潜艇应力导致的磁场变化及其对空中磁探的影响

陈瀚斯，赵文春，刘胜道，周国华，高俊吉



潜艇应力导致的磁场变化及其对空中磁探的影响

陈瀚斯，赵文春，刘胜道，周国华，高俊吉

(海军工程大学电气工程学院， 武汉 430033)

潜艇壳体受水压作用导致潜艇磁场的变化属于铁磁质磁致伸缩的逆效应，而不同的潜航深度对潜艇磁场造成的影响也会不同。本文在归纳分析了铁磁学中磁力耦合理论知识的基础上，用气体膨胀力代替海水外压力设计了潜艇模型在不同航向上的升降压试验，并基于面磁荷模拟法，建立了潜艇模型对抗空中磁探潜的数学模型，对潜艇模型在各压力状态下的磁场进行空间延拓，定量分析了磁场随压强的变化规律。研究结果表明：不同磁化状态下相同应力对潜艇模型磁场的影响显著不同；在模拟对抗空中磁探潜时，考虑潜深改变导致的潜艇模型磁场变化有重要意义。

潜艇磁隐身 空中磁探潜 磁致伸缩

0 引言1

潜艇在现代海战中有着突出的战略地位，隐蔽性决定了其生命力、战斗力和威慑力。为对抗来自水中磁性武器和空中磁探测的威胁，必须提高潜艇的磁隐身能力。目前国内外主要采用磁性处理[1]、舰载消磁系统[2]等技术来降低潜艇磁性。水中磁性兵器和高空磁探技术的迅速发展，对潜艇磁隐身技术提出了更高的要求，世界各海上强国均在对潜艇磁场进行更贴近实战的研究。潜艇在不同深度航行时所受压力会发生显著变化，由铁磁学中磁致伸缩理论可知潜艇磁场也将发生改变。为掌握潜艇水下航行时空间磁场分布规律，亟待研究压力对潜艇磁场的作用机理及变化规律。

1 力磁相互作用的铁磁学基本原理

1.1 磁致伸缩的宏观性质

一般来说，磁致伸缩是指物体在磁化过程中其长度或体积发生形变的现象[1]，长度的变化称为线性磁致伸缩，简称磁致伸缩。

磁致伸缩的表达式

图1 l随H变化的蝴蝶状曲线

1.2 磁致伸缩的逆效应

1.3 磁弹性能的表达式

如图2所示，在已磁化的物体某一方向上施以应力，应力作用使椭球长轴由原磁化方向转到应力方向，从而使物体的线度发生变化。

应力在单位体积内作的功为：

图2 各向同性物体加应力后形变示意图

1.4 磁应力对自发磁化的影响

图3 应力对自发磁化的影响

所以，应力会使自发磁化强度沿一些固定的方向排列，当沿这些方向磁化时会很容易磁化，与之垂直时会很困难，显现出各向异性。而这种磁致伸缩和应力引起的各向异性称之为磁致伸缩的各向异性。

2 潜艇模型磁场受应力影响的试验研究

由上述理论可知潜艇磁场与所受应力之间必然存在某种关系，但难以从理论上推导出此种解析关系式，所以通过试验定性、定量地研究潜艇模型磁场受应力的影响。实验室环境如图4所示。

（a）主视图

（b）俯视图

图4 实验室示意图

根据现实中潜艇执行任务情况，分析潜艇可能面临的水压强度，采用长140 cm，直径21.5 cm的耐压气瓶作为简易潜艇模型进行本试验。依据上述理论，试验中通过空气增压机向潜艇模型加压，利用高压气体的压力来模拟潜艇下潜时受到的海水压力，并测量记录船模下方和上方磁场随压力的变化情况。在东航向和北航向上分别进行潜艇模型加压卸载试验，压力由0.1 MP增加到8 MPa，对应潜艇从水面下潜到水下800 m的压力变化情况，测量距离为满载水线下1.5倍船宽和水线以上1.5倍船宽。北航向上测量结果如图5，东航向上测量结果如图6所示。

（a）潜艇模型下方磁场与应力关系

（b）潜艇模型上方磁场与应力关系

图5 东航向的测量结果

从图中可以看出，潜艇模型下方和高空的垂向磁场随着内部膨胀力的增加而显著减小，这与文献[3]中潜艇模型磁场随着外部挤压力的增加而增加的现象相吻合。总体来看，潜艇模型上方磁场变化率大于下方磁场，龙骨磁场变化率大于两舷的变化率且两舷磁场变化率基本一致。对比在东航向和北航向同一测量位置上的垂向磁场随压力的变化而发生的变量，如图7所示。

压力加载过程中，潜艇模型在东航向和北航向上，磁场随应力的变化趋势基本一致，但在北航向上磁场变化量明显大于模型在东航向时磁场变化，说明在不同磁化状态下应力对潜艇模型磁场的作用不同，这一现象与铁磁学中磁各向异性理论相吻合。

