耿 攀,王向軍,王建勛,左 超

(1.海軍工程大學(xué);2.武漢第二船舶設(shè)計研究所,湖北 武漢 430205)

0 引言

由于磁性材料的使用、腐蝕及防腐作用等因素,船舶會在其周圍海水和空氣中激發(fā)磁場和電場。隨著非聲探測技術(shù)手段的發(fā)展,磁場和電場信號日益成為威脅船舶安全的重要信號源。船舶的磁場和電場特征可能帶來3方面威脅:空中電磁探測、水下電磁探測、水中電磁場引信武器。如不采取相關(guān)措施對船舶的磁場和電場特征進(jìn)行有效抑制,我國船舶將面臨極大的被探測和攻擊風(fēng)險。

基于船舶磁場和電場防護(hù)需求,亟需針對船舶的磁場和電場分布特性開展深入的研究?？紤]到磁場和電場存在強烈的耦合性,常常同時產(chǎn)生,因此需對磁場防護(hù)和電場防護(hù)的耦合性進(jìn)行研究,為磁場和電場防護(hù)論證提供參考,為電磁場綜合防護(hù)裝備研制提供技術(shù)基礎(chǔ)保障。

1 船舶磁場與電場產(chǎn)生來源

船舶處于海洋環(huán)境中,無論是處于靜止?fàn)顟B(tài)還是運動的狀態(tài),其周圍海水中都存在有磁場和電場。

研究表明,船舶電磁場按產(chǎn)生機理的不同可大體分為磁性源和電性源兩種。磁性源主要與磁性材料相關(guān),包括固定磁場、感應(yīng)磁場和磁性船體運動產(chǎn)生的感應(yīng)電場3種。電性源主要與腐蝕防腐、通電設(shè)備泄漏電流相關(guān)、通電設(shè)備向船外電磁輻射、切割地球磁場運動以及其他相關(guān),共8種:腐蝕電磁場、防腐電磁場、泄漏電流電磁場、雜散電磁場、金屬船體運動感應(yīng)電磁場、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電磁場、尾流電磁場、以及摩擦電磁場[1]。

按頻段劃分,船舶電磁場大體可分為靜磁場、靜電場和低頻交變電磁場,其中低頻交變電磁場還可細(xì)分為軸頻及其倍頻電磁場和工頻及其倍頻電磁場。靜磁場來源于固定磁場、感應(yīng)磁場、金屬船體運動感應(yīng)磁場(準(zhǔn)靜磁)、尾流磁場(準(zhǔn)靜磁)、摩擦磁場(準(zhǔn)靜磁),以及腐蝕電流、防腐電流、泄漏電流和雜散電磁場中的直流成分。靜電場來源于金屬船體運動感應(yīng)電場(準(zhǔn)靜電)、磁性船體運動感應(yīng)電場(準(zhǔn)靜電)、尾流電場(準(zhǔn)靜電)、摩擦電場(準(zhǔn)靜電),以及腐蝕電流、防腐電流、泄漏電流中的直流成分。軸頻電磁場來源于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電磁場,以及腐蝕電流和防腐電流中的軸頻及其倍頻成分[2-7];工頻及其倍頻電磁場來源于防腐電流、泄漏電流和雜散電磁場中的工頻及其倍頻成分。

2 船舶磁場與電場耦合來源

根據(jù)麥克斯韋方程可知,電流和變化的電場產(chǎn)生變化的磁場(對應(yīng)麥克斯韋-安培定律),變化的磁場產(chǎn)生變化的電場(對應(yīng)法拉第電磁感應(yīng)定律)。由于海水是導(dǎo)體,海水中的電場將以傳導(dǎo)電流的形式存在,只要有電流存在的地方就必定存在著磁場[8],因此電性源必將在海水中同時產(chǎn)生電場和耦合磁場,而磁性源中只有磁性船體運動引發(fā)感應(yīng)電場。具體到船舶,其電磁耦合來源可總結(jié)為以下幾個方面:

