外加電流補(bǔ)償方法靜電場抑制效果研究

郭 昕，鄭攀峰，耿 攀，余定峰，楊文鐵，楊 帥，周 彤

應(yīng)用研究

外加電流補(bǔ)償方法靜電場抑制效果研究

郭 昕1，鄭攀峰2，耿 攀2，余定峰2，楊文鐵2，楊 帥2，周 彤2

（1. 中國艦船研究院，武漢 430000；2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北武漢 430205）

在深入研究外加電流補(bǔ)償方法基礎(chǔ)上，分析了補(bǔ)償陽極位置、補(bǔ)償陽極輸出電流對靜電場抑制效果的影響，結(jié)合船模試驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)論。試驗(yàn)結(jié)果表明，補(bǔ)償陽極位置應(yīng)盡量靠近螺旋槳，才能保證補(bǔ)償電流對靜電場的抑制效果；補(bǔ)償陽極輸出電流增加到一定程度時，靜電場抑制效果最佳。

艦船 靜電場 外加電流補(bǔ)償 陽極

0 引言

艦船船體材質(zhì)為鋼合金或鋁合金，而螺旋槳葉材質(zhì)一般為銅合金，船體與螺旋槳存在電連接，因而在海水電解質(zhì)中會形成電偶回路，并產(chǎn)生腐蝕電流，形成腐蝕電場。進(jìn)一步地，腐蝕相關(guān)電場可以分為靜電場、軸頻電場和工頻電場等。艦船腐蝕相關(guān)靜電場是其重要的目標(biāo)特性，是艦船的暴露源和水中兵器的被動信號源[1~3]。靜電場在海水中的強(qiáng)度可達(dá)mV/m的量級，易被水中引信武器攻擊，還可以被水下探測武器遠(yuǎn)距離探測和定位[4,5]。為了抑制艦船靜電場，目前采取的主要方法包括陰極保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、電場隔離結(jié)構(gòu)工藝以及外加電流補(bǔ)償?shù)萚6,7]。

本文在研究外加電場補(bǔ)償方法的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了補(bǔ)償陽極位置、補(bǔ)償陽極輸出電流對靜電場抑制效果的影響，并利用船模試驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)論的有效性。

1 基于外加電流補(bǔ)償?shù)撵o電場抑制方法

外加電流補(bǔ)償方法的基本原理如圖1所示。由于船體大部分位置會采取油漆、非金屬覆蓋等方式進(jìn)行防護(hù)，腐蝕電流集中從沒有進(jìn)行防護(hù)或防護(hù)失效的暴露點(diǎn)流向螺旋槳。外加電流補(bǔ)償方法在船體靠近螺旋槳位置布置補(bǔ)償陽極，通過補(bǔ)償陽極輸出與自然腐蝕電流方向相反的電流，以達(dá)到靜電場抑制的目的。

圖1 外加電流補(bǔ)償原理

艦船靜電場的理論分析模型主要是等效電偶極子理論[8~10]，即在較遠(yuǎn)處可視艦船靜電場源是由相互距離一定的兩個正、負(fù)電荷，且一般認(rèn)為負(fù)電位位置在螺旋槳位置處。等效電偶極子理論中直接表征靜電場大小的特征量為等效電偶極矩，其定義為等效正負(fù)電荷之間的電流大小與距離Δ的乘積，即=·Δ。

外加電流補(bǔ)償方法就是通過減小靜電場等效極矩，以達(dá)到減小靜電場的目的。

2 外加電流靜電場補(bǔ)償效果影響分析

由于船體暴露點(diǎn)眾多，本次分析可以將所有船體暴露點(diǎn)等效于船體上某一處，根據(jù)上述等效電偶極子理論，負(fù)電位位置在螺旋槳位置處，正電荷位置應(yīng)在等效暴露點(diǎn)處。等效電偶極矩分析示意如圖2所示。

圖2 電偶極矩分析示意圖

0為艦船自然腐蝕時的原始電偶極矩，1為外加電流補(bǔ)償后的艦船電偶極矩，應(yīng)有：

其中：F0為自然腐蝕時的船體流向螺旋槳的電流大小。Δ0為等效暴露點(diǎn)與螺旋槳之間的距離。F1為外加電流補(bǔ)償時的船體流向螺旋槳的電流大小。B1為補(bǔ)償陽極流向螺旋槳的電流大小。B2為補(bǔ)償陽極流向等效暴露點(diǎn)的電流大小。Δ1為補(bǔ)償陽極與螺旋槳之間的距離。Δ2為補(bǔ)償陽極與等效暴露點(diǎn)的距離。

無論是否開啟外加電流補(bǔ)償，螺旋槳浸泡在海水中的面積，以及其表面電流交換密度均維持不變，因此兩種工況下螺旋槳處得到的電流大小應(yīng)保持不變，即：

又易得出補(bǔ)償陽極總輸出電流B0有：

且：

綜合式（1）～（5），可得出補(bǔ)償電流輸出前后的電偶極矩變化為：

由式（6）可知，外加電流補(bǔ)償效果取決于補(bǔ)償輸出電流的大小以及補(bǔ)償陽極的位置。

進(jìn)一步分析可以得出如圖3所示結(jié)論：1）當(dāng)補(bǔ)償陽極位置位于螺旋槳與等效暴露點(diǎn)之間時，即Δ2＞0時，通過增大補(bǔ)償輸出電流B0，可以減小等效電偶極矩，從而減小靜電場；2）補(bǔ)償輸出電流大小等于0Δ2時，靜電場補(bǔ)償效果達(dá)到最佳，繼續(xù)增大補(bǔ)償電流大小會使得靜電場繼續(xù)增大甚至超過原始值；3）當(dāng)補(bǔ)償陽極位置比等效暴露點(diǎn)更遠(yuǎn)離螺旋槳時，即Δ2＜0時，增大補(bǔ)償輸出電流反而會直接增大等效電偶極矩，不能達(dá)到抑制靜電場的效果。