（a）潜艇模型下方磁场与应力关系

（b）潜艇模型上方磁场与应力关系

图6 北航向的测量结果

（b）龙骨下方磁场与应力关系

（b）龙骨上方磁场与应力关系

图7 不同航向上磁场与应力关系

3 力磁关系与对抗空中磁探潜的研究

现阶段，国外空中磁探测有效距离一般为500 m，考虑到未来磁探技术向更灵敏、更迅速、更广泛发展，我们将磁场最大换算距离定为900 m[4-6]。根据电磁波特性，磁场在水中和空中传播时的衰减可忽略，反潜飞机执行反潜任务时不宜进行高空飞行，一般飞行高度在100-300 m。综上考虑，利用面磁荷模拟法[7]进行磁场换算。考虑到空中磁场分布稀疏，为显示磁场波峰，将换算平面长度延长为6倍船长。利用面磁荷模拟法将潜艇从200 m水深下潜到600 m水深的磁场变化量，换算到反潜机的飞行高度范围内，绘制磁场变化量曲线，如图8所示。

图8 潜艇模型高空磁场随深度的变化关系

在仿真对抗空中磁探的数学模型中，为了隐蔽性考虑，认为潜艇模型出航后至少在水下200 m航行，一旦发现有反潜机逼近，会迅速下潜躲避，目前空中磁探测技术有效距离为500 m，本文认为当潜艇下潜至600 m水深后可视作安全深度。仿真计算表明，潜艇模型从深度200 m迅速下潜至600 m时，反潜机在工作高度上能测得磁场变化量为0.98 nT到10.3 nT，而反潜飞机的磁探仪灵敏度均高于0.5 nT，有的甚至达到了pT级。综合上述，对于潜艇模型在水下对抗空中磁探测而言，因外应力变化而导致磁场发生的改变，是不容忽视的。

4 结束语

本文以力磁相互作用的铁磁学基本原理为基础，针对潜艇耐压模型，设计力磁关系测量试验，并基于面磁荷模拟法建立反空中磁探测的仿真模型。分析试验结果，可以看出：1）潜艇模型上方磁场变化量和变化率均大于下方磁场，龙骨磁场变化率大于两舷的变化率且两舷磁场变化率基本一致；2）在东航向和北航向上，磁场随压力的变化趋势一致，但在北航向上潜艇模型磁场的变化更明显，建议潜艇在遂行任务时，尽可能在东航向上调整潜航深度，以减小潜艇磁场随压力的变化量；3）潜艇模型从200 m迅速下潜至600 m时，反潜机在工作高度上能测得磁场变化范围为0.98 nT-10.3 nT，考虑反潜仪的实际灵敏度，可以初步判断潜艇模型在下潜规避磁探测的过程中因水压增大导致的磁场改变量，能够被反潜飞机的磁探仪检测出来，从而对潜艇模型进行定位、打击。综上所述，利用潜艇磁隐身系统对抗反潜机磁探测时，应考虑不同潜深对磁场的影响。

[1] 周国华, 肖昌汉. 铁磁学[M]. 武汉: 海军工程大学，2014: 69, 90-93, 103-109, 116-119, 123.

[2] 殷莎. 应力对某型船钢磁场稳定性影响的试验研究[D]. 海军工程大学, 2010.

[3] 高俊吉, 张树, 周国华．应力对潜艇磁场的影响研究[J]. 船电技术, 2016, 36（9）: 77-80．

[4] Fundamentals of naval weapons systems. Chapter 9 Underwater Detection and Tracking Systems[M]. Weapons and Systems Engineering Department, United States Naval Academy,1989.

[5] 周国华, 肖昌汉, 刘胜道.潜艇钢材应力与磁变化关系研究[J]. 北京: 潜艇非声隐身技术研讨会, 2014，226-232.

[6] 周建军. 基于无人机平台的磁干扰补偿与磁异常探测方法研究[D]. 海军工程大学学报, 2014: 2-8.

[7] 刘胜道，赵文春.潜艇磁场数值计算[M]. 武汉：海军工程大学, 2016:89,131-134,139-145.

[8] 曹军红, 周耀忠, 郭成豹. 舰船动态消磁方法初步研究[J]. 海军工程大学学报, 2007, 19(6): 94-98.

[9] 张昌达. 关于磁异常探测的若干问题[J].工程地球物理学报, 2007, 4(6): 549-55

[10] Paul Leliak. Identification and Eealuation of diagnostics of magnetic-field sources of magnetic airborne detector equipped aircraft.[J]. IRE Transactions on Aerospace and Navigational Electronics. 1961.

[11] Schneider CS. Closed-loop multi-sensor control system and method [P]. U.S.Patent: 5189590, 1993- 02-23.

The Effect of External Stresses on Magnetic Field of A Submarine and Magnetic Detection in the Air

Chen Hansi, Zhao Wenchun, Liu Shengdao, Zhou Guohua, Gao Junji

（College of Electrical Engineering, Naval Univ. of Engineering, Wuhan 430033, China）

U666.134

A

1003-4862（2017）12-0051-05

2017-09-20

陈瀚斯（1994-），男，硕士研究生。专业方向：电气工程。E-mail: chs8000@163.com 赵文春（1974-），男，副教授。专业方向：电气工程。E-mail: Zhaowenchun@sina.com