雷 毅，王 林

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潛艇磁場仿真計算技術(shù)應(yīng)用研究

雷 毅，王 林

（海軍駐701所軍事代表室，武漢 430063）

為評估潛艇防御水雷及高空磁探的能力，必須掌握潛艇水下各深度平面和高空磁場的分布規(guī)律。采用測量的方法來獲得全部的數(shù)據(jù)相對困難，通過測量潛艇某一特定條件下的數(shù)據(jù)，再借助磁場仿真建模計算，從而能準(zhǔn)確地分析并掌握潛艇磁場空間分布特性。

潛艇 磁場 仿真

0 引言

地球是一個巨大的磁體，在其周圍空間充滿了地球磁場。鐵磁材料制造的潛艇在地球磁場的作用下，會形成艦船磁場。與水面艦船不同，潛艇磁場是海上探測設(shè)備和水中兵器（水雷、魚雷等）所利用的主要物理場，是影響其隱蔽性的主要因素[1]。目前發(fā)達(dá)國家普遍裝備了磁探儀等探測設(shè)備，具體情況見表1。

表1國外磁探測儀裝備

為躲避被探測或被水雷攻擊威脅，需通過磁性處理手段降低艦船磁場信號。因此要提升潛艇的磁防護(hù)性能，有必要對潛艇防御水雷及高空磁探的能力進(jìn)行評估，即通過獲取潛艇在不同深度平面和高空的磁場分布特性數(shù)據(jù)，并對其空間分布特性進(jìn)行研究[1-2]。

目前，隨著計算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，采取ANSYS、FLUX等電磁仿真軟件逐漸成為分析研究艦船磁場分布特性的重要手段，但是從技術(shù)條件而言，對于大型鐵磁設(shè)備、船體結(jié)構(gòu)材料磁特性研究方面，目前還缺乏較完善的數(shù)據(jù)儲備，從而限制了仿真建模的參考性；其次由于數(shù)學(xué)模型與實(shí)際艦船的結(jié)構(gòu)、設(shè)備布置等方面不可能完全保持一致，因此其研究結(jié)果存在一定的誤差，得出來的結(jié)果只是一個相對近似的結(jié)論，可能會對艦船磁場分布特性結(jié)果的精準(zhǔn)性產(chǎn)生一定影響[3]。因此通過測量潛艇某一特定條件下的磁場分布特性，再利用數(shù)學(xué)方法通過磁場推算，從而能較準(zhǔn)確地分析并掌握潛艇磁場空間分布特性，為水下預(yù)警防御、水中兵器引信設(shè)計、目標(biāo)識別和潛艇戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用等提供支撐[2]。

1 磁場深度推算

1.1 概述

艦艇磁場深度推算，是指采用磁場數(shù)學(xué)模型，將艦艇下方某深度面上的磁場值換算到另一深度面上去。目前，在大多數(shù)艦艇磁場檢測站或消磁站，通常采用布置于海底的磁傳感器陣列來測量艦艇的磁場。通過一次測量，一般只能測得艦艇下方某個深度平面磁場數(shù)據(jù)。為評估艦艇抵御水中兵器的能力，需掌握艦艇下方多個不同深度平面磁場分布。因而，通常需以某測量深度平面磁場數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)磁場數(shù)值推算模型推算出多個不同深度平面磁場分布規(guī)律。

1.2 等效面磁荷法計算

采用基于等效面磁荷來實(shí)現(xiàn)艦艇磁場深度的推算，可從理論上指導(dǎo)等效源的設(shè)置，從而在一定程度上可克服傳統(tǒng)模擬法中模擬體位置難以確定的困難。

由邊界元理論可知，閉合面S內(nèi)(由ABCD構(gòu)成的區(qū)域)任意一點(diǎn)P的標(biāo)量磁位可表示為[3]（見圖1）：

圖1 等效面磁荷法計算原理示意圖

不妨將面AD、DC、CB延伸到無窮遠(yuǎn)處，由于磁場隨距離衰減在無窮遠(yuǎn)處為零，故上式中積分只需在面AB上進(jìn)行，考慮到面AB上滿足n=-z，則有

