移动式消磁站机动消磁保障方法优化改进

2022-08-31高俊吉

船电技术 2022年9期

胡欣，张迪，杨辉，高俊吉

移动式消磁站机动消磁保障方法优化改进

胡欣1，张迪2，杨辉3，高俊吉1

（1. 海军工程大学，湖北武汉 430033；2. 91315部队，辽宁大连 116041；3. 91370部队，福建福州 350015）

针对移动式消磁站在使用过程中可能出现的场地背景磁场变化和退磁场能量不足等制约其消磁保障能力发挥的实际问题，采取理论分析、计算仿真和实验验证的方法，逐一拆解，分析原因，提出相应优化改进措施，能够进一步提升移动式消磁站机动消磁保障效能和舰艇磁性防护水平。

移动式消磁站消磁优化

0 引言

舰艇周围空间的磁场是敌方探测设备及水中兵器用于探测和攻击的主要物理场。舰艇消磁就是采取现代电磁方法和控制技术来控制舰艇磁场，将舰艇磁场消除或补偿到一定范围内，是提高舰艇磁隐身性能的有效手段[1]。移动式消磁站是一种新型的消磁装备，与传统固定式消磁站具有一样的舰艇消磁功能，不同的是，移动式消磁站将电源系统、控制系统和测磁系统等设备集成在若干个集装箱内，可通过陆地或船载机动运输，大大提高了灵活性和隐蔽性。在合理区分保障对象后，其造价成本和生产周期也可以得到较好的控制，因此尤其适合在战时多地部署，对大量中小型舰艇进行快速应急消磁。

移动式消磁站适合于执行大量中小型舰艇战时应急机动消磁保障任务，平时可作为常规消磁力量的补充。由于功能定位和任务背景的不同，结合工作经验和实验论证，该装备在常规使用中一些影响保障能力发挥的困难问题可能会逐渐凸显出来，亟需加以分析，制定切实可行的解决措施，以确保其能够遂行各项使命任务。

1 消磁场地背景磁场变化对舰艇磁场测量精度的影响

1.1 问题描述

一般舰艇消磁需要在背景磁场均匀且稳定的低磁场地进行，以方便将舰艇磁场从背景磁场中分离出来。移动式消磁站对消磁阵地也有同样的要求。但考虑到战时应急条件，移动式消磁站不应提出类似固定式消磁站的严苛要求，应能在普通非低磁码头为舰艇消磁。此时需要对消磁场地进行少量适应性改造，尽量满足其工作条件。例如，根据码头实际情况定制专用消磁浮箱，一般采用铝合金或玻璃钢等低磁材料建造，漂浮绑定在舰艇和码头之间，既能使舰艇远离码头一定距离以减小码头磁场的干扰，又能调整舰艇航向至磁南（北）航向以减少敷设横向补偿线圈[2]，如图1所示。

图1 消磁码头布置示意图

（工作电缆取捷径铺放在码头上）

但是，即使采取了这样的隔离调整措施，在对舰艇通电磁性处理前后，舰艇所在位置的背景磁场还是会发生变化，从而可能会影响舰艇磁场分离精度。

1.2 原因分析

移动式消磁站采用直通式消磁方法，该方法不同于传统的旁通式消磁方法。其是在舰艇艏艉焊接专用连接器，将舰艇等效视为一段电阻，串联至工作线圈通电回路中，这样工作电流可直接流过船体，船体电流产生的工作磁场将舰艇内部磁筹打乱，使舰艇对外不显磁性[3,4,5]，如图2所示。

图2 传统消磁方法与直通式消磁方法的对比图

直通式消磁方法不用在船体外敷设螺线管工作线圈，因此在大量舰艇轮候集中消磁时能明显提高保障效率。为了产生足够的退磁磁场安匝量，要求工作线圈通过的电流较大。此时，铺放在码头上的工作电缆，通电后产生强大的磁场，必然会磁化钢筋混凝土建造的普通码头，进而造成背景磁场变化，如图1所示。如果背景磁场变化量持续增大，将会影响舰艇磁场测量和分析。

1.3 改进建议

一是选用合适的消磁码头。在建材选择上，普通码头虽无法达到低磁化要求，但最好使用钢筋混凝土材质，避免使用全钢铁材料建造的码头；在码头走向上，最好选择磁南北朝向或与其角度偏差不大的码头，便于舰艇南北向靠泊消磁；在码头结构上，最好选择固定式沉箱结构，避免使用高桩码头或浮码头，保证其具备足够的承载力和稳定性。

二是消磁场地水下背景磁场应尽量均匀稳定。可派潜水员携带测磁仪对海底背景磁场进行普测，并捞取水下铁磁物体。当舰艇标准测量深度的背景磁场值符合消磁要求时，即可正常开展工作。

三是减小码头磁场的干扰。在不影响航道和舰艇机动的情况下，可视情增加消磁浮箱的数量，从而让舰艇尽量远离码头。

四是改进工作电缆的布设方式。为减小工作电缆强磁场对码头的磁化影响，应将工作电缆靠近舷边从船艉集中返回电源车，如图3所示。此时，在靠近船艏、船舯的普通码头处，工作电路对码头磁化影响较弱。但船艉处工作电缆较为集中，对码头的磁化影响仍然较强。

