陳瀚斯，趙文春，劉勝道，周?chē)?guó)華，高俊吉

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潛艇應(yīng)力導(dǎo)致的磁場(chǎng)變化及其對(duì)空中磁探的影響

陳瀚斯，趙文春，劉勝道，周?chē)?guó)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(chǎng)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(duì)潛艇磁場(chǎng)造成的影響也會(huì)不同。本文在歸納分析了鐵磁學(xué)中磁力耦合理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，用氣體膨脹力代替海水外壓力設(shè)計(jì)了潛艇模型在不同航向上的升降壓試驗(yàn)，并基于面磁荷模擬法，建立了潛艇模型對(duì)抗空中磁探潛的數(shù)學(xué)模型，對(duì)潛艇模型在各壓力狀態(tài)下的磁場(chǎng)進(jìn)行空間延拓，定量分析了磁場(chǎng)隨壓強(qiáng)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(duì)潛艇模型磁場(chǎng)的影響顯著不同；在模擬對(duì)抗空中磁探潛時(shí)，考慮潛深改變導(dǎo)致的潛艇模型磁場(chǎng)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(duì)抗來(lái)自水中磁性武器和空中磁探測(cè)的威脅，必須提高潛艇的磁隱身能力。目前國(guó)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(lái)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(duì)潛艇磁隱身技術(shù)提出了更高的要求，世界各海上強(qiáng)國(guó)均在對(duì)潛艇磁場(chǎng)進(jìn)行更貼近實(shí)戰(zhàn)的研究。潛艇在不同深度航行時(shí)所受壓力會(huì)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(chǎng)也將發(fā)生改變。為掌握潛艇水下航行時(shí)空間磁場(chǎng)分布規(guī)律，亟待研究壓力對(duì)潛艇磁場(chǎng)的作用機(jī)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(lái)說(shuō)，磁致伸縮是指物體在磁化過(guò)程中其長(zhǎng)度或體積發(fā)生形變的現(xiàn)象[1]，長(zhǎng)度的變化稱為線性磁致伸縮，簡(jiǎn)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(zhǎng)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(duì)自發(fā)磁化的影響

圖3 應(yīng)力對(duì)自發(fā)磁化的影響

所以，應(yīng)力會(huì)使自發(fā)磁化強(qiáng)度沿一些固定的方向排列，當(dāng)沿這些方向磁化時(shí)會(huì)很容易磁化，與之垂直時(shí)會(huì)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(chǎng)受應(yīng)力影響的試驗(yàn)研究

由上述理論可知潛艇磁場(chǎng)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(guò)試驗(yàn)定性、定量地研究潛艇模型磁場(chǎng)受應(yīng)力的影響。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境如圖4所示。

（a）主視圖

（b）俯視圖

圖4 實(shí)驗(yàn)室示意圖

根據(jù)現(xiàn)實(shí)中潛艇執(zhí)行任務(wù)情況，分析潛艇可能面臨的水壓強(qiáng)度，采用長(zhǎng)140 cm，直徑21.5 cm的耐壓氣瓶作為簡(jiǎn)易潛艇模型進(jìn)行本試驗(yàn)。依據(jù)上述理論，試驗(yàn)中通過(guò)空氣增壓機(jī)向潛艇模型加壓，利用高壓氣體的壓力來(lái)模擬潛艇下潛時(shí)受到的海水壓力，并測(cè)量記錄船模下方和上方磁場(chǎng)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(yàn)，壓力由0.1 MP增加到8 MPa，對(duì)應(yīng)潛艇從水面下潛到水下800 m的壓力變化情況，測(cè)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(cè)量結(jié)果如圖5，東航向上測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

（a）潛艇模型下方磁場(chǎng)與應(yīng)力關(guān)系

（b）潛艇模型上方磁場(chǎng)與應(yīng)力關(guān)系

圖5 東航向的測(cè)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(chǎng)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(chǎng)隨著外部擠壓力的增加而增加的現(xiàn)象相吻合。總體來(lái)看，潛艇模型上方磁場(chǎng)變化率大于下方磁場(chǎng)，龍骨磁場(chǎng)變化率大于兩舷的變化率且兩舷磁場(chǎng)變化率基本一致。對(duì)比在東航向和北航向同一測(cè)量位置上的垂向磁場(chǎng)隨壓力的變化而發(fā)生的變量，如圖7所示。

壓力加載過(guò)程中，潛艇模型在東航向和北航向上，磁場(chǎng)隨應(yīng)力的變化趨勢(shì)基本一致，但在北航向上磁場(chǎng)變化量明顯大于模型在東航向時(shí)磁場(chǎng)變化，說(shuō)明在不同磁化狀態(tài)下應(yīng)力對(duì)潛艇模型磁場(chǎng)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(chǎng)與應(yīng)力關(guān)系

（b）潛艇模型上方磁場(chǎng)與應(yīng)力關(guān)系

圖6 北航向的測(cè)量結(jié)果

（b）龍骨下方磁場(chǎng)與應(yīng)力關(guān)系

（b）龍骨上方磁場(chǎng)與應(yīng)力關(guān)系

圖7 不同航向上磁場(chǎng)與應(yīng)力關(guān)系

3 力磁關(guān)系與對(duì)抗空中磁探潛的研究

現(xiàn)階段，國(guó)外空中磁探測(cè)有效距離一般為500 m，考慮到未來(lái)磁探技術(shù)向更靈敏、更迅速、更廣泛發(fā)展，我們將磁場(chǎng)最大換算距離定為900 m[4-6]。根據(jù)電磁波特性，磁場(chǎng)在水中和空中傳播時(shí)的衰減可忽略，反潛飛機(jī)執(zhí)行反潛任務(wù)時(shí)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(chǎng)換算?？紤]到空中磁場(chǎng)分布稀疏，為顯示磁場(chǎng)波峰，將換算平面長(zhǎng)度延長(zhǎng)為6倍船長(zhǎng)。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(chǎng)變化量，換算到反潛機(jī)的飛行高度范圍內(nèi)，繪制磁場(chǎng)變化量曲線，如圖8所示。

圖8 潛艇模型高空磁場(chǎng)隨深度的變化關(guān)系

在仿真對(duì)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(jī)逼近，會(huì)迅速下潛躲避，目前空中磁探測(cè)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(jì)算表明，潛艇模型從深度200 m迅速下潛至600 m時(shí)，反潛機(jī)在工作高度上能測(cè)得磁場(chǎng)變化量為0.98 nT到10.3 nT，而反潛飛機(jī)的磁探儀靈敏度均高于0.5 nT，有的甚至達(dá)到了pT級(jí)。綜合上述，對(duì)于潛艇模型在水下對(duì)抗空中磁探測(cè)而言，因外應(yīng)力變化而導(dǎo)致磁場(chǎng)發(fā)生的改變，是不容忽視的。

4 結(jié)束語(yǔ)

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

[1] 周?chē)?guó)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(duì)某型船鋼磁場(chǎng)穩(wěn)定性影響的試驗(yàn)研究[D]. 海軍工程大學(xué), 2010.

[3] 高俊吉, 張樹(shù), 周?chē)?guó)華．應(yīng)力對(duì)潛艇磁場(chǎng)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?chē)?guó)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(huì), 2014，226-232.

[6] 周建軍. 基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的磁干擾補(bǔ)償與磁異常探測(cè)方法研究[D]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2014: 2-8.

[7] 劉勝道，趙文春.潛艇磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)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(dòng)態(tài)消磁方法初步研究[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 19(6): 94-98.

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