陳瀚斯，趙文春，劉勝道，周國華，高俊吉

?

潛艇應(yīng)力導(dǎo)致的磁場變化及其對空中磁探的影響

陳瀚斯，趙文春，劉勝道，周國華，高俊吉

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院， 武漢 430033)

潛艇殼體受水壓作用導(dǎo)致潛艇磁場的變化屬于鐵磁質(zhì)磁致伸縮的逆效應(yīng)，而不同的潛航深度對潛艇磁場造成的影響也會不同。本文在歸納分析了鐵磁學(xué)中磁力耦合理論知識的基礎(chǔ)上，用氣體膨脹力代替海水外壓力設(shè)計了潛艇模型在不同航向上的升降壓試驗，并基于面磁荷模擬法，建立了潛艇模型對抗空中磁探潛的數(shù)學(xué)模型，對潛艇模型在各壓力狀態(tài)下的磁場進(jìn)行空間延拓，定量分析了磁場隨壓強的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：不同磁化狀態(tài)下相同應(yīng)力對潛艇模型磁場的影響顯著不同；在模擬對抗空中磁探潛時，考慮潛深改變導(dǎo)致的潛艇模型磁場變化有重要意義。

潛艇磁隱身 空中磁探潛 磁致伸縮

0 引言1

潛艇在現(xiàn)代海戰(zhàn)中有著突出的戰(zhàn)略地位，隱蔽性決定了其生命力、戰(zhàn)斗力和威懾力。為對抗來自水中磁性武器和空中磁探測的威脅，必須提高潛艇的磁隱身能力。目前國內(nèi)外主要采用磁性處理[1]、艦載消磁系統(tǒng)[2]等技術(shù)來降低潛艇磁性。水中磁性兵器和高空磁探技術(shù)的迅速發(fā)展，對潛艇磁隱身技術(shù)提出了更高的要求，世界各海上強國均在對潛艇磁場進(jìn)行更貼近實戰(zhàn)的研究。潛艇在不同深度航行時所受壓力會發(fā)生顯著變化，由鐵磁學(xué)中磁致伸縮理論可知潛艇磁場也將發(fā)生改變。為掌握潛艇水下航行時空間磁場分布規(guī)律，亟待研究壓力對潛艇磁場的作用機理及變化規(guī)律。

1 力磁相互作用的鐵磁學(xué)基本原理

1.1 磁致伸縮的宏觀性質(zhì)

一般來說，磁致伸縮是指物體在磁化過程中其長度或體積發(fā)生形變的現(xiàn)象[1]，長度的變化稱為線性磁致伸縮，簡稱磁致伸縮。

磁致伸縮的表達(dá)式

圖1 l隨H變化的蝴蝶狀曲線

1.2 磁致伸縮的逆效應(yīng)

1.3 磁彈性能的表達(dá)式

如圖2所示，在已磁化的物體某一方向上施以應(yīng)力，應(yīng)力作用使橢球長軸由原磁化方向轉(zhuǎn)到應(yīng)力方向，從而使物體的線度發(fā)生變化。

應(yīng)力在單位體積內(nèi)作的功為：

圖2 各向同性物體加應(yīng)力后形變示意圖

1.4 磁應(yīng)力對自發(fā)磁化的影響

圖3 應(yīng)力對自發(fā)磁化的影響

所以，應(yīng)力會使自發(fā)磁化強度沿一些固定的方向排列，當(dāng)沿這些方向磁化時會很容易磁化，與之垂直時會很困難，顯現(xiàn)出各向異性。而這種磁致伸縮和應(yīng)力引起的各向異性稱之為磁致伸縮的各向異性。

2 潛艇模型磁場受應(yīng)力影響的試驗研究

由上述理論可知潛艇磁場與所受應(yīng)力之間必然存在某種關(guān)系，但難以從理論上推導(dǎo)出此種解析關(guān)系式，所以通過試驗定性、定量地研究潛艇模型磁場受應(yīng)力的影響。實驗室環(huán)境如圖4所示。

（a）主視圖

（b）俯視圖

圖4 實驗室示意圖

根據(jù)現(xiàn)實中潛艇執(zhí)行任務(wù)情況，分析潛艇可能面臨的水壓強度，采用長140 cm，直徑21.5 cm的耐壓氣瓶作為簡易潛艇模型進(jìn)行本試驗。依據(jù)上述理論，試驗中通過空氣增壓機向潛艇模型加壓，利用高壓氣體的壓力來模擬潛艇下潛時受到的海水壓力，并測量記錄船模下方和上方磁場隨壓力的變化情況。在東航向和北航向上分別進(jìn)行潛艇模型加壓卸載試驗，壓力由0.1 MP增加到8 MPa，對應(yīng)潛艇從水面下潛到水下800 m的壓力變化情況，測量距離為滿載水線下1.5倍船寬和水線以上1.5倍船寬。北航向上測量結(jié)果如圖5，東航向上測量結(jié)果如圖6所示。

（a）潛艇模型下方磁場與應(yīng)力關(guān)系

（b）潛艇模型上方磁場與應(yīng)力關(guān)系

圖5 東航向的測量結(jié)果

從圖中可以看出，潛艇模型下方和高空的垂向磁場隨著內(nèi)部膨脹力的增加而顯著減小，這與文獻(xiàn)[3]中潛艇模型磁場隨著外部擠壓力的增加而增加的現(xiàn)象相吻合?？傮w來看，潛艇模型上方磁場變化率大于下方磁場，龍骨磁場變化率大于兩舷的變化率且兩舷磁場變化率基本一致。對比在東航向和北航向同一測量位置上的垂向磁場隨壓力的變化而發(fā)生的變量，如圖7所示。

