孫 強, 姜潤翔, 喻 鵬, 程錦房

船體狀態(tài)對電流補償式電場隱身控制參量的影響

孫 強1, 姜潤翔2, 喻 鵬1, 程錦房1

(1. 海軍工程大學 兵器工程學院, 湖北 武漢, 430033; 2. 海軍工程大學 電氣工程學院, 湖北 武漢, 430033)

艦船電場; 電流補償; 隱身; 控制參量

0 引言

降低艦船水下電場信號對提升艦船綜合隱身性能具有重要意義][[1-3], 目前, 針對靜電場隱身, 除改進結(jié)構(gòu)工藝[4]等基本方法外, 主要有陰極保護優(yōu)化[5-7]和電流補償技術(shù)[8-10]2種方式。

1 電流補償基本原理

圖1 電流補償基本原理

2 涂層老化和破損對控制參量的影響

2.1 涂層老化影響

利用邊界元軟件, 對一艘中型艦船(如圖2所示)分別在船體涂層破損率為2%、4%、6%和8%條件下的最佳補償電流進行了仿真計算, 每種狀態(tài)條件下以水下1.0(代表艦船型寬)平面的電場峰峰值最小為目標, 對補償陽極輸出電流進行了優(yōu)化, 不同涂層破損率條件下的軸電流、補償電流及水下電場值峰峰值如表1所示。表中的自腐蝕代表不進行電流補償, 船體處于自然腐蝕狀態(tài);U-p代表水下電位峰峰值, 而||-p代表水下電場模值的峰峰值, 這2個參量均是評估電場隱身性能的重要指標。

圖2 船體結(jié)構(gòu)示意圖

表1 不同涂層破損率條件下電場值、軸電流和最佳補償電流值

2.2 涂層局部破損影響

電阻率保持不變。每種狀態(tài)條件下, 基于邊界元優(yōu)化算法對補償陽極的輸出電流進行優(yōu)化, 目標依然是使1.0平面的電場值最小。表2為不同船體位置極化電阻率變化時, 自然腐蝕與隱身狀態(tài)下的軸電流、最佳補償電流及水下電場值。

由表2可以看出:

1) 船體涂層破損會導(dǎo)致軸電流增大, 且破損位置越靠近螺旋槳, 軸電流增加越明顯, 這是由于腐蝕回路電阻減小的緣故;

表2 不同位置極化電阻率變化時電場值、軸電流和最佳補償電流值

2) 船體涂層破損時(Ship 9位置的涂層破損除外), 通過在尾部安裝補償陽極(即隱身狀態(tài)), 均可實現(xiàn)對電場信號的有效降低, 以電位峰峰值作為評價準則, 電場抑制效果在75%~85%之間波動; 而Ship 9位置的涂層破損時, 之所以不能有效實現(xiàn)電場隱身, 主要是因為在該種狀態(tài)下, 自然腐蝕時的等效電偶極矩已經(jīng)接近該狀態(tài)下等效電偶極矩的最小值;

3 螺旋槳轉(zhuǎn)速對控制參量的影響

在實驗室條件下進行1:50縮比船模試驗, 試驗前先對材料的自然腐蝕電位進行了測量, 其自然腐蝕電位最終穩(wěn)定在–0.69 V。在船體尾部增加了一塊與船體材料一致的材料A, 并利用液體密封膠將材料與船體粘結(jié)在一起(與船殼電絕緣), 然后通過一根導(dǎo)線與軸接地裝置相連接。利用無接觸電流傳感器測量軸電流和材料A上的電流, 同時在材料的表面放置有參比電極B, 也便于實時監(jiān)測材料A表面的電位, 補償陽極C安裝于螺旋槳正上方, 如圖3所示。

參比電極B、船殼和補償陽極C分別與電化學工作站的參比電極RE、工作電極WE和輔助電極的CE連接, 調(diào)整輔助陽極的輸出電流, 實時監(jiān)測船模龍骨正下方20 cm處正橫0 cm的電位信號。利用電化學工作站動態(tài)電流掃描輸出, 電流的變化率為0.005 mA/s, 設(shè)定螺旋槳轉(zhuǎn)速分別為150 r/min、200 r/min和300 r/min。表3~表5為對應(yīng)測量結(jié)果, 其中黑色加粗代表最佳隱身狀態(tài)。由于篇幅限制, 這里只列出部分數(shù)據(jù), 但是仍能夠表征船體表面電位和電流等隨補償電流變化的趨勢。

表3 螺旋槳轉(zhuǎn)速為150 r/min的測試結(jié)果

表4 螺旋槳轉(zhuǎn)速為200 r/min的測試結(jié)果

表5 螺旋槳轉(zhuǎn)速為300 r/min的測試結(jié)果

由表3~表5可發(fā)現(xiàn):

1) 隨著補償電流的增大, 軸電流逐漸增大, 材料A表面電流由正值逐漸向負值變化, 即材料A由陽極逐漸向陰極轉(zhuǎn)化, 電場的抑制比先增大后減小;

2) 當材料A表面電流的絕對值接近于零時, 不同螺旋槳轉(zhuǎn)速條件下電場的抑制是不一致的, 螺旋槳轉(zhuǎn)速越低, 其抑制比越大, 而隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的提高, 其抑制比的效果也逐漸變差, 這主要是由于材料A的位置是依據(jù)靜態(tài)條件下的極化曲線優(yōu)化計算得到的結(jié)果, 隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的提高, 氧的去極化反應(yīng)逐漸增強, 螺旋槳極化電阻的變化引起局部電化學狀態(tài)變化較大, 靜態(tài)條件下優(yōu)化的結(jié)果已不適用于螺旋槳轉(zhuǎn)動時的結(jié)果, 此結(jié)論表明, 在選取材料A的位置時, 應(yīng)依據(jù)螺旋槳轉(zhuǎn)動時的極化曲線進行優(yōu)化計算;