3 船模試驗(yàn)

為了驗(yàn)證外加電流靜電補(bǔ)償效果的影響分析結(jié)果，進(jìn)行了1：40等比例縮比船模試驗(yàn)，試驗(yàn)示意如圖4所示。

圖4 船模試驗(yàn)示意圖

在船模殼體表面距離螺旋槳不同距離處，貼裝3對補(bǔ)償陽極（左右舷對稱），其中陽極1距螺旋槳最近，陽極3距螺旋槳最遠(yuǎn)，陽極2居中。補(bǔ)償電源分別通過其中任一對陽極輸出補(bǔ)償電流，通過電場測量系統(tǒng)測量并記錄船模通過特性曲線。調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流大小在0~25 mA之間變化，得到靜電場峰峰值與補(bǔ)償電流大小的關(guān)系。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)補(bǔ)償陽極位置靠近螺旋槳時，如圖5（a）所示，增大補(bǔ)償電流大小，靜電場峰峰值先減小后增大，補(bǔ)償電流約6 mA時，靜電場補(bǔ)償效果最佳，靜電場峰峰值減小約51%。當(dāng)補(bǔ)償樣機(jī)位置漸漸遠(yuǎn)離螺旋槳，如圖5（b）、（c）所示，增大補(bǔ)償電流大小，靜電場峰峰值也相應(yīng)增大，沒有達(dá)到靜電場抑制的效果。船模試驗(yàn)結(jié)果與第2節(jié)的分析結(jié)論基本吻合。

圖5 靜電場峰峰值與補(bǔ)償電流大小的關(guān)系

4 結(jié)論

本文在對外加電流補(bǔ)償?shù)撵o電場抑制方法深入研究的基礎(chǔ)上，分析了補(bǔ)償陽極位置、補(bǔ)償輸出電流大小對靜電場補(bǔ)償效果的影響。補(bǔ)償陽極位置應(yīng)盡量靠近螺旋槳，才能保證補(bǔ)償電流對靜電場的抑制效果。補(bǔ)償電流大小一定時，能夠達(dá)到最佳的靜電場抑制效果。設(shè)計(jì)并完成了縮比船模試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果和分析結(jié)論基本吻合。下一步的研究重點(diǎn)是外加補(bǔ)償電流大小與腐蝕電流大小對應(yīng)關(guān)系。

[1] 龔沈光, 盧新城. 艦船電場特性初步分析[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, (2).

[2] 余定峰, 耿攀, 徐正喜, 陳濤. 基于有限元的水下航行器腐蝕靜電場特性分析[J]. 船電技術(shù), 2016, 36: 23-25.

[3] 余定峰, 耿攀, 徐正喜, 陳濤. 基于有限元仿真的水下航行器靜電場影響因素分析[J]. 船電技術(shù), 2015, 35(8): 6-9.

[4] NI Hua, YU Hubbard J C, Brooks S H, Torrrance B C.Practical measures for reduction and management of the electro-magnetic signatures of in-service surface ships and submarines[C]. Underwater Defence Technology Conference, London, 1996, 64-65.

[5] Harrison A S, Hubbard J C. An underwater electric potential (static electric) signature management toolkit for the non-specialist [J]. Conf. Proc. UDT Europe 1994: 477.

[6] 喻鵬, 姜潤翔, 程錦房. 艦船腐蝕相關(guān)靜電場隱身方法研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版), 2017, (6).

[7] 秦一平, 姜潤翔, 程錦房, 張伽偉. 基于外加電流補(bǔ)償?shù)呐灤o電場抑制方法[J]. 水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù), 2016, (1).

[8] 李俊, 包中華, 龔沈光等. 優(yōu)化ICCP 系統(tǒng)的船舶靜電場隱身研究[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 23(1): 67-72.

[9] 姜潤翔, 胡英娣, 龔沈光. 基于點(diǎn)電源的船舶靜態(tài)電場深度換算方法研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, (4).

[10] 陳聰, 龔沈光, 李定國. 基于混合模型的艦船腐蝕相關(guān)靜態(tài)電、磁場[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 42(3): 495-499.

Study on the Effect of Static Electric Field Reduction with Impressed Current Compensation

Guo Xin1, Zheng Panfeng2, Geng Pan2, Yu Dingfeng2, Yang Wentie2, Yang Shuai2, Zhou Tong2

(1. China Ship Research and Development Academy, Wuhan 430000, China；2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China)

U674.7

A

1003-4862（2021）04-0043-03

2020-09-27

郭昕（1987-），男，碩士。研究方向：艦船電磁場應(yīng)用與防護(hù)。E-mail: wdmzshq@outlook.com