艦船消磁的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王禹華

綜述

艦船消磁的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王禹華

（海軍裝備部，武漢 430064）

介紹了美國、德國、俄羅斯等國外和國內(nèi)艦船消磁現(xiàn)狀，從低磁化和閉環(huán)控制技術(shù)兩方面著手分析了艦船消磁發(fā)展趨勢。

消磁 現(xiàn)狀 趨勢

0 引言

磁場是艦船的固有物理屬性之一，主要分為固定磁場、感應(yīng)磁場、渦流磁場、腐蝕電流磁場和雜散磁場等組成，均為艦船本體磁場。固定磁場是艦船建造和航行過程中受加工制作、上浮下潛的壓力變化、武器發(fā)射以及海浪沖擊等因素導(dǎo)致的不隨地磁場變化的磁場，感應(yīng)磁場是鋼制艦船受地磁場作用產(chǎn)生的隨地磁場變化的感應(yīng)磁性。固定磁場和感應(yīng)磁場占艦船磁場的80%-90%，是目前艦船磁隱身控制的主要關(guān)注點(diǎn)，其中固定磁場抑制采用定期去消磁站磁性處理的措施，感應(yīng)磁場通過安裝消磁系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。

1 國外艦船消磁現(xiàn)狀

1.1 美國艦船消磁現(xiàn)狀

美國歷來十分重視艦船磁隱身，在消磁方面做了大量的工作。作為消除艦船固定磁場的主要場所，美國的消磁站屬于海軍岸基部隊(duì)，由海軍基地負(fù)責(zé)管理。美國在諾?？恕⑹サ?、夏威夷、關(guān)島等地都建有艦船專用消磁站。據(jù)有關(guān)資料顯示，美國海軍的艦船消磁站技術(shù)十分先進(jìn)，如在班戈的艦船消磁站內(nèi)，一艘俄亥俄級核艦船從進(jìn)入消磁站到完成消磁只需要8個小時左右。在消除艦船感應(yīng)磁場方面，美國非常重視消磁系統(tǒng)的安裝，其先進(jìn)的潛艇幾乎都采用了內(nèi)消磁技術(shù)，其DEGS型艦載消磁系統(tǒng)被認(rèn)為是世界上最先進(jìn)最有效的消磁系統(tǒng)。2004年建成服役的“弗吉尼亞”級攻擊核潛艇，為了防止在淺水海域活動遭受敵人水雷的襲擊，艇上裝備了先進(jìn)的消磁系統(tǒng)，能隨時進(jìn)行補(bǔ)償消磁，減少潛艇的磁場。海狼攻擊核潛艇“吉米·卡特”號，為了提高其隱身性能，同樣采取了消磁等一系列磁隱身措施。

1.2 德國艦船消磁現(xiàn)狀

德國擁有世界一流的艦船制造技術(shù)，對艦船的磁隱身非常重視。他們認(rèn)為艦船消磁除了防御水雷之外，更重要的是防磁探，提高隱身性。他們對艦船的磁性防護(hù)指標(biāo)制定的比較高：將艦船的磁性防護(hù)能力分為三個等級，按原始磁場與消磁后的磁場的比值（稱為“改善因子”）來進(jìn)行劃分，對反水雷艦艇的要求最高，達(dá)到100：1；對一般水面作戰(zhàn)艦艇要求4：1；而對潛艇則要求達(dá)到10：1。所以，德國制造的209、212、212A型潛艇都加裝了消磁系統(tǒng)[1]。其中，212和212A型潛艇的殼體采用奧氏體低磁鋼建造，專門選用了MTU公司的無磁柴油機(jī)等低磁化設(shè)備，艇殼內(nèi)部安裝了高性能、高可靠性的消磁繞組，利用地磁圖和導(dǎo)航信號對消磁電流進(jìn)行實(shí)時控制，使?jié)撏冀K保持低磁性狀態(tài)。德國SAM Electronics公司的新型消磁系統(tǒng)型號為DEG-COMP1。該公司從上世紀(jì)五十年代開始為聯(lián)邦德國海軍提供消磁系統(tǒng)設(shè)備，截止2006年為多達(dá)15個國家的海軍艦艇裝備了消磁系統(tǒng)設(shè)備。德國海軍艦艇絕大多數(shù)都安裝了消磁系統(tǒng)，包括水面戰(zhàn)斗艦艇、潛艇、登陸艦艇、反水雷艦艇、補(bǔ)給船等。