3) 不同螺旋槳轉(zhuǎn)速條件下, 自然腐蝕狀態(tài)下參比電極的電位值和自然腐蝕時的電流值是不一樣的, 且隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的提高, 參比電極的電位逐漸向正方向移動, 自然腐蝕電流值逐漸變大, 這也是由于螺旋槳轉(zhuǎn)速提高時, 氧的去極化作用增強、螺旋槳極化電阻減小引起的;

圖4 連續(xù)3次縮比模型試驗結(jié)果

4 結(jié)束語

[1] Hubbard J C, Brooks S H, Torrrance B C. Practical Measures for Reduction and Management of the Electro-magnetic Signatures of in-Service Surface Ships and Submarines[C]//Underwater Defence Technology Conference, London: [S.l.], 1996: 64-65.

[2] Rodrigo F J, Beatriz M D, Antonio S. Underwater Threats Detection Based on Electric Field Influences[C]//UDT 2010, Hamburg(Germany): Undersea Defence Technology Conference & Exhibition, 2010: 8-10.

[3] 牟蘭. 國外艦船電場特性研究及其在水雷戰(zhàn)上的應(yīng)用[J]. 艦船科學技術(shù), 2012, 34(9): 138-142.

Mou Lan. The Characteristic Research of Foreign Warship’s Electric Field and Its Application on Mine Warfare[J]. Ship Science and Technology, 2012, 34(9): 138-142.

[4] 喻鵬, 姜潤翔, 程錦房. 減少艦船靜電場的隔離電阻估算方法研究[J]. 艦船科學技術(shù), 2018, 40(15): 123-127. Yu Peng, Jiang Run-xiang, Cheng Jin-fang. The Study on Evaluation Method for the Least Isolation Resistance which Decreases the Corrosion Related Static Electric Field[J]. Ship Science and Technology, 2018, 40(8): 123-127.

[5] Xing S H, Li Y, Song H Q, et al.Optimizing the Quantity,Locations and Output Currents of Anodes to Improve Cathodic Protection Effect of Semi-Submersible Crane Vessel[J]. Ocean Engineering, 2016,113:144-150.

[6] Kim Y S, Lee S K, Kim J G. Influence of Anode Location and Quantity for the Reduction of Underwater Electric Fields under Cathodic Protection[J]. Ocean Engineering, 2018, 163: 476-482.

[7] 吳建華．水下船體陰極保護與腐蝕電磁場優(yōu)化控制研究[D]．大連: 大連理工大學, 2012．

[8] 秦一平, 姜潤翔, 程錦房, 等. 基于外加電流補償?shù)呐灤o電場抑制方法[J]. 水雷戰(zhàn)與艦船防護, 2016, 24(1): 14-18. Qing Yi-ping, Jiang Run-xiang, Cheng Jin-fang, et al. Ship’s Static Electric Field Reduction Method Based on Impressed Current Compensation[J]. Mine Warfare & Ship Self-Defence, 2016, 24(1): 14-18.

[9] 喻鵬. 艦船靜電場隱身技術(shù)研究[D]. 武漢: 海軍工程大學, 2017.

[10] 孫強, 姜潤翔, 喻鵬, 等. 軸頻電場與靜電場一體化腐蝕相關(guān)電場隱身方法研究[J]. 兵工學報, 2020, 41(4): 730-736.Sun Qiang, Jiang Run-xiang, Yu Peng, et al. Integrative Stealth Method of Corrosion-related Static and Shaft Rate Electric Fields[J]. Acta Armamentarii, 2020, 41(4): 730- 736.

[11] Yu P, Cheng J F, Jiang R X. Research of Ship’s Stealth Methods in Static Electric Field[J]. Advances in Materials, Machinery, Electrical Engineering, 2017, 114: 137-144.

[12] 林春生, 龔沈光. 艦船物理場[M]. 第2版. 北京: 兵器工業(yè)出版社, 2007.

[13] 姬慶, 蔣培. 艦船軸頻電場中接觸電阻研究[J]. 四川兵工學報, 2014, 35(8): 127-130. Ji Qing, Jiang Pei. Contact Resistance in Shaft frequency Electric Field[J]. Journal of Sichuan Military Engineering, 2014, 35(8): 127-130.

[14] 賈錚, 戴長松, 陳玲．電化學測量方法[M]．北京: 化學工業(yè)出版社, 2015．

Effects of Hull States on the Control Parameter of the Current Compensation Electric Field Stealth

SUN Qiang1, JIANG Run-xiang2, YU Peng1, CHENG Jin-fang1

(1. College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

ship electric field;current compensation; stealth; control parameter

孫強, 姜潤翔, 喻鵬, 等. 船體狀態(tài)對電流補償式電場隱身控制參量的影響[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2020, 28(6): 657-662.

U663.2; O441.4

A

2096-3920(2020)06-0657-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.010

2020-07-03;

2020-08-15.

國家自然科學基金(51509252); 青島國家海洋實驗室項目資助(2017WHZZB0202).

孫 強(1982-), 男, 在讀博士, 講師, 主要研究方向為軍用目標特性及信息感知技術(shù).

(責任編輯: 許 妍)