史瑩凱，劉瑞杰，王 磊，于大鵬,

(1. 大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2. 中國(guó)人民解放軍 92578 部隊(duì), 北京 100161；3. 船舶制造國(guó)家工程研究中心，遼寧 大連 116024)

0 引 言

艦船的目標(biāo)探測(cè)主要通過(guò)聲場(chǎng)和磁場(chǎng)2 個(gè)方面，隨著艦船聲場(chǎng)隱身和水聲對(duì)抗技術(shù)的進(jìn)展，艦船目標(biāo)的聲特征檢測(cè)越來(lái)越困難，人們開(kāi)始開(kāi)展目標(biāo)電磁場(chǎng)等非聲特性研究[1]，尋求利用非聲場(chǎng)手段即磁場(chǎng)信號(hào)探測(cè)艦船的存在和類(lèi)型[2-3]。

在未來(lái)科技高速向前發(fā)展的新時(shí)代形勢(shì)下，艦船材料也正在向磁化較低的方向迅速發(fā)展[4]。在新型低鐵磁材料和新型的無(wú)磁鐵材料技術(shù)出現(xiàn)后，船內(nèi)電氣設(shè)備產(chǎn)生的磁場(chǎng)，已經(jīng)成為敵軍磁探測(cè)的主要部分[5]。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家在艦船電機(jī)領(lǐng)域的相關(guān)研究較多，但大多研究的是電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)分布，主要通過(guò)對(duì)電機(jī)線圈、永磁體的設(shè)計(jì)來(lái)滿足電機(jī)輸出功率、扭矩等參數(shù)[6-7]，對(duì)于電機(jī)外部自由空間對(duì)艦船的感應(yīng)磁場(chǎng)分布研究較少。國(guó)內(nèi)對(duì)艦船內(nèi)部電磁性設(shè)備的研究處于起步階段，相關(guān)電磁研究都比較零散，缺乏專(zhuān)門(mén)系統(tǒng)地研究。

在現(xiàn)代艦船磁場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用測(cè)量計(jì)算中就不難發(fā)現(xiàn)，不考慮在艦船內(nèi)大型電氣設(shè)備的局部磁場(chǎng)影響，的確會(huì)帶來(lái)一些較大的測(cè)量計(jì)算誤差，所以現(xiàn)在急需對(duì)這些艦船外殼以及內(nèi)部電氣工作設(shè)備的磁場(chǎng)特征進(jìn)行系統(tǒng)的理論分析。因此，研究電氣設(shè)備在艦船感應(yīng)磁場(chǎng)背景下的傳播特征，對(duì)艦船的內(nèi)部某電氣設(shè)備進(jìn)行三維簡(jiǎn)化和建模，研究電氣設(shè)備通電時(shí)對(duì)艦船感應(yīng)磁場(chǎng)傳播的影響規(guī)律，通過(guò)改變艦船的磁導(dǎo)率與厚度，系統(tǒng)地研究電氣設(shè)備在不同船體磁導(dǎo)率、不同船體厚度下通電時(shí)對(duì)艦船感應(yīng)磁場(chǎng)的影響，為艦船機(jī)艙內(nèi)部載有電氣設(shè)備的磁場(chǎng)計(jì)算的時(shí)模型簡(jiǎn)化提供了理論依據(jù)，為機(jī)艙內(nèi)部的電氣設(shè)備對(duì)艦船感應(yīng)磁場(chǎng)的影響規(guī)律的預(yù)測(cè)提供了指導(dǎo)意義。

1 艦船磁場(chǎng)理論

感應(yīng)磁場(chǎng)B與外界磁場(chǎng)H有如下關(guān)系:

艦船磁場(chǎng)實(shí)際上可看做靜磁場(chǎng)。由麥克斯韋方程組可知，靜磁場(chǎng)基本方程為[8]：

在艦船周?chē)目臻g，電流密度為常數(shù)，有

式中，H為艦船磁場(chǎng)強(qiáng)度。由矢量運(yùn)算公式

可得出：

此外，在艦船外部的空間，由于rotH=0，因此存在磁勢(shì)函Um，使得：

式中，Um為艦船磁場(chǎng)的標(biāo)量磁位，滿足拉普拉斯方程。

由式（6）和式（7）可知，在船體外部空間，艦船磁場(chǎng)強(qiáng)度分量和標(biāo)量磁位函數(shù)均滿足拉普拉斯方程。

2 電氣設(shè)備對(duì)艦船感應(yīng)磁場(chǎng)的影響

2.1 模型設(shè)置

艦船內(nèi)部通電設(shè)備種類(lèi)繁多，電流載體各式各樣，空間分布也較為復(fù)雜，從動(dòng)力系統(tǒng)的通電線圈，到通訊系統(tǒng)的電纜，再到船內(nèi)的各處照明設(shè)備，電氣設(shè)備無(wú)處不在[9]。是通過(guò)定性分析艦船系統(tǒng)內(nèi)部的電氣設(shè)備對(duì)艦船整體空間和感應(yīng)的磁場(chǎng)特征變化的影響，為了方便研究，故將艦船內(nèi)部的某電氣設(shè)備簡(jiǎn)化為環(huán)形通電線圈，基于磁場(chǎng)有限元仿真軟件，仿真分析內(nèi)部某電氣設(shè)備對(duì)全艦船的影響。