1)船舶磁性船體(與固定和感應(yīng)磁性有關(guān))運動引起周圍空間磁場變化產(chǎn)生的感應(yīng)電場和耦合感應(yīng)磁場,為準(zhǔn)靜電場和準(zhǔn)靜磁場;

2)船舶周圍形成的腐蝕電流會產(chǎn)生靜電場及其耦合靜磁場、軸頻及其倍頻電磁場;

3)船舶周圍形成的防腐電流會產(chǎn)生靜電場及其耦合靜磁場、軸頻及其倍頻電磁場、工頻及其倍頻電磁場;

4)船舶內(nèi)通電設(shè)備泄漏電流在海水中產(chǎn)生的漏電場和漏磁場,為靜電場及其耦合靜磁場、工頻及其倍頻電磁場;

5)船舶內(nèi)通電設(shè)備會向船外輻射產(chǎn)生靜磁場、工頻及其倍頻電磁場;

6)船舶金屬船體運動切割地磁場將在船體和海水中產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而產(chǎn)生感應(yīng)電場和耦合感應(yīng)磁場,為準(zhǔn)靜電場和準(zhǔn)靜磁場;

7)船舶旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子切割地磁場會在轉(zhuǎn)子和海水中產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而產(chǎn)生感應(yīng)電場和耦合感應(yīng)磁場,為軸頻倍頻電磁場;

8)船舶尾流切割地磁場引起感應(yīng)電場和耦合感應(yīng)磁場,為準(zhǔn)靜電場和準(zhǔn)靜磁場[9];

9)船舶船體與海水摩擦產(chǎn)生的電場和耦合和磁場,為準(zhǔn)靜電場和準(zhǔn)靜磁場。

綜上可知,磁場和電場耦合主要來源于電性源。

3 船舶磁場與電場耦合性分析數(shù)學(xué)模型

船舶磁場與電場耦合性分析數(shù)學(xué)模型可分別通過靜態(tài)磁場等效模型或靜態(tài)電場等效模型推導(dǎo)得出。常用的磁場等效模型有旋轉(zhuǎn)橢球體模型、旋轉(zhuǎn)橢球體陣列模型、磁偶極子陣列模型以及橢球體和磁偶極子陣列組成的混合模型,主要用來分析靜態(tài)磁場。常用的電場等效模型有水平電偶極子模型和時諧偶極子模型等,可用來分析靜電場、耦合靜磁場和交變電磁場。對于這些已采用的靜態(tài)模型不再一一列舉,這里主要介紹將靜態(tài)等效模型轉(zhuǎn)換為動態(tài)等效模型的方法。對于磁場動態(tài)等效模型,可以計算磁性船體運動產(chǎn)生的感應(yīng)電場以及磁場通過特性;對于電場動態(tài)等效模型,則可以計算各種電性源產(chǎn)生的耦合動態(tài)磁場。

動態(tài)耦合模型可基于電磁場相對論得出[10]。以磁場動態(tài)等效模型為例,在船舶磁性狀態(tài)已知的情況下,考慮其運動狀態(tài)下磁通的空間突變所產(chǎn)生的感應(yīng)電場?？杉僭O(shè)2個慣性坐標(biāo)系K和K′,其中K系為船舶坐標(biāo)系,其相對K′系以速度V沿x軸方向作勻速運動,在t為0時刻,2個坐標(biāo)系的原點重合。根據(jù)相對論的電磁變換式,可知靜止坐標(biāo)系K′中任意處的電場和磁場,即感應(yīng)電場和磁場為

上式表明,只要船舶處于靜止?fàn)顟B(tài)時的周圍磁場分布特征已知,即可由磁場分布計算運動時產(chǎn)生的感應(yīng)電場。同理,也可由靜態(tài)電偶極子耦合磁場分析模型推出耦合動態(tài)磁場。

4 船舶磁場防護(hù)與電場防護(hù)耦合性分析

結(jié)合仿真分析,我們對長約100 m排水量達(dá)5 000 t、航速20 kn的船舶各種電磁場源進(jìn)行了總結(jié),得出在距船舶10～20 m左右處的主要磁場與電場耦合頻率和量級大小如表1所示,同時列出其主要防護(hù)手段。

