船體狀態(tài)對(duì)電流補(bǔ)償式電場(chǎng)隱身控制參量的影響

孫 強(qiáng), 姜潤(rùn)翔, 喻 鵬, 程錦房

船體狀態(tài)對(duì)電流補(bǔ)償式電場(chǎng)隱身控制參量的影響

孫 強(qiáng)1, 姜潤(rùn)翔2, 喻 鵬1, 程錦房1

(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)

艦船電場(chǎng); 電流補(bǔ)償; 隱身; 控制參量

0 引言

降低艦船水下電場(chǎng)信號(hào)對(duì)提升艦船綜合隱身性能具有重要意義][[1-3], 目前, 針對(duì)靜電場(chǎng)隱身, 除改進(jìn)結(jié)構(gòu)工藝[4]等基本方法外, 主要有陰極保護(hù)優(yōu)化[5-7]和電流補(bǔ)償技術(shù)[8-10]2種方式。

1 電流補(bǔ)償基本原理

圖1 電流補(bǔ)償基本原理

2 涂層老化和破損對(duì)控制參量的影響

2.1 涂層老化影響

利用邊界元軟件, 對(duì)一艘中型艦船(如圖2所示)分別在船體涂層破損率為2%、4%、6%和8%條件下的最佳補(bǔ)償電流進(jìn)行了仿真計(jì)算, 每種狀態(tài)條件下以水下1.0(代表艦船型寬)平面的電場(chǎng)峰峰值最小為目標(biāo), 對(duì)補(bǔ)償陽(yáng)極輸出電流進(jìn)行了優(yōu)化, 不同涂層破損率條件下的軸電流、補(bǔ)償電流及水下電場(chǎng)值峰峰值如表1所示。表中的自腐蝕代表不進(jìn)行電流補(bǔ)償, 船體處于自然腐蝕狀態(tài);U-p代表水下電位峰峰值, 而||-p代表水下電場(chǎng)模值的峰峰值, 這2個(gè)參量均是評(píng)估電場(chǎng)隱身性能的重要指標(biāo)。

圖2 船體結(jié)構(gòu)示意圖

表1 不同涂層破損率條件下電場(chǎng)值、軸電流和最佳補(bǔ)償電流值

2.2 涂層局部破損影響

電阻率保持不變。每種狀態(tài)條件下, 基于邊界元優(yōu)化算法對(duì)補(bǔ)償陽(yáng)極的輸出電流進(jìn)行優(yōu)化, 目標(biāo)依然是使1.0平面的電場(chǎng)值最小。表2為不同船體位置極化電阻率變化時(shí), 自然腐蝕與隱身狀態(tài)下的軸電流、最佳補(bǔ)償電流及水下電場(chǎng)值。

由表2可以看出:

1) 船體涂層破損會(huì)導(dǎo)致軸電流增大, 且破損位置越靠近螺旋槳, 軸電流增加越明顯, 這是由于腐蝕回路電阻減小的緣故;

表2 不同位置極化電阻率變化時(shí)電場(chǎng)值、軸電流和最佳補(bǔ)償電流值

2) 船體涂層破損時(shí)(Ship 9位置的涂層破損除外), 通過(guò)在尾部安裝補(bǔ)償陽(yáng)極(即隱身狀態(tài)), 均可實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)信號(hào)的有效降低, 以電位峰峰值作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則, 電場(chǎng)抑制效果在75%~85%之間波動(dòng); 而Ship 9位置的涂層破損時(shí), 之所以不能有效實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)隱身, 主要是因?yàn)樵谠摲N狀態(tài)下, 自然腐蝕時(shí)的等效電偶極矩已經(jīng)接近該狀態(tài)下等效電偶極矩的最小值;

