胡 欣，張 迪，楊 輝，高俊吉

移動式消磁站機(jī)動消磁保障方法優(yōu)化改進(jìn)

胡 欣1，張 迪2，楊 輝3，高俊吉1

（1. 海軍工程大學(xué)，湖北武漢 430033；2. 91315部隊，遼寧大連 116041；3. 91370部隊，福建福州 350015）

針對移動式消磁站在使用過程中可能出現(xiàn)的場地背景磁場變化和退磁場能量不足等制約其消磁保障能力發(fā)揮的實際問題，采取理論分析、計算仿真和實驗驗證的方法，逐一拆解，分析原因，提出相應(yīng)優(yōu)化改進(jìn)措施，能夠進(jìn)一步提升移動式消磁站機(jī)動消磁保障效能和艦艇磁性防護(hù)水平。

移動式消磁站 消磁 優(yōu)化

0 引言

艦艇周圍空間的磁場是敵方探測設(shè)備及水中兵器用于探測和攻擊的主要物理場。艦艇消磁就是采取現(xiàn)代電磁方法和控制技術(shù)來控制艦艇磁場，將艦艇磁場消除或補償?shù)揭欢ǚ秶鷥?nèi)，是提高艦艇磁隱身性能的有效手段[1]。移動式消磁站是一種新型的消磁裝備，與傳統(tǒng)固定式消磁站具有一樣的艦艇消磁功能，不同的是，移動式消磁站將電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測磁系統(tǒng)等設(shè)備集成在若干個集裝箱內(nèi)，可通過陸地或船載機(jī)動運輸，大大提高了靈活性和隱蔽性。在合理區(qū)分保障對象后，其造價成本和生產(chǎn)周期也可以得到較好的控制，因此尤其適合在戰(zhàn)時多地部署，對大量中小型艦艇進(jìn)行快速應(yīng)急消磁。

移動式消磁站適合于執(zhí)行大量中小型艦艇戰(zhàn)時應(yīng)急機(jī)動消磁保障任務(wù)，平時可作為常規(guī)消磁力量的補充。由于功能定位和任務(wù)背景的不同，結(jié)合工作經(jīng)驗和實驗論證，該裝備在常規(guī)使用中一些影響保障能力發(fā)揮的困難問題可能會逐漸凸顯出來，亟需加以分析，制定切實可行的解決措施，以確保其能夠遂行各項使命任務(wù)。

1 消磁場地背景磁場變化對艦艇磁場測量精度的影響

1.1 問題描述

一般艦艇消磁需要在背景磁場均勻且穩(wěn)定的低磁場地進(jìn)行，以方便將艦艇磁場從背景磁場中分離出來。移動式消磁站對消磁陣地也有同樣的要求。但考慮到戰(zhàn)時應(yīng)急條件，移動式消磁站不應(yīng)提出類似固定式消磁站的嚴(yán)苛要求，應(yīng)能在普通非低磁碼頭為艦艇消磁。此時需要對消磁場地進(jìn)行少量適應(yīng)性改造，盡量滿足其工作條件。例如，根據(jù)碼頭實際情況定制專用消磁浮箱，一般采用鋁合金或玻璃鋼等低磁材料建造，漂浮綁定在艦艇和碼頭之間，既能使艦艇遠(yuǎn)離碼頭一定距離以減小碼頭磁場的干擾，又能調(diào)整艦艇航向至磁南（北）航向以減少敷設(shè)橫向補償線圈[2]，如圖1所示。

圖1 消磁碼頭布置示意圖

（工作電纜取捷徑鋪放在碼頭上）

但是，即使采取了這樣的隔離調(diào)整措施，在對艦艇通電磁性處理前后，艦艇所在位置的背景磁場還是會發(fā)生變化，從而可能會影響艦艇磁場分離精度。

1.2 原因分析

移動式消磁站采用直通式消磁方法，該方法不同于傳統(tǒng)的旁通式消磁方法。其是在艦艇艏艉焊接專用連接器，將艦艇等效視為一段電阻，串聯(lián)至工作線圈通電回路中，這樣工作電流可直接流過船體，船體電流產(chǎn)生的工作磁場將艦艇內(nèi)部磁籌打亂，使艦艇對外不顯磁性[3,4,5]，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)消磁方法與直通式消磁方法的對比圖

