潛艇磁場的估算與仿真

孫 權, 唐勁飛

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潛艇磁場的估算與仿真

孫 權1, 唐勁飛2

(1. 駐七五O試驗場軍事代表室, 云南 昆明, 650051; 2. 海軍潛艇學院 戰略導彈水中兵器系, 山東 青島, 266071)

潛艇磁場的分析估算與仿真對于開發誘餌、靶標和磁探儀具有重要的實際意義。本文分析了潛艇磁場旋轉橢球體模型與磁偶極子模型, 估算了潛艇磁場的大小。在比較了高磁導率下空心球體與實心球體磁場差別的基礎上, 提出了采用空心永磁體模擬潛艇磁場這一方法, 由此估算了永磁體模擬的基本參數。該方法為磁性探潛的理論研究與試驗, 以及實現誘餌和靶標的潛艇磁場仿真功能提供了參考。

潛艇磁場; 旋轉橢球體模型; 磁偶極子模型; 永磁體; 估算; 仿真

0 引言

磁性探潛是反潛戰中重要的技術手段, 無論是老式的P-3C還是新型的P-8A, 美軍反潛機上都裝備有航空磁探儀, 模擬潛艇磁場可以訓練我軍航空反潛裝備。若在聲誘餌的基礎上增加潛艇磁模擬功能, 可提高誘餌模擬潛艇的逼真性, 實戰中也可以用來對抗磁引信魚雷。水中兵器試驗中, 在聲學靶標的基礎上增加磁模擬功能從而形成“磁靶”, 可以在考核魚雷聲學性能的同時考核其磁引信功能。因此, 潛艇磁場的分析估算和仿真是很有實際價值的。

潛艇磁場模擬涉及兩方面問題, 首先是如何正確分析和估算潛艇磁場的大小, 其次是采取什么樣的技術手段模擬潛艇磁場, 本文將對其逐一展開探討。

1 潛艇磁場的分析與估算

潛艇磁場可分為兩部分: 恒定磁場與感應磁場[1-2]。恒定磁場是當外磁場為零時潛艇自身的磁場, 感應磁場是潛艇在外磁場(背景磁場)作用下感應的場。可以肯定的是, 無論恒定磁場或感應磁場, 有限區域內物體遠場為磁偶極子場與背景磁場的和。潛艇所處的背景磁場——地磁場是弱磁場, 總場強度在20~60 μT。恒定磁場大小受材料、建造等許多因素影響, 精確的理論計算比較困難。潛艇恒定磁場可以在消磁站定期消除。關于感應磁場, 在均勻磁化及較規則幾何體假設下, 有精確的理論結果。

式中:

其中:

感應磁場的一般計算公式為[2]

旋轉橢球體感應場可認為, 在離源足夠遠時, 與偶極子的場相同。但具體多遠是一個值得研究的問題。對磁矩相同的偶極子和橢球體產生的場進行仿真計算, 比較在相同位置的場, 在大于3倍磁場尺度的場點, 結果發現, 如果距離橢球體球心大于3倍橢球體長軸長度, 則其與偶極子場差異小于5%, 可認為兩者基本相同。

從以上分析可以看出, 無論是磁場的估算還是仿真, 首要的是確定磁矩。

以上計算是針對實心旋轉橢球體的。實際的潛艇是中空的, 近似為空心旋轉橢球體。空心、實心橢球體的場間區別可類比實心球與空心球的場。

設空心球內外徑之比為, 則空心球產生的磁場與實心球產生的磁場其比值為[2]

當=200時, 不同內外徑比的空心球產生的磁場與實心球的磁場比值可見表1。

表1 不同內外徑比下空心球與實心球的磁場比

2 潛艇磁場的仿真

要模擬潛艇的磁場, 最重要的是建造一個物體, 能產生合適大小的磁矩。產生磁場有兩種方法: 通電線圈模擬和永磁體模擬。文獻[4]提出用電極模擬潛艇磁場對抗航空磁探的方法。潛艇磁矩在107~108Am2量級, 要產生這么大磁矩, 要么采用大電流的線圈, 要么采用大面積的線圈。如采用1 A的電流產生磁矩, 線圈的長度在10~100 km。如采用1 m2的線圈產生磁矩, 則電流強度一般導線無法承受, 同時也會產生大量的焦耳熱。采用超導技術能部分地解決電流的產生與維持問題, 但考慮到磁場模擬裝置可能會放到水下, 這些用實際電流產生磁矩的方法實用性都不好, 所以轉向考慮永磁體模擬。采用永磁體的好處是: 不需要提供能源、體積小、價格便宜、維護性好, 因此目前許多電機的磁系統都采用永磁體。

潛艇磁場模擬器可采用拖曳線列陣實現, 線列陣可放在誘餌或靶的尾部。通過控制陣列中磁體的轉動, 改變磁矩的方向, 就可以調整合成模擬磁場的大小和方向。

3 結束語

本文討論了潛艇磁場的估算和仿真。分析了潛艇磁場的模型, 比較了空心與實心物體的磁場, 得到了潛艇磁場的數量級。為模擬潛艇磁場, 提出了用空心永磁體球來模擬潛艇磁場的方法, 并估算出了模擬體的物理及幾何參數。這些工作為磁性探潛的理論研究及試驗, 以及實現誘餌和靶標的潛艇磁場模擬功能提供了參考。

對于潛艇磁場的模擬, 需要在本文的研究基礎上進一步實用化, 如材料的選擇和加工問題。另外, 強磁體會產生強烈的吸引或排斥力, 這也是需要考慮的問題。

[1] 葉平賢, 龔沈光. 艦船物理場[M]. 北京: 兵器工業出版社, 1992.

[2] 周耀忠, 張國友. 艦船磁場分析與計算[M]. 北京: 國防工業出版社, 2004.

[3] 謝處方, 饒克謹. 電磁場與電磁波[M]. 北京: 人民教育出版社, 1979.

[4] 汪曉雨, 劉忠樂. 基于小型運動載體的潛艇磁誘餌磁場產生方法[J]. 水雷戰與艦船防護, 2006, 16(4): 18-21.

Estimation and Simulation of Submarine Magnetic Field

SUN Quan1, TANG Jin-fei2

(1. Military Representative Office, Stationed in the 750 Test Range, Kunming 650051, China; 2. Department of Ballistic Missile and Underwater Weapon, Navy Submarine Academy, Qingdao 266071, China)

Estimation andsimulation of submarine’s magnetic field are of practical significance to the development of decoy, aiming target, and magnetic fieldsimulation detection instrument. This paper analyzes the rotary prolate spheroid model and the magnetic dipole model, and estimates the magnitude of submarine magnetic field. Comparing the magnetic fields of hollow sphere and solid sphere with high permeability, a method of applying hollow permanent magnet to simulation of submarine magnetic field is proposed, and the essential parameters of the permanent magnet are estimated with this method. This method may be taken as a tool in theoretical research and experiment of submarine′s magnetic field detection and in realization of the submarine′s magnetic field simulation for decoy and aiming target.

submarine′s magnetic field; rotary prolate spheroid model; magnetic dipole model; permanent magnet; estimation; simulation

TJ630; U674.76; TM153

A

1673-1948(2011)04-0318-03

2010-07-13;

2010-12-08.

孫 權(1970-), 男, 碩士, 高工, 研究方向為水中兵器試驗.

(責任編輯: 許 妍)