磁場測量數(shù)據(jù)，建立艦艇外部空間磁場的數(shù)學(xué)模型并計算目標(biāo)深度或高度上的磁場值，然后根據(jù)預(yù)先保存在計算機(jī)存儲器中的消磁繞組效率，優(yōu)化計算出在目標(biāo)深度或高度上的磁性達(dá)到最小的消磁 繞組中的電流值，并進(jìn)行實時調(diào)整，使得艦艇外部目標(biāo)深度或高度上的總磁場達(dá)到最小。其中如何從船上測得磁場數(shù)據(jù)并準(zhǔn)確推算船外磁場是構(gòu)建閉環(huán)消磁系統(tǒng)的核心技術(shù)。

2外國海軍艦艇閉環(huán)消磁技術(shù)研究與應(yīng)用

查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)美國已在低磁鋼艦艇、鋼殼水面艦和核潛艇上都成功應(yīng)用了閉環(huán)消磁系統(tǒng);英國則在核潛艇上進(jìn)行了應(yīng)用，其它艦艇是否應(yīng)用不詳;澳大利亞即將在潛艇上安裝;法國和意大利在低磁鋼艦艇上進(jìn)行了成功應(yīng)用[4]。下面詳細(xì)介紹幾個主要國家海軍艦艇消磁技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

CLDG的研究始于20世紀(jì)90年代初，當(dāng)時美國馬里蘭州的海軍水面作戰(zhàn)中心與法國GESMA合作研制反水雷艦艇閉環(huán)消磁系統(tǒng)。其中法國采用其“Cybele”級掃雷艦作為閉環(huán)消磁系統(tǒng)的測試平臺，美國則采用其“Avenger”級掃雷艦作為測試平臺。對于法國海軍來說，由于缺乏可用的磁場測量設(shè)施，他們選擇使用有限元這種數(shù)字建模技術(shù)作為研究方法;美國海軍則選擇使用經(jīng)驗方法，即采用物 理模型和傳感器測量來建立閉環(huán) 消磁算法。1994年，美國查爾斯頓海軍船廠在“Avenger ”級十號艦上安裝了第一套閉環(huán)消磁系統(tǒng)樣機(jī)，通過海上試驗對該系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究和開發(fā)。后來又轉(zhuǎn)向了鋼殼艦艇閉環(huán)消磁系統(tǒng)的研制。1999年計劃初步研制適用于鋼殼戰(zhàn)斗艦的CLDG 系統(tǒng)，包括船上傳感器套件和控制算法;詳細(xì)說明并初步采購CLDG組件。2000年計劃完成CLDG傳感器研制和采購;實施全尺度CLDG站試驗。2001美國通過合同方式要求BAE系統(tǒng)公司為其MDG1701系統(tǒng)加裝閉環(huán)消磁部分。相關(guān)專利文獻(xiàn)中指出2艘美國海軍艦艇上安裝的閉環(huán)消磁系統(tǒng)在理論上的誤差可達(dá)到10%，利用該專利中的改進(jìn)算法，理論 上的誤差可減小到最大5%。最近在DDG 1000計劃的先進(jìn)技術(shù)演示中，安裝在“Arlei gh Burke（DDG51）” 級驅(qū)逐艦上的閉環(huán)消磁系統(tǒng)原型展示了如何在前線戰(zhàn)區(qū)檢測和補(bǔ)償艦艇大的固定磁場變化。美國最新的“VIRGINIA”級核潛艇安裝了閉環(huán)消磁系統(tǒng)，從而使得其磁隱身性能優(yōu)于“SEAWOLF”級等其它核潛艇。