图3 改进后的消磁码头布置示意图

（工作电缆沿左右两舷布设）

五是采取工作电缆磁场屏蔽措施。设计磁场屏蔽装置，将铺放在船艉附件码头上的工作电缆包裹起来，使其产生的磁场尽量不外泄，还可考虑将多余的工作电缆裁短。屏蔽装置要能以模块化的方式拆装组合，便于机动运输，如图4所示。

图4 消磁阵地工作电缆磁场屏蔽装置示意图

2 船舯上层建筑区段消磁效果

2.1 问题描述

移动式消磁站对舰模消磁时发现，船舯上层建筑区段处的固定磁场较难处理。在采取了增加布设水平补偿电缆等措施后，能在一定程度上降低该区段的固定磁场，但效果有限，导致最终仍有部分位置结果磁场不达标，如图5所示。

图5 磁性较难处理的船舯上层建筑区段示意图

2.2 原因分析

2.2.1 船舯周长大的部位工作电流密度小，产生的工作磁场偏小

移动式消磁站采用直通式消磁方法进行消磁，即利用直接在船体通电产生的磁场进行退磁。通过对直通式消磁工作磁场分布情况的分析计算，结合大量的物理模型试验，分析推导出工作电流强度与舰艇半径及周长之间关系的近似公式，从而可以根据舰艇的物理尺寸估算出所需工作电流强度，具体推导如下：

对于圆柱形空心物体，有：

式中，为退磁电流强度，单位为A；为半径，单位为cm；为进行退磁所需的表面磁场强度，单位为Oe。

对于非圆柱形空心物体，可取等效半径。所谓“等效半径”是指与该物体具有相同周长的圆柱体的半径，即：

式中，为非圆柱形空心物体的周长，单位为cm；为等效半径，单位为cm。

由(1) 、(2)可得，工作电流与船舯周长的关系为：

式中，为工作电流强度，单位为A；为船舯周长，单位为cm；为进行退磁所需的表面磁场强度，单位为Oe。

由此可见，消磁时船体表面磁场强度为工作电流强度与船舯周长比值的倍数，当工作电流强度一定时，船舯周长越大，表面磁场强度越小[6]。

移动式消磁站对舰模消磁时，采用测磁仪对消磁通电时各部位工作磁场进行了测量。在舰艇周长最大的位置，如指挥台第三层右侧，工作磁场仅为0.09，在烟囱顶端中间和指挥台外室右侧，工作磁场仅为0.15；而在舰艇平均周长处，工作磁场约为0.32，如表1所示。

表1 1#舰模工作磁场测量结果表（数据作归一化处理）

从消磁结果看，对于船舯上层建筑区段，消磁通电前后磁场变化较小，较难处理。原因分析：一是由于这艘舰模刚刚进行了改装，本身磁性较大；二是部分周长大的位置工作磁场强度不够；三是船舯上层建筑区段，舱室分布复杂，分散了电流密度，导致其产生的工作磁场偏小。

2.2.2船艏的工作电缆未贴近舷边返回船艉的电源，导致产生的工作磁场偏小

移动式消磁站的工作电流从主电源出发，通过专用电缆连接器流到船艉上，经过船体后，从船艏又通过专用电缆连接器回到主电源，构成一个通电回路[7]。从舷边返回的工作线圈要离开船舷1.0～1.5 m，如图6、图7、图8、图9所示。此时，舷边返回的电缆产生的磁场起到了加强船体磁化的作用。

图6 工作线圈俯视图

图7 工作线圈侧视图

图8 从舷边返回的工作线圈离开船舷的距离示意图

图9 工作线圈产生的磁场示意图

为减少工作电缆敷设的工作量，移动式消磁站一开始采取工作电缆直接铺放在码头上，再从码头取捷径返回电源的方式，而不是贴近舷边从船艏到船艉再返回电源。例如，工作电缆均从左舷经消磁浮箱取捷径返回电源，如图1所示。此时，工作电缆通电产生的磁场未充分作用在船体上，可能出现工作磁场能量不足的现象。实测中也发现，未贴近船舷返回电源车右侧的工作磁场明显偏小，如表2所示。

表2 1#舰模左右舷工作磁场对比表（数据作归一化处理）

为解决磁场能量不足的问题，移动式消磁站对2#舰模消磁时作了改进，将工作电缆靠近舰艇舷边从船艏返回到船艉，因此工作电缆通电产生的磁场利用率较高，如图3所示。此时，测得的左右舷工作磁场强度基本一致，舷边返回的电缆产生的磁场能对直接流经船体的电流产生的磁场起到加强作用，测磁结果如表3所示。

表3 2#舰模左右舷工作磁场对比表（数据作归一化处理）

为了更好地分析验证移动式消磁站工作磁场的分布特性，以对3#舰模消磁为例，对其进行了计算机仿真计算，计算结果如表4所示。

从表4中可以看出，左、右舷工作电缆单独作用时，各自分别对左、右舷产生作用；左、右舷工作电缆共同作用时，产生的工作磁场最大；工作电流越大，产生的工作磁场也越大。当通1#工作电流时，产生的磁场最大，但是磁场强度还是略显不足，尤其是对经过大修的舰艇，个别部位的工作磁场可能难以超过造船钢板的矫顽力，从而容易导致舰艇下方部分位置结果磁场不达标。