表1 船舶各類電磁場強度及頻率特征對比Table 1 Features comparison of intensity and frequency of all kinds of electromagnetic fields

由表1可知磁場防護(hù)及其電場防護(hù)耦合性具有以下特點:

1)在總電場中,靜電場能量所占比重最大,工頻電場能量與軸頻電場相當(dāng)且比重較小。由于海洋電場環(huán)境中背景電場以靜電場為主,且量級與船舶靜電場相當(dāng),不具有頻率特征的靜電場在遠(yuǎn)場將很難提取,靜電場主要體現(xiàn)在近場威脅;在交變電場中,軸頻及其倍頻電場較工頻及其倍頻頻率電場衰減慢且幅值大,因此軸頻電場最具遠(yuǎn)場威脅。

2)在總磁場中,靜磁場能量所占比重遠(yuǎn)大于交變磁場。靜磁場由于與地球背景磁場量級相當(dāng),近場威脅明顯,同時因為地球背景磁場較為穩(wěn)定,靜磁場也有一定的遠(yuǎn)場威脅;交變磁場中,軸頻磁場特征同樣具有很大遠(yuǎn)場威脅。

3)在靜電場源中,防腐電磁場源對靜電場的貢獻(xiàn)比例最大,其次是腐蝕電磁場源,其他電磁場源如尾流電磁場源、泄漏電流電磁場、雜散電磁場源等普遍貢獻(xiàn)較小,在近場的影響基本可以忽略;在遠(yuǎn)場需特別注意尾流電磁場源產(chǎn)生的準(zhǔn)靜電場,因尾流覆蓋范圍廣,其在遠(yuǎn)處產(chǎn)生的電場與近場差別較小,可能成為最明顯的船舶電場特征。

4)在靜磁場源中,磁性材料固定磁場和感應(yīng)磁場源對靜磁場的貢獻(xiàn)比例最大,其次是防腐電磁場源、腐蝕電磁場源等電性源,其他電性源的貢獻(xiàn)較小,在近場的影響基本可以忽略;在遠(yuǎn)場需特別注意腐蝕和防腐電磁場源產(chǎn)生的靜磁場,由于其衰減較慢,在遠(yuǎn)場磁性水平降到一定程度或采用了消磁技術(shù)后,該部分靜磁場可能成為影響靜磁場特征的最主要因素。在防護(hù)設(shè)計時,腐蝕和防腐電磁場源磁場特征控制需要結(jié)合電場特征控制同時考慮。

5)在交變電磁場源中,防腐電磁場源對交變電磁場的貢獻(xiàn)比例最大,其次是腐蝕電磁場源、泄漏電流電磁場源、雜散電磁場源、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子運動感應(yīng)電磁場。由于交變頻率下磁場和電場同時產(chǎn)生,因此需要在進(jìn)行防護(hù)設(shè)計時要同時考慮磁場和電場防護(hù)。

5 結(jié)束語

從威脅角度考慮,在近場,需同時考慮靜磁場、靜電場、軸頻電磁場和工頻電磁場;在遠(yuǎn)場,需考慮靜磁場和軸頻電磁場,并特別注意尾流電磁場源產(chǎn)生的準(zhǔn)靜電場。

從電磁綜合防護(hù)措施考慮,應(yīng)對固定消磁和消磁系統(tǒng)應(yīng)用后磁性船體運動耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場水平進(jìn)行評估;在對腐蝕和防腐電磁場進(jìn)行控制時同時考慮磁場和電場特征降低程度;在進(jìn)行其他次要場源如泄漏電流電磁場、雜散電磁場控制、金屬船體運動感應(yīng)電磁場控制、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子運動感應(yīng)電磁場的控制時也需同時考慮磁場和電場特征降低程度;在進(jìn)行尾流電磁場控制時還需考慮同時考慮尾跡防護(hù)。