法國在“Circe”級反水雷艦（船殼為無磁材料）上安裝了閉環(huán)消磁系統(tǒng)，但在鋼殼艦上的 應(yīng)用尚未見報道。然而，法國一直堅持采用數(shù)字建模技術(shù)進(jìn)行閉環(huán)消磁系統(tǒng)研究，相關(guān)資料顯示早在1991年就有法國專家用有限元方法為艦艇磁場建模并計算艦艇的感應(yīng)磁場。此后又有學(xué)者提出了一種跳躍勢的方法來給艦艇消磁繞組建模，解決了消磁電纜離鐵磁物質(zhì)太近而導(dǎo)致的計算精度低的問題。2001年的文獻(xiàn)資料顯示法國在閉環(huán)消磁系統(tǒng)數(shù)字建模技術(shù)上取得了重大突破，學(xué)者提出了將艦艇的薄殼體進(jìn)行簡化，并將感應(yīng)磁場的計算矩陣和船內(nèi)測量值矩陣合并在一起，然后采用積分方程法求解，從而使得船外磁場的測量值與預(yù)測值吻合得很好。2005年，相關(guān)學(xué)者研究了船內(nèi)傳感器位置優(yōu)化方法及艦艇磁場反演算法的魯棒性，使閉環(huán)消磁技術(shù)向?qū)嵱糜诌~進(jìn)了一步，文獻(xiàn)研究了雙層殼體潛艇上閉環(huán)消磁系統(tǒng)的應(yīng)用問題。將磁場傳感器敷設(shè)在兩殼體之間，求解了從測量值得到殼體磁化狀態(tài)的逆問題，并計算 了潛艇的磁信號。文中還開發(fā)了一種特別的算法并通過測量進(jìn)行了驗證，驗證實驗采用了一個約3.5m長的潛艇模型，模型內(nèi)敷設(shè)了80個磁通門傳感器。對給定的磁狀態(tài)，通過逆問題求解得到了兩層殼的磁化。預(yù)測的信號與測量的信號作了比較，兩者吻合得非常好。從這些文獻(xiàn)和報道可以看出，法國利用數(shù)字建模技術(shù)開展閉環(huán)消磁系統(tǒng)的研究已取得了突破性進(jìn)展，相信已經(jīng)進(jìn)入了實用階段。

英國Bartington儀表有限公司提供磁場測量儀器，其中Grad- 03-12型號的梯度計專門設(shè)計用于閉環(huán)消磁系統(tǒng)。英國Ultra Electronics公司在其網(wǎng)站上聲稱能制造海軍艦艇上用于閉環(huán)消磁系統(tǒng)的磁場梯度計。英國專利文獻(xiàn)中給出了一種用于閉環(huán)消磁系統(tǒng)的磁場計算技術(shù)，并以潛艇為例進(jìn)行了詳細(xì)的公式推導(dǎo)。英國國防部的國防標(biāo)準(zhǔn)中專門談到了閉環(huán)消磁控制系統(tǒng)，該標(biāo)準(zhǔn)提到英國的“Vanguard”級彈道導(dǎo)彈核潛艇上已安裝了閉環(huán)消磁系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)中指出，閉環(huán)消磁控制系統(tǒng)適合于補(bǔ)償在永久磁性方面的持續(xù)和大的改變，例如潛艇下潛。完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)控制永久和感應(yīng)消磁電流，裁減版的則只控制永久消磁電流的變化。后者中，感應(yīng)消磁電流仍舊由開環(huán)消磁系統(tǒng)控制。裁減版的控制任務(wù)較為簡單，因為永久磁場的變化相當(dāng)緩慢。閉環(huán)控制系統(tǒng)的計算量非常大，一個周期的計算時間為幾分鐘，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于潛艇運(yùn)動速率。因此，潛艇運(yùn)動速率要求感應(yīng)消磁電流由開環(huán)控制系統(tǒng)控制，閉環(huán)系統(tǒng)只考慮固定磁場的變化，也就是說使用裁減版的閉環(huán)消磁控制系統(tǒng)。隨著計算能力的提升，完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)將成為可能。

3.結(jié)語

我國海軍艦艇閉環(huán)消磁的技術(shù)的應(yīng)用研究雖然也取得了不小的進(jìn)展，但是與世界海軍強(qiáng)國還存在不小的差距，通過研究外國海軍艦艇閉環(huán)消磁技術(shù)的應(yīng)用取得的經(jīng)驗可以為我國攻克閉環(huán)消磁關(guān)鍵技術(shù)，從而全面提高我國艦艇的磁隱身性能提供一定的借鑒 。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙文春，劉勝道.用于低磁鋼艦艇閉環(huán)消磁的船外磁場推算研究[J].船電技術(shù).2011，11（1）：6-8.

[2] 魏相文.艦艇消磁是怎么回事[J].兵工科技.2004，13（6）：71-71.

[3] 鄭建華，金祖平. 艦船消磁系統(tǒng)研究軟件[J].國外艦船工程.2011，14（3）：19-22.

[4] 肖昌漢，何華輝，王長榮.一種新的閉環(huán)消磁方法[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報.2207，13（2）：39-42.