直通式消磁方法不用在船體外敷設(shè)螺線管工作線圈，因此在大量艦艇輪候集中消磁時能明顯提高保障效率。為了產(chǎn)生足夠的退磁磁場安匝量，要求工作線圈通過的電流較大。此時，鋪放在碼頭上的工作電纜，通電后產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，必然會磁化鋼筋混凝土建造的普通碼頭，進(jìn)而造成背景磁場變化，如圖1所示。如果背景磁場變化量持續(xù)增大，將會影響艦艇磁場測量和分析。

1.3 改進(jìn)建議

一是選用合適的消磁碼頭。在建材選擇上，普通碼頭雖無法達(dá)到低磁化要求，但最好使用鋼筋混凝土材質(zhì)，避免使用全鋼鐵材料建造的碼頭；在碼頭走向上，最好選擇磁南北朝向或與其角度偏差不大的碼頭，便于艦艇南北向靠泊消磁；在碼頭結(jié)構(gòu)上，最好選擇固定式沉箱結(jié)構(gòu)，避免使用高樁碼頭或浮碼頭，保證其具備足夠的承載力和穩(wěn)定性。

二是消磁場地水下背景磁場應(yīng)盡量均勻穩(wěn)定?？膳蓾撍畣T攜帶測磁儀對海底背景磁場進(jìn)行普測，并撈取水下鐵磁物體。當(dāng)艦艇標(biāo)準(zhǔn)測量深度的背景磁場值符合消磁要求時，即可正常開展工作。

三是減小碼頭磁場的干擾。在不影響航道和艦艇機(jī)動的情況下，可視情增加消磁浮箱的數(shù)量，從而讓艦艇盡量遠(yuǎn)離碼頭。

四是改進(jìn)工作電纜的布設(shè)方式。為減小工作電纜強(qiáng)磁場對碼頭的磁化影響，應(yīng)將工作電纜靠近舷邊從船艉集中返回電源車，如圖3所示。此時，在靠近船艏、船舯的普通碼頭處，工作電路對碼頭磁化影響較弱。但船艉處工作電纜較為集中，對碼頭的磁化影響仍然較強(qiáng)。

圖3 改進(jìn)后的消磁碼頭布置示意圖

（工作電纜沿左右兩舷布設(shè)）

五是采取工作電纜磁場屏蔽措施。設(shè)計磁場屏蔽裝置，將鋪放在船艉附件碼頭上的工作電纜包裹起來，使其產(chǎn)生的磁場盡量不外泄，還可考慮將多余的工作電纜裁短。屏蔽裝置要能以模塊化的方式拆裝組合，便于機(jī)動運輸，如圖4所示。

圖4 消磁陣地工作電纜磁場屏蔽裝置示意圖

2 船舯上層建筑區(qū)段消磁效果

2.1 問題描述

移動式消磁站對艦?zāi)Ｏ艜r發(fā)現(xiàn)，船舯上層建筑區(qū)段處的固定磁場較難處理。在采取了增加布設(shè)水平補償電纜等措施后，能在一定程度上降低該區(qū)段的固定磁場，但效果有限，導(dǎo)致最終仍有部分位置結(jié)果磁場不達(dá)標(biāo)，如圖5所示。

圖5 磁性較難處理的船舯上層建筑區(qū)段示意圖

2.2 原因分析

2.2.1 船舯周長大的部位工作電流密度小，產(chǎn)生的工作磁場偏小

移動式消磁站采用直通式消磁方法進(jìn)行消磁，即利用直接在船體通電產(chǎn)生的磁場進(jìn)行退磁。通過對直通式消磁工作磁場分布情況的分析計算，結(jié)合大量的物理模型試驗，分析推導(dǎo)出工作電流強(qiáng)度與艦艇半徑及周長之間關(guān)系的近似公式，從而可以根據(jù)艦艇的物理尺寸估算出所需工作電流強(qiáng)度，具體推導(dǎo)如下：