基于傳統(tǒng)永春老醋的釀造工藝，黃祖新等[30]將液態(tài)深層發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用于永春老醋的生產(chǎn)釀造中，并確定永春老醋液態(tài)深層發(fā)酵的最佳工藝條件[31]。工藝流程如下：

進(jìn)而相加并對場點(diǎn)坐標(biāo)求負(fù)梯度即可得P點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度為

2 高空磁場推算

2.1 概述

對于潛艇而言，除對抗水中磁性兵器外，還需防御高空磁探。因此，為評估潛艇防御高空磁探的能力，必須掌握潛艇高空磁場的分布規(guī)律。實(shí)際中采用測量的方法來獲得潛艇高空磁場分布規(guī)律相對困難，可行的方法是借助高空磁場推算技術(shù)，即通過近場測量來獲得遠(yuǎn)場數(shù)據(jù)，從而獲得潛艇高空磁場分布規(guī)律。

2.2磁荷模擬法計算

磁荷模擬，就是在所求解的場域之外，設(shè)置若干個磁荷或磁性物體，通過合理的設(shè)置它們的形狀和位置，由已知點(diǎn)上的磁場值推算出它們的磁矩大小后，再用解析公式來求得未知點(diǎn)上的磁場值。該方法的缺陷在于模擬磁荷形狀和位置設(shè)置的好壞會直接影響到潛艇磁場換算的精度。以前一般都是靠人的經(jīng)驗(yàn)或是通過多次試驗(yàn)來決定模擬磁荷形狀和位置，為了盡可能的減少人為因素的影響，采取逐步回歸的方法來對磁荷的磁矩進(jìn)行篩選，使其自動優(yōu)化到最佳配置，從而盡可能的提高潛艇磁場推算的精度，而且模型的穩(wěn)定性也可大大提高。

由于潛艇內(nèi)部鐵磁物質(zhì)分布以及局部磁性等的差異，用單個磁荷不能有效的擬合潛艇磁場，為了克服這一缺陷，采用一個大橢球和n個小磁偶極子的混合模型[4]。

大橢球參數(shù)：中心與潛艇中心重合，形狀與潛艇幾何形狀相似，長半軸/2，短半軸/2，半焦距。為潛艇長度，為潛艇寬度。磁偶極子參數(shù)：在潛艇縱向軸線上均勻布置，個數(shù)為n個。

求解出各個磁荷的磁矩，其中

當(dāng)求出磁荷的磁矩后就可以由下式求出任意換算點(diǎn)i（X, Y, Z）的磁場值：

3 結(jié)語

在潛艇磁場的研究過程中，通過測量某一條件下的磁場數(shù)據(jù)，再通過數(shù)字仿真模型的建立和磁場仿真計算，即可對潛艇磁場的近遠(yuǎn)場特性進(jìn)行分析，同時作為磁隱身防護(hù)設(shè)計和評估的依據(jù)。本文通過對潛艇磁場的推算原理進(jìn)行了介紹，并給出了計算方法，此分析方法也可適用于水面艦船的磁場分布特性研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林春生艦船物理場[M]. 北京: 兵器工業(yè)出版社, 2007.

[2] 劉大明艦船消磁理論與方法[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2011.

[3] NES304. Shafting systems and propulsions, part4, design requirements for repair of main propulsion shafing, issue 2, September, 2002.

[4] EEBK,PRATAP A,AGRAWAL S.A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II. IEEE Trans Erol Comput 2002,6(2): 182-197.

The Application of Submarine Magnetic Field Simulation Technology

Lei Yi, Wang Lin

（Navy Representative Office at No.701 Research Institute,Wuhan 430063,China）

U674.76

A

1003-4862（2016）08-0065-03

2016-04-12

雷毅(1986-)，男，工程師，碩士，研究方向：艦船電氣。