1.3 俄羅斯等國家艦船消磁現(xiàn)狀

韓國海軍在三十多年時間內(nèi)先后使用德國SAM Electronics公司提供的52艦套消磁系統(tǒng)和設(shè)備，裝備量最大的是被炸沉的天安號所屬的浦項(xiàng)級輕型護(hù)衛(wèi)艦（韓國叫警戒艦），多達(dá)28艘。其它20多艦套的設(shè)備同樣包括了大型驅(qū)護(hù)艦、兩棲戰(zhàn)艦艇、反水雷艦艇和輔助艦艇。其中從1995年開始建造的韓國海軍幾型標(biāo)志性水面艦艇，如KDX-3驅(qū)逐艦和獨(dú)島號兩棲登陸艦，都開始裝備DEG-COMP型分布式消磁系統(tǒng)。

印度海軍有16艘艦艇使用了德國SAM Electronics公司的產(chǎn)品，數(shù)量雖然不多，但全部集中在其自主研發(fā)的三型主戰(zhàn)驅(qū)護(hù)艦上（其余現(xiàn)役驅(qū)護(hù)艦均由俄羅斯購進(jìn)或設(shè)計(jì)）。從上世紀(jì)八十年代中期開始研制德里級時采用旋轉(zhuǎn)式消磁電源，到本世紀(jì)初的什瓦里克級和加爾各答級兩型驅(qū)護(hù)艦，已直接采用德國公司的DEG-COMP型分布式消磁系統(tǒng)。

俄羅斯海軍新一代艦艇消磁系統(tǒng)稱為“KDS型系統(tǒng)”，這套系統(tǒng)增強(qiáng)了抗干擾能力和可靠性，確保能自動抵消艦艇磁場變化，提高艦艇的磁隱身防護(hù)能力，屬于分布式消磁系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以非常便利地組合配置為專用于各級水面艦艇的KDS-703型和潛艇的KDS-701型兩種系統(tǒng)。這套系統(tǒng)的介紹中，特別指出除使用通常的控制消磁繞組電流進(jìn)行磁場補(bǔ)償外，對于局部磁場的補(bǔ)償還使用了電磁鐵。

2 國內(nèi)艦船消磁現(xiàn)狀

和世界各海軍國家一樣，我國艦船消磁控制設(shè)備也在三種控制方式上經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段。50年代中期，我國開始有了PA－52和CT、PT－49M兩型的艦船消磁系統(tǒng)控制設(shè)備。60年代初，我國改進(jìn)研制了XC－Ｉ型控制設(shè)備，該儀器的基本原理為羅經(jīng)控制，其信息源為電羅經(jīng)，其弱點(diǎn)是技術(shù)指標(biāo)較差，對于艦船因搖擺、縱傾而產(chǎn)生的磁場變化，它無法補(bǔ)償。為實(shí)現(xiàn)系列化保障，羅經(jīng)控制設(shè)備已不適宜裝船，在新建和改換裝的一般艦船上地磁解算式控制設(shè)備將逐步得到應(yīng)用[3]。在消磁電流控制設(shè)備方面，我國一直將重點(diǎn)放在有先進(jìn)控制功能的三分量磁強(qiáng)計(jì)式消磁控制設(shè)備系列上，相繼研制成功的XC－5G等適應(yīng)于不同艦型的多種型號控制設(shè)備[2]。為順應(yīng)時代要求，后續(xù)研究的“地磁解算式消磁電流自動控制儀”克服了“測地磁消艦磁”消磁系統(tǒng)電流控制儀中存在的抗干擾問題和生命力問題，該儀器適用于大型水面艦船及分段建造。在GPS、導(dǎo)航技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)高度發(fā)展的今天，利用最新的“地磁模式組”實(shí)現(xiàn)儀器的全自動化控制及滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的條件已經(jīng)成熟。