對于圓柱形空心物體，有：

式中，為退磁電流強(qiáng)度，單位為A；為半徑，單位為cm；為進(jìn)行退磁所需的表面磁場強(qiáng)度，單位為Oe。

對于非圓柱形空心物體，可取等效半徑。所謂“等效半徑”是指與該物體具有相同周長的圓柱體的半徑，即：

式中，為非圓柱形空心物體的周長，單位為cm；為等效半徑，單位為cm。

由(1) 、(2)可得，工作電流與船舯周長的關(guān)系為：

式中，為工作電流強(qiáng)度，單位為A；為船舯周長，單位為cm；為進(jìn)行退磁所需的表面磁場強(qiáng)度，單位為Oe。

由此可見，消磁時船體表面磁場強(qiáng)度為工作電流強(qiáng)度與船舯周長比值的倍數(shù)，當(dāng)工作電流強(qiáng)度一定時，船舯周長越大，表面磁場強(qiáng)度越小[6]。

移動式消磁站對艦?zāi)Ｏ艜r，采用測磁儀對消磁通電時各部位工作磁場進(jìn)行了測量。在艦艇周長最大的位置，如指揮臺第三層右側(cè)，工作磁場僅為0.09，在煙囪頂端中間和指揮臺外室右側(cè)，工作磁場僅為0.15；而在艦艇平均周長處，工作磁場約為0.32，如表1所示。

表1 1#艦?zāi)９ぷ鞔艌鰷y量結(jié)果表（數(shù)據(jù)作歸一化處理）

從消磁結(jié)果看，對于船舯上層建筑區(qū)段，消磁通電前后磁場變化較小，較難處理。原因分析：一是由于這艘艦?zāi)倓傔M(jìn)行了改裝，本身磁性較大；二是部分周長大的位置工作磁場強(qiáng)度不夠；三是船舯上層建筑區(qū)段，艙室分布復(fù)雜，分散了電流密度，導(dǎo)致其產(chǎn)生的工作磁場偏小。

2.2.2船艏的工作電纜未貼近舷邊返回船艉的電源，導(dǎo)致產(chǎn)生的工作磁場偏小

移動式消磁站的工作電流從主電源出發(fā)，通過專用電纜連接器流到船艉上，經(jīng)過船體后，從船艏又通過專用電纜連接器回到主電源，構(gòu)成一個通電回路[7]。從舷邊返回的工作線圈要離開船舷1.0～1.5 m，如圖6、圖7、圖8、圖9所示。此時，舷邊返回的電纜產(chǎn)生的磁場起到了加強(qiáng)船體磁化的作用。

圖6 工作線圈俯視圖

圖7 工作線圈側(cè)視圖

圖8 從舷邊返回的工作線圈離開船舷的距離示意圖

圖9 工作線圈產(chǎn)生的磁場示意圖

為減少工作電纜敷設(shè)的工作量，移動式消磁站一開始采取工作電纜直接鋪放在碼頭上，再從碼頭取捷徑返回電源的方式，而不是貼近舷邊從船艏到船艉再返回電源。例如，工作電纜均從左舷經(jīng)消磁浮箱取捷徑返回電源，如圖1所示。此時，工作電纜通電產(chǎn)生的磁場未充分作用在船體上，可能出現(xiàn)工作磁場能量不足的現(xiàn)象。實測中也發(fā)現(xiàn)，未貼近船舷返回電源車右側(cè)的工作磁場明顯偏小，如表2所示。

表2 1#艦?zāi)Ｗ笥蚁瞎ぷ鞔艌鰧Ρ缺恚〝?shù)據(jù)作歸一化處理）

為解決磁場能量不足的問題，移動式消磁站對2#艦?zāi)Ｏ艜r作了改進(jìn)，將工作電纜靠近艦艇舷邊從船艏返回到船艉，因此工作電纜通電產(chǎn)生的磁場利用率較高，如圖3所示。此時，測得的左右舷工作磁場強(qiáng)度基本一致，舷邊返回的電纜產(chǎn)生的磁場能對直接流經(jīng)船體的電流產(chǎn)生的磁場起到加強(qiáng)作用，測磁結(jié)果如表3所示。