壓力加載過程中，潛艇模型在東航向和北航向上，磁場隨應(yīng)力的變化趨勢基本一致，但在北航向上磁場變化量明顯大于模型在東航向時磁場變化，說明在不同磁化狀態(tài)下應(yīng)力對潛艇模型磁場的作用不同，這一現(xiàn)象與鐵磁學(xué)中磁各向異性理論相吻合。

（a）潛艇模型下方磁場與應(yīng)力關(guān)系

（b）潛艇模型上方磁場與應(yīng)力關(guān)系

圖6 北航向的測量結(jié)果

（b）龍骨下方磁場與應(yīng)力關(guān)系

（b）龍骨上方磁場與應(yīng)力關(guān)系

圖7 不同航向上磁場與應(yīng)力關(guān)系

3 力磁關(guān)系與對抗空中磁探潛的研究

現(xiàn)階段，國外空中磁探測有效距離一般為500 m，考慮到未來磁探技術(shù)向更靈敏、更迅速、更廣泛發(fā)展，我們將磁場最大換算距離定為900 m[4-6]。根據(jù)電磁波特性，磁場在水中和空中傳播時的衰減可忽略，反潛飛機執(zhí)行反潛任務(wù)時不宜進(jìn)行高空飛行，一般飛行高度在100-300 m。綜上考慮，利用面磁荷模擬法[7]進(jìn)行磁場換算?？紤]到空中磁場分布稀疏，為顯示磁場波峰，將換算平面長度延長為6倍船長。利用面磁荷模擬法將潛艇從200 m水深下潛到600 m水深的磁場變化量，換算到反潛機的飛行高度范圍內(nèi)，繪制磁場變化量曲線，如圖8所示。

圖8 潛艇模型高空磁場隨深度的變化關(guān)系

在仿真對抗空中磁探的數(shù)學(xué)模型中，為了隱蔽性考慮，認(rèn)為潛艇模型出航后至少在水下200 m航行，一旦發(fā)現(xiàn)有反潛機逼近，會迅速下潛躲避，目前空中磁探測技術(shù)有效距離為500 m，本文認(rèn)為當(dāng)潛艇下潛至600 m水深后可視作安全深度。仿真計算表明，潛艇模型從深度200 m迅速下潛至600 m時，反潛機在工作高度上能測得磁場變化量為0.98 nT到10.3 nT，而反潛飛機的磁探儀靈敏度均高于0.5 nT，有的甚至達(dá)到了pT級。綜合上述，對于潛艇模型在水下對抗空中磁探測而言，因外應(yīng)力變化而導(dǎo)致磁場發(fā)生的改變，是不容忽視的。

4 結(jié)束語

本文以力磁相互作用的鐵磁學(xué)基本原理為基礎(chǔ)，針對潛艇耐壓模型，設(shè)計力磁關(guān)系測量試驗，并基于面磁荷模擬法建立反空中磁探測的仿真模型。分析試驗結(jié)果，可以看出：1）潛艇模型上方磁場變化量和變化率均大于下方磁場，龍骨磁場變化率大于兩舷的變化率且兩舷磁場變化率基本一致；2）在東航向和北航向上，磁場隨壓力的變化趨勢一致，但在北航向上潛艇模型磁場的變化更明顯，建議潛艇在遂行任務(wù)時，盡可能在東航向上調(diào)整潛航深度，以減小潛艇磁場隨壓力的變化量；3）潛艇模型從200 m迅速下潛至600 m時，反潛機在工作高度上能測得磁場變化范圍為0.98 nT-10.3 nT，考慮反潛儀的實際靈敏度，可以初步判斷潛艇模型在下潛規(guī)避磁探測的過程中因水壓增大導(dǎo)致的磁場改變量，能夠被反潛飛機的磁探儀檢測出來，從而對潛艇模型進(jìn)行定位、打擊。綜上所述，利用潛艇磁隱身系統(tǒng)對抗反潛機磁探測時，應(yīng)考慮不同潛深對磁場的影響。

[1] 周國華, 肖昌漢. 鐵磁學(xué)[M]. 武漢: 海軍工程大學(xué)，2014: 69, 90-93, 103-109, 116-119, 123.

[2] 殷莎. 應(yīng)力對某型船鋼磁場穩(wěn)定性影響的試驗研究[D]. 海軍工程大學(xué), 2010.

[3] 高俊吉, 張樹, 周國華．應(yīng)力對潛艇磁場的影響研究[J]. 船電技術(shù), 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] 周國華, 肖昌漢, 劉勝道.潛艇鋼材應(yīng)力與磁變化關(guān)系研究[J]. 北京: 潛艇非聲隱身技術(shù)研討會, 2014，226-232.

[6] 周建軍. 基于無人機平臺的磁干擾補償與磁異常探測方法研究[D]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報, 2014: 2-8.

[7] 劉勝道，趙文春.潛艇磁場數(shù)值計算[M]. 武漢：海軍工程大學(xué), 2016:89,131-134,139-145.

[8] 曹軍紅, 周耀忠, 郭成豹. 艦船動態(tài)消磁方法初步研究[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報, 2007, 19(6): 94-98.

[9] 張昌達(dá). 關(guān)于磁異常探測的若干問題[J].工程地球物理學(xué)報, 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

陳瀚斯（1994-），男，碩士研究生。專業(yè)方向：電氣工程。E-mail: chs8000@163.com 趙文春（1974-），男，副教授。專業(yè)方向：電氣工程。E-mail: Zhaowenchun@sina.com