計(jì)算模型為某驅(qū)逐艦艦船模型，其中，艦船總長(zhǎng)168 m，船寬19 m，型深10 m，背景地磁場(chǎng)為37 753 nT。

通電線圈相關(guān)的參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 通電線圈仿真參數(shù)表Tab. 1 Simulation parameter table of energizing coil

2.2 電氣設(shè)備電流大小對(duì)艦船感應(yīng)磁場(chǎng)的影響

磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流的關(guān)系公式為：

式中：H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；N為通電線圈的匝數(shù)；I為通電電流；Le為通電線圈的有效磁路長(zhǎng)度。

由此公式結(jié)合實(shí)際考慮，艦船建好以后，電氣設(shè)備的通電線圈匝數(shù)和線圈的有效磁路長(zhǎng)度是一定的，不能為了滿足艦船的隱蔽性而做出相應(yīng)的改變，只有通電電流的大小可以設(shè)置。根據(jù)IEC 60092（船舶電氣設(shè)備）標(biāo)準(zhǔn)系列及對(duì)應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照表可知，所用的電流大小范圍為45～450 A。

設(shè)置電氣設(shè)備通電電流為200A，根據(jù)弱磁材料國(guó)標(biāo) GB/T 35 690-2017，設(shè)置船體的相對(duì)磁導(dǎo)率在50～450 H/m 變化，以此來(lái)研究該電流大小下電氣設(shè)備對(duì)不同磁導(dǎo)率的艦船感應(yīng)磁場(chǎng)的影響，影響結(jié)果如圖1所示。

圖1 電氣設(shè)備對(duì)不同船體磁導(dǎo)率的艦船感應(yīng)磁場(chǎng)影響Fig. 1 Influence of power equipment on induced magnetic field of ships with different hull materials

可知，200A 的電氣設(shè)備對(duì)艦船感應(yīng)磁場(chǎng)的影響隨著艦船磁導(dǎo)率的升高而降低。艦船磁導(dǎo)率為50 H/m時(shí)，該電氣設(shè)備對(duì)艦船感應(yīng)磁場(chǎng)的影響效果高達(dá)220.85%；艦船磁導(dǎo)率為450 H/m 時(shí)，影響效果只有11.47%。

進(jìn)一步，研究不同電流大小的電氣設(shè)備對(duì)艦船感應(yīng)磁場(chǎng)的影響，分別設(shè)置通電線圈的電流大小為50～450 A，每次增加100 A 進(jìn)行運(yùn)算，艦船相對(duì)磁導(dǎo)率設(shè)置為200 H/m，選取艦船下方10 m 處為測(cè)量面進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 電流大小對(duì)艦船感應(yīng)磁場(chǎng)的影響Fig. 2 Influence of current on induced magnetic field of ship

可知，艦船的感應(yīng)磁場(chǎng)在電氣設(shè)備附近出現(xiàn)了不同程度的變化，隨著電流的增大，相關(guān)電氣設(shè)備因通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)艦船感應(yīng)磁場(chǎng)的影響呈線性增大。

3 船體厚度對(duì)電氣設(shè)備的磁屏蔽影響分析

設(shè)置船體厚度為8～20 mm，每次增加2 mm，對(duì)船體不同厚度時(shí)電氣設(shè)備對(duì)艦船感應(yīng)磁場(chǎng)的影響進(jìn)行逐一計(jì)算，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 電氣設(shè)備對(duì)艦船感應(yīng)磁場(chǎng)的影響隨船體厚度變化曲線Fig. 3 The influence of electrical equipment on ship induced magnetic field varies with hull thickness

可知，電氣設(shè)備對(duì)艦船感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響隨船體厚度的增加而降低，且艦船低磁導(dǎo)率材料比低厚度船的影響效果明顯。出現(xiàn)此種現(xiàn)象，考慮是由于電磁屏蔽所造成。

