辅助舰船应急消磁系统研究.pdf

文章编号1009 - 3486200204 - 0037 - 04 辅助舰船应急消磁系统研究 ① 刘大明 海军工程大学 电气工程系,湖北 武汉430033 摘 要讨论了辅助舰船应急消磁系统设计中面临的两个主要的技术难题,指出了解决思路.针对未消磁舰 船,设计了一套应急消磁系统技术方案. 关键词舰船;磁场;消磁系统 中图分类号U665. 18 文献标识码A 通常主战舰船的消磁系统是和舰船同时设计、 同时建造且与舰船融为整体.对此,我们有一套完整 的设计理论和方法,也有较完备的试验条件.而对已建造好且在服役的舰船,如辅助舰船和商船设计加 装消磁系统却是一个新的消磁技术问题通常称之为应急消磁系统设计 , 在国内是第一次提出来研究. 相对于主战舰船消磁系统设计,应急消磁系统设计的特点在于一是由于过去大量的辅助舰船和商 船均未装消磁系统,所以没有母型船作设计参考;二是在某种特殊的应急状态下,对外型及吨位千差万 别的辅助舰船和商船制作相应的磁性船模显然是不现实的,所以设计的试验条件困难;三是在已经建造 好了的舰船上设计消磁系统受到诸多条件的约束,如不能改变舰船结构,船内布线穿舱困难等.当然,作 为特殊状态下的应急消磁还应具有快速方便等特点.正是因为应急消磁系统设计的上述特点,所以在设 计研究中我们必将面临两个技术难题一是不利用磁性船模,主要通过理论计算快速地获得舰船磁场尤 其是舰船感应磁场分布数据;二是不借助母型船数据快速设计出满足一定磁性防护要求的应急消磁绕 组.显然,由于受试验条件等方面的限制,应急消磁系统设计更强调应用理论设计手段.因此,根据应急 消磁的战术技术要求,研究一种方便快捷的舰船磁场理论计算方法,在诸多相互排斥的制约条件下,设 计一套优化合理的消磁线圈就成为应急消磁技术研究的主要内容. 1 舰船感应磁场 舰船感应磁场的大小和分布规律是设计消磁线圈的基本依据,研究利用理论计算的方法得到舰船 感应磁场的分布数据具有重要意义.舰船感应磁场的计算问题是一个开域情况下的三维静磁场计算问 图1 铁磁舰船的单元剖分示意图 题,电磁场的积分方程法很适合于这种场合的应用. 把均匀磁化的概念与微分方程法中的离散概念结合起来,得 到基于麦克斯韦方程的积分形式的离散代数方程组,形成了积分 方程法IEM [1]. 积分方程法可以解决广阔和无界区域的二维和 三维电磁场问题,现在该法在科学实践中日益引起重视.应用积 分方程法计算舰船感应磁场时,只需剖分产生磁场的区域即整 个钢质舰船,见图1 , 铁磁物质内部的磁化强度与外磁场的关系 是[2] 第14卷 第4期 2002年8月 海 军工程大学学报 JOURNAL OF NAVAL UNIVERSITY OF ENGINEERING Vol. 14 No. 4 Aug. 2002 ①收稿日期2001212230 ;修订日期2002205222 作者简介刘大明1956 - ,男,副教授,硕士. 1 χM → r → H → s- 1 4π∫Ω M → r → ′ r → -r → ′ |r → -r → ′| 3 dΩ1 其中 H → s为地磁场; M → 为磁化强度;χ为钢材磁化率. 将铁磁舰船剖分为N个单元,当单元足够小时,可以认为单元内的磁化强度是均匀的.若取单元中 心点处M → 的各分量值为变量,可将矢量积分方程1转化为标量方程组 1 χi [ Mxi] [ Myi] [ Mzi] [ Cixjx][ Cixjy][ Cixjz] [ Ciyjx][ Ciyjy][ Ciyjz] [ Cizjx][ Cizjy\〗[ Cizjz] [ Mxj] [ Myj] [ Mzj] [ Hsxi] [ Hsyi] [ Hszi] 2 式中 1 χi 为3N阶对角阵;[ Ciξjη]为 N N 阶系数矩阵,其中的各元素完全由单元的几何参数确 定;[ Mηi] ,[ Mηj] ,[ Hsηi]为场量分量的N阶列向量;ξx , y , z ; η x , y , z. 在地磁场这样的弱磁场28～71μT中,舰船钢材的磁特性可以近似看作是线性的[3],可以直接求 解标量方程组2 , 计算得到各单元的磁化强度M的各分量,进而可以计算得到钢制舰船外任一点的 磁场强度. 积分方程法计算中,系数矩阵是非对称满阵,需要全部存储,对计算机的内存要求很高,剖分单元的 数目受到限制.因此,将舰船磁性等效为实心的铁磁物体,相应的区域具有相应的等效磁化率.若舰船某 个区域,总体积为V ,含有n块体积分别为Vi,磁化率分别为χi的铁磁物质 i 1,⋯, n ,则这个区域 的等效磁化率定义为 χ ∑ n i 1 χiVi V 这样将铁磁舰船等效为一个分块均匀、 各向同性的实心铁磁体,可以方便地应用积分方程法计算舰船在 地球磁场作用下的感应磁场. 