隨著發(fā)展的需要，我國的消磁技術(shù)中補(bǔ)償對象應(yīng)由原來只補(bǔ)償艦艇的感應(yīng)磁場，發(fā)展到在一定程度上根據(jù)需要補(bǔ)償艦艇剩余的三維固定磁場；補(bǔ)償范圍應(yīng)由原來只補(bǔ)償艦艇規(guī)定點(diǎn)的磁場，發(fā)展到在一定深度上的整個平面；補(bǔ)償精度應(yīng)由原來艦艇垂向分量磁場垂向雙層結(jié)構(gòu)補(bǔ)償形式、縱向磁場分量8字型水平補(bǔ)償形式，發(fā)展到艦艇垂向分量磁場垂向多層結(jié)構(gòu)補(bǔ)償形式、縱向磁場分量肋骨補(bǔ)償形式。

3 艦船消磁發(fā)展趨勢

3.1 低磁化

對普通的鐵磁性鋼制艦船，無論是固定磁場還是感應(yīng)磁場，其磁場都主要是由船體產(chǎn)生的。通過磁性處理和安裝消磁系統(tǒng)，能夠?qū)⑷艌隹刂频?103 nT量級[4]。如果對艦船磁場強(qiáng)度指標(biāo)提出更高要求，就必須使用低磁或無磁材料建造艇體。這類艦船雖不需要進(jìn)行艇體的磁性處理，但必須安裝消磁系統(tǒng)，主要用于補(bǔ)償艦船內(nèi)的設(shè)備磁場。同時針對裝備這類艦艇的鐵磁性設(shè)備，還有專用的設(shè)備磁場控制技術(shù)，也叫"設(shè)備低磁化技術(shù)"。比如德國和俄羅斯使用低磁金屬材料(低磁不銹鋼和鐵合金)建造艇體的低磁潛艇，其磁場強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)測量距離上，也都可以控制到 102nT 量級。

3.1.1艇體材料低磁化

由于艦船磁性隨距離增加迅速衰減，艦船下潛深度越大，艦船的隱秘性和生存力就越強(qiáng)。國外普遍采用高強(qiáng)度鋼，甚至是鈦合金鋼做潛艇艇殼，從而達(dá)到增加潛艇下潛深度的目的。造船鋼是一種特殊的鋼材。從磁性角度說，目前我國用于造船的低磁鋼種類較少，其主要性能指標(biāo)磁導(dǎo)率≤1.2，屈服強(qiáng)度405 Mpa。該種鋼價格約是普通鋼材的3倍，且強(qiáng)度指標(biāo)難以滿足需要、可焊性差、可加工性差。目前高強(qiáng)度低磁鋼種類較少，必需進(jìn)行研制、攻關(guān)。研制新型號艦船用鋼材，對于降低艦船磁性、增加下潛深度，從而提高隱身性能和生命力，是一條快速、有效的途徑。

3.1.2局部低磁化處理

當(dāng)艇殼采用高強(qiáng)度低磁鋼或低磁合金材料建造后，殼體的磁性是次要的，內(nèi)部設(shè)備的磁性是主要的。艦船內(nèi)部設(shè)備全部采用低磁材料建造，受原材料價格、機(jī)械性能和可加工性能等因素影響，設(shè)備價格將成倍增長?？梢詫Υ笮臀淦骷鞍l(fā)電機(jī)組等鐵磁性物質(zhì)集中設(shè)備進(jìn)行局部低磁化處理；同時，在全船布置消磁線圈對整個艦船磁性（包括設(shè)備磁性和殼體磁性）實(shí)時抵消。采用局部低磁化處理與全船敷設(shè)線圈消磁相結(jié)合的辦法，雖然比全部采用低磁設(shè)備磁性指標(biāo)會稍高，但造價低，且通過采用消磁繞組優(yōu)化設(shè)計(jì)、調(diào)整，以及先進(jìn)的消磁電流控制方式，仍可以達(dá)到滿意的效果。