表3 2#艦?zāi)Ｗ笥蚁瞎ぷ鞔艌鰧Ρ缺恚〝?shù)據(jù)作歸一化處理）

為了更好地分析驗證移動式消磁站工作磁場的分布特性，以對3#艦?zāi)Ｏ艦槔瑢ζ溥M(jìn)行了計算機(jī)仿真計算，計算結(jié)果如表4所示。

從表4中可以看出，左、右舷工作電纜單獨作用時，各自分別對左、右舷產(chǎn)生作用；左、右舷工作電纜共同作用時，產(chǎn)生的工作磁場最大；工作電流越大，產(chǎn)生的工作磁場也越大。當(dāng)通1#工作電流時，產(chǎn)生的磁場最大，但是磁場強(qiáng)度還是略顯不足，尤其是對經(jīng)過大修的艦艇，個別部位的工作磁場可能難以超過造船鋼板的矯頑力，從而容易導(dǎo)致艦艇下方部分位置結(jié)果磁場不達(dá)標(biāo)。

表4 3#艦?zāi)９ぷ鞔艌龇抡嬗嬎憬Y(jié)果表（測量點位于水線面下6 m處，數(shù)據(jù)作歸一化處理）

2.3 改進(jìn)建議

一是對工作電纜的布設(shè)方式進(jìn)行改進(jìn)。將工作電纜靠近艦艇舷邊從船艏返回到船艉，然后進(jìn)入電源。在對2#艦?zāi)Ｏ艜r，采用了上述工作電纜布設(shè)方式，測量發(fā)現(xiàn)通電產(chǎn)生的磁場利用率較高，消磁后艦艇結(jié)果磁場合格。

二是部分艦艇不適合由移動式消磁站消磁。因新造艦艇或大修出廠后的艦艇固定磁場一般較大，需要較大的磁場能量對其進(jìn)行退磁處理，而移動式消磁站主要突出應(yīng)急機(jī)動消磁保障能力，設(shè)計輸出的能量有限，因此不適于為這類艦艇進(jìn)行消磁。

3 結(jié)語

移動式消磁站具有機(jī)動靈活、生命力強(qiáng)、建造成本低等優(yōu)點，可作為固定消磁站的有利補充。本文通過理論分析、計算仿真、船模實驗等方法，對該型裝備在使用過程中可能出現(xiàn)的主要問題進(jìn)行了分析研究，提出了科學(xué)可行的優(yōu)化改進(jìn)方案，能夠進(jìn)一步提升移動式消磁站機(jī)動消磁保障效能，對日常消磁保障工作具有很強(qiáng)的借鑒指導(dǎo)作用。

[1] 馬偉明, 張曉峰, 焦儂等. 中國電氣工程大典：第12卷, 船舶電氣工程[M]. 北京: 中國電力出版社, 2009: 673.

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[4] 郭成豹, 劉大明, 肖昌漢等. 一種艦船退磁方法[P]. 中國: 20110456000.9, 2011-12-30.

[5] 郭成豹, 劉大明, 肖昌漢等. 一種鐵磁物體退磁方法[P]. 中國: 201210026415.7, 2012-02-07.

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[7] 高俊吉, 劉大明, 肖昌漢等. 帶有漂浮式扁平消磁電纜的消磁裝置[P]. 中國: 201420663677.9, 2014-11-07.

Optimization and improvement of motorized deperming guarantee method for mobile deperming station

Hu Xin1, Zhang Di2, Yang Hui3, Gao Junji1

(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2.Unit 91315, Dalian 116041, China; 3. Unit 91370, Fuzhou 350015, China)

U674

A

1003-4862（2022）09-0025-05

2022-03-15

海軍工程大學(xué)自主立項科研項目資助（2020504280）

胡欣（1980-），男，高級實驗師，研究方向：艦艇消磁。

張迪（1981-），男，工程師，研究方向：艦艇消磁。E-mail：16684050@qq.com