积分方程法在舰船感应磁场的计算中取得了一些成果,而且容易实施.实际上,完全将舰船看作是 分块均匀、 各向同性的铁磁媒质是不客观的.目前来讲,这种方法存在一些难以消除的等效误差,这个问 题需要进一步的研究改进. 2 绕组组合形式 初步研究表明,大型补给船的磁场特征为[4]在某深度,消磁前,原始磁场垂直分量Hz可以达到 10～20μT.感应磁场中, Ziz最大值约为2.5～4.0μT,且衰减较慢; Zix最大值约为2.0～3.0μT; Ziy 最大值约为2.0～3.0μT,衰减较快.由于大型补给船的外形尺寸比战斗舰艇的外形尺寸大得多,在相 同深度下,大型补给船的磁场特征与战斗舰艇的磁场特征在幅值和形状上有着显著不同. 舰船消磁绕组的安放位置在船舷外绕设效果好,可是考虑到波浪、 停靠船时的损伤,对于新造的钢 质船,由于都在舷内装备绕组,而消磁效率差,因此需要增加10～20的安匝[5].磁场形状及其它方 面,在效果上没有很大差别.对于已经建成的辅助舰船,在船体内部加装消磁绕组是较为困难的事情,成 本大,施工周期长,不适应现代战争的突然性.较为容易的做法是在上层甲板舱面和两舷外侧布设消磁 绕组.考虑到船舷外装设绕组困难比较大,最好用相应的上甲板绕组来等效替代. 对于大型主要水面舰船如航母、 巡洋舰、 大型辅助船等 , 一般不采用临时线圈消磁[6]因消耗电 能大、 绕缆劳动量大、 消磁处理工艺难且消磁时间长 , 但要求这类舰船的消磁系统既有抵消固定磁性磁 场的绕组,也有抵消感应磁场的绕组. 鉴于上述原因,对于大型补给船,可以采用的消磁绕组形式为ZHW、ZHT、HP、GHP绕组组合.为了 方便施工,ZHW、ZHT、HP、GHP绕组取相同的坐标位置.经过调整后,ZHT、GHP绕组中的电流是恒定 83海 军 工 程 大 学 学 报 第14卷 的,可以合并为一个绕组,取名为GHPZHT绕组.这样布设的消磁绕组对舰船的航行性能和其它系统干 扰小. 安匝区段的划分,首先要考虑铁磁物质对绕组磁场的影响.要防止在一个安匝区段内所属的两个或 两个以上的舱室内装有磁性性质完全不同的材料和机械,或一个大型机械跨在两个安匝区段之间.否 则,有可能出现当大型机械所在处的局部磁场发生变化时,绕组安匝不能满足调整要求.这些与舰船内 部绕组的安匝区段划分原则相同.更为重要的是,要注意上层建筑的影响.根据船体结构以及上层建筑 情况,可将大型补给船分为5个安匝区段见图2 . 应用最小二乘法,可得到一组能较好地补偿舰船的 感应磁场和部分固定磁场的绕组坐标和绕组电流值. 拥有了上述绕组,大型补给船便可以被消除大部分的磁场特征信号,大幅度地提高磁防护能力. 图2 消磁绕组布设位置示意图 3 集装化的应急消磁设备模块 为了满足应急消磁系统装设迅速、 施工周期短的要求,应急消磁系统的电源以及其它必要设备要做 图3 应急消磁设备模块集装箱示意图 到集成化、 模块化.所有应急消磁系统的设备,包括消磁电源、 消 磁电流调整仪等,集成到一个符合ISO标准的集装箱中见图3 , 供电由被消磁舰船本身的电力系统供电. 集装化的消磁设备模块,同标准集装箱一样,可以在普通的 公路运输系统、 铁路运输系统甚至航空运输系统中方便快速地装 卸、 运输.设备暂时不用时,储存和维护也非常简单.如果紧急需 要,该集装箱可以被快速地吊装到舰船上甲板的合适位置,固定 并紧急启用,施工周期极短,可以在普通码头上完成.这样做不会 影响设备的正常运行,还满足了应急消磁设备的快速运输、 方便 储存维护和紧急安装的战术技术要求. 4 结 论 为了保证未消磁舰船免受磁性水雷的威胁,给未装消磁系统的辅助舰船加装应急消磁系统,是目前 条件下必要和可行的技术措施.本文提出的技术方案解决了应急消磁系统设计工作中的两个主要技术 难题,基本满足了应急消磁的战术技术要求.设计出的应急消磁系统可以较高程度地增强未安装消磁系 统舰船的磁防护能力,且具有理论计算简单,实际布设方便等特点.本文提出的技术思路,为解决大量辅 助舰船的应急消磁问题,奠定了技术基础. 对舰船设计安装消磁系统能在很大程度上提高舰船对各种磁性水雷的防护能力,是目前最有效的 磁防护手段之一.对于辅助舰船的消磁系统来说,这种系统不仅能够用来减小船体的磁场,降低船体磁 场触发周围的常规型式的磁性水雷的概率,而且,这种消磁系统还能被用来改变舰船的磁场特征,干扰 93 第4期 刘大明辅助舰船应急消磁系统研究 那种专门由某种特殊形式的磁场特征如表征大型辅助船的磁场特征引爆的灵敏水雷,这种水雷对于 其它形式的磁场特征如小型舰艇的磁场特征将不予理睬. 参考文献 [1] 樊明武,缪一心.用于加速器及其输运系统磁铁设计的数值计算方法[R].北京中国核情报中心,1986. 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