電磁屏蔽是用導(dǎo)電材料減少交變電磁場(chǎng)向指定區(qū)域穿透的屏蔽[10]。電磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽體對(duì)電磁能流的反射、吸收和引導(dǎo)作用，其與屏蔽結(jié)構(gòu)表面和屏蔽體內(nèi)部感生的電荷、電流與極化現(xiàn)象密切相關(guān)。真正直接影響整個(gè)屏蔽體發(fā)揮屏蔽效能的只有2 個(gè)因素：一個(gè)是要求整個(gè)屏蔽體表面結(jié)構(gòu)必須保證是均勻?qū)щ姷倪B續(xù)體，另一個(gè)因素是確保不能允許有直接穿透到屏蔽體外面的導(dǎo)體[11]。

由于艦船的材料多為鋼鐵，船體表面符合導(dǎo)電連續(xù)性，通電線圈在機(jī)艙內(nèi)部時(shí)可看成是有直接穿透屏蔽體的導(dǎo)體。所以，艦船的船體對(duì)機(jī)艙內(nèi)部的通電設(shè)備會(huì)有一定的屏蔽效應(yīng)。而露天甲板處也同樣存在如錨機(jī)、絞纜機(jī)等甲板設(shè)備，也會(huì)對(duì)艦船產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。

在艦船的船體機(jī)艙內(nèi)，加入通電線圈以后的艦船感應(yīng)磁場(chǎng)所生成的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小記為B1；在艦船的甲板上，加入通電線圈以后的艦船感應(yīng)磁場(chǎng)所生成的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小記為B2。從而艦船內(nèi)部有通電線圈時(shí)影響艦船產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度減去線圈裸露在甲板上時(shí)艦船產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度記為磁屏蔽變化量By，即

所產(chǎn)生的磁屏蔽為效果為：

不同艦船在實(shí)際設(shè)計(jì)建造過(guò)程中，會(huì)根據(jù)艦船的工作場(chǎng)所設(shè)計(jì)不同的船體厚度，以及在實(shí)際建造中因?yàn)樵O(shè)計(jì)誤差存在的船體厚度差異。因此，有必要分析內(nèi)部電氣設(shè)備在不同船體厚度下的的影響，得到的磁屏蔽效果 Δ隨船體厚度的變化，如圖4 所示。

圖4 磁屏蔽效果隨船體厚度的變化曲線Fig. 4 Variation curve of magnetic shielding effect with hull thickness

可知，電氣設(shè)備隨著船體變厚，磁屏蔽效果變大，變大幅度由快變慢，最后趨于平緩。當(dāng)船體厚度為8 mm時(shí)，磁屏蔽效果微弱，當(dāng)船體厚度大于16 mm 時(shí)，磁屏蔽效果趨于一致，均超過(guò)50%。

綜上所述，船體厚度對(duì)機(jī)艙內(nèi)部通電設(shè)備有一定的屏蔽效果。在薄壁船體厚度下，機(jī)艙內(nèi)部的電氣設(shè)備會(huì)對(duì)艦船本身的感應(yīng)磁場(chǎng)產(chǎn)生不可忽略的影響，在大厚度的船體中，由于磁屏蔽效果的存在，通電設(shè)備對(duì)于艦船感應(yīng)磁場(chǎng)的影響大幅度降低，在一定條件下可忽略不計(jì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）機(jī)艙內(nèi)部的通電線圈對(duì)艦船感應(yīng)磁場(chǎng)產(chǎn)生了局部的影響，現(xiàn)代船舶向低磁或無(wú)磁船發(fā)展時(shí)，艦船相對(duì)磁導(dǎo)率越低（≤200 H/m），越不可忽略機(jī)艙內(nèi)部設(shè)備因通電對(duì)艦船感應(yīng)磁場(chǎng)產(chǎn)生的影響。

2）機(jī)艙內(nèi)同一電氣設(shè)備，在低磁導(dǎo)率的艦船中要比低厚度艦船中對(duì)艦船感應(yīng)磁場(chǎng)產(chǎn)生的影響偏大。

3）隨通電線圈電流的增大，對(duì)艦船感應(yīng)磁場(chǎng)的影響越明顯，并成線性增大。

4）在船體厚度低于16 mm 時(shí)，船體越薄，通電線圈對(duì)艦船感應(yīng)磁場(chǎng)的影響越大，磁屏蔽效果越弱，建模計(jì)算感應(yīng)磁場(chǎng)時(shí)不可忽略電氣設(shè)備因通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

所得結(jié)論對(duì)于艦船感應(yīng)磁場(chǎng)的簡(jiǎn)化模型建立，電氣設(shè)備對(duì)艦船感應(yīng)磁場(chǎng)的影響規(guī)律預(yù)測(cè)有指導(dǎo)意義，可以快速地預(yù)測(cè)機(jī)艙內(nèi)部的電氣設(shè)備在建模計(jì)算時(shí)是否需要保留。研究電氣設(shè)備對(duì)艦船感應(yīng)磁場(chǎng)的傳播特性影響，也是艦船海戰(zhàn)環(huán)境下躲避磁探測(cè)的重要理論依據(jù)。