3.2 閉環(huán)消磁技術(shù)

艦船總體磁場可分為固定磁場和感應(yīng)磁場兩類，艦船建造后，其感應(yīng)磁場在周圍空間的分布規(guī)律是確定的，艇載消磁系統(tǒng)能實(shí)時補(bǔ)償艦船的感應(yīng)磁場，而艦船的固定磁場經(jīng)過消磁站退磁處理后，雖能達(dá)到消磁標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，但艦船在執(zhí)行任務(wù)航行過程中，會受到地球磁場、海水壓力、風(fēng)浪、武器發(fā)射和設(shè)備運(yùn)行等各種因素的影響，其固定磁場是會發(fā)生變化的，隨著時間的累積，艦船的固定磁特征會越來越大并超出控制指標(biāo)。艦船磁場控制最有效的手段之一就是安裝艦載消磁系統(tǒng)。傳統(tǒng)的“開環(huán)”消磁系統(tǒng)[5]通過直接測量或數(shù)學(xué)模型的計(jì)算得到作用在艦船上的地球磁場，然后根據(jù)艦船感應(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，它僅能實(shí)時補(bǔ)償艦船的感應(yīng)磁場。對退磁處理后的剩余固定磁場，盡管可以在固定補(bǔ)償繞組中通一恒定的電流來進(jìn)行補(bǔ)償，但并不能補(bǔ)償因艦船“固定磁性”的改變而產(chǎn)生異常磁場。而由于海浪的沖擊、武器發(fā)射、艦船的下潛上浮及地球磁場的緩慢作用等，艦船的固定磁場會發(fā)生變化，“開環(huán)”消磁系統(tǒng)無法追蹤該變化，更無法及時對其進(jìn)行有效處理。為解決這一缺陷，美、俄等國開始研制和裝備閉環(huán)消磁系統(tǒng)。所謂閉環(huán)消磁是指在艦船感應(yīng)磁場經(jīng)過艇載消磁系統(tǒng)得到良好補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，針對艦船在航行過程中變化的磁場，通過在艦船內(nèi)部特征部位布置一定數(shù)量的傳感器，測量艦船內(nèi)部磁場，實(shí)時跟蹤磁性變化，優(yōu)化調(diào)整消磁繞組輸出的電流，減小艦船磁特征信號。閉環(huán)消磁系統(tǒng)可觀測固定磁場累積情況并真正做到“按需消磁”，可實(shí)現(xiàn)艦船磁場的最佳防護(hù)，保障艦船的磁隱身性，并減少艦船到固定消磁站進(jìn)行退磁處理的時間周期，滿足艦船作戰(zhàn)效能提高的需要。

[1] 唐劍飛, 桂永勝, 江能軍. 潛艇消磁系統(tǒng)綜述[J]. 船電技術(shù)，2005（6）：1.

[2] 徐連富. 智能全息消磁電流控制設(shè)備[J]. 機(jī)電設(shè)備, 1997（2）：20.

[3] 張榮. 消磁電流控制設(shè)備通用調(diào)試儀[J]. 電氣技術(shù)，1999（5）：32.

[4] 劉大明. 輔助艦船應(yīng)急消磁系統(tǒng)研究[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報，2002（4）：23.

[5] 劉大明. 艦艇閉環(huán)消磁技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J]. 船電技術(shù)，2011（10）：31.

The current situation and development trend of ship demagnetization

Wang Yuhua

( Naval Equipment Department, Wuhan 430064, China)

U665.18

A

1003-4862（2023）12-0008-03

2023-10-01

王禹華（1981-），男，高級工程師，研究方向：電氣工程。E-mail：361750711@qq.com