3 螺旋槳轉(zhuǎn)速對(duì)控制參量的影響

在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行1:50縮比船模試驗(yàn), 試驗(yàn)前先對(duì)材料的自然腐蝕電位進(jìn)行了測(cè)量, 其自然腐蝕電位最終穩(wěn)定在–0.69 V。在船體尾部增加了一塊與船體材料一致的材料A, 并利用液體密封膠將材料與船體粘結(jié)在一起(與船殼電絕緣), 然后通過(guò)一根導(dǎo)線與軸接地裝置相連接。利用無(wú)接觸電流傳感器測(cè)量軸電流和材料A上的電流, 同時(shí)在材料的表面放置有參比電極B, 也便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)材料A表面的電位, 補(bǔ)償陽(yáng)極C安裝于螺旋槳正上方, 如圖3所示。

參比電極B、船殼和補(bǔ)償陽(yáng)極C分別與電化學(xué)工作站的參比電極RE、工作電極WE和輔助電極的CE連接, 調(diào)整輔助陽(yáng)極的輸出電流, 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船模龍骨正下方20 cm處正橫0 cm的電位信號(hào)。利用電化學(xué)工作站動(dòng)態(tài)電流掃描輸出, 電流的變化率為0.005 mA/s, 設(shè)定螺旋槳轉(zhuǎn)速分別為150 r/min、200 r/min和300 r/min。表3~表5為對(duì)應(yīng)測(cè)量結(jié)果, 其中黑色加粗代表最佳隱身狀態(tài)。由于篇幅限制, 這里只列出部分?jǐn)?shù)據(jù), 但是仍能夠表征船體表面電位和電流等隨補(bǔ)償電流變化的趨勢(shì)。

表3 螺旋槳轉(zhuǎn)速為150 r/min的測(cè)試結(jié)果

表4 螺旋槳轉(zhuǎn)速為200 r/min的測(cè)試結(jié)果

表5 螺旋槳轉(zhuǎn)速為300 r/min的測(cè)試結(jié)果

由表3~表5可發(fā)現(xiàn):

1) 隨著補(bǔ)償電流的增大, 軸電流逐漸增大, 材料A表面電流由正值逐漸向負(fù)值變化, 即材料A由陽(yáng)極逐漸向陰極轉(zhuǎn)化, 電場(chǎng)的抑制比先增大后減小;

2) 當(dāng)材料A表面電流的絕對(duì)值接近于零時(shí), 不同螺旋槳轉(zhuǎn)速條件下電場(chǎng)的抑制是不一致的, 螺旋槳轉(zhuǎn)速越低, 其抑制比越大, 而隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的提高, 其抑制比的效果也逐漸變差, 這主要是由于材料A的位置是依據(jù)靜態(tài)條件下的極化曲線優(yōu)化計(jì)算得到的結(jié)果, 隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的提高, 氧的去極化反應(yīng)逐漸增強(qiáng), 螺旋槳極化電阻的變化引起局部電化學(xué)狀態(tài)變化較大, 靜態(tài)條件下優(yōu)化的結(jié)果已不適用于螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的結(jié)果, 此結(jié)論表明, 在選取材料A的位置時(shí), 應(yīng)依據(jù)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的極化曲線進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算;

3) 不同螺旋槳轉(zhuǎn)速條件下, 自然腐蝕狀態(tài)下參比電極的電位值和自然腐蝕時(shí)的電流值是不一樣的, 且隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的提高, 參比電極的電位逐漸向正方向移動(dòng), 自然腐蝕電流值逐漸變大, 這也是由于螺旋槳轉(zhuǎn)速提高時(shí), 氧的去極化作用增強(qiáng)、螺旋槳極化電阻減小引起的;

圖4 連續(xù)3次縮比模型試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

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Effects of Hull States on the Control Parameter of the Current Compensation Electric Field Stealth

SUN Qiang1, JIANG Run-xiang2, YU Peng1, CHENG Jin-fang1

(1. College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

ship electric field;current compensation; stealth; control parameter

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2020-07-03;

2020-08-15.

國(guó)家自然科學(xué)基金(51509252); 青島國(guó)家海洋實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目資助(2017WHZZB0202).

孫 強(qiáng)(1982-), 男, 在讀博士, 講師, 主要研究方向?yàn)檐娪媚繕?biāo)特性及信息感知技術(shù).

(責(zé)任編輯: 許 妍)