德國海軍消磁系統發展現狀及應用

韋春健，史振宇

（1. 海軍駐桂林地區軍事代表室，廣西桂林541002； 2. 海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，武漢 430060）

0 引言

隨著水雷磁引信技術[1-2]的飛速發展，消磁系統在艦船研制中的地位愈發重要。在艦船上配備消磁系統是對抗水雷最為有效的一種方法。通過消磁可有效降低艦船的磁場特征信號水平，從而滿足在布設水雷的情況下安全執行任務的需要，如圖1。德國海軍作為世界上最早將磁引信水雷應用于實戰的國家，其在消磁領域上的技術一直處于世界先進水平。從傳統的集中式消磁系統已發展到目前的分布式消磁系統，主要有“DEGROT”、“DEG－STAT”、“DEG－COMP”等型號。其中“DEG－COMP MOD 1”是其中最先進的，該系統由SAM電子公司研制，是一種模塊化、分布式、集中控制的通用型消磁系統，通過采取差異化的配置模式可部署于不同類型的海軍艦船。目前裝備該消磁系統的艦船有德國海軍的F124型護衛艦、212型潛艇、702特遣部隊供應船和韓國海軍的LPX直升機母艦、KDX-II(III)驅逐艦以及意大利、印度、馬來西亞、南非、土耳其的海軍艦船[3]。

圖1 消磁后艦船磁場的降低

1 “DEG－COMP MOD 1”消磁系統

1.1 系統功能

系統中心單元接受來自三個方面的輸入信息：艦艇導航系統提供的經緯度、傾斜、搖擺，羅經提供的航向，布置在桅桿處的三分量磁強計所測量的地磁場信息。當艦船的航行方向及地區發生變化時，中心單元根據實時輸入的上述信息對本艦所產生的磁場量進行解算，給出相應的控制信號輸出到各功率放大器中。與各功率放大器對應的消磁線圈中的電流跟隨控制信號的變化進行自動調整，對艦船的固定磁場、感應磁場及渦流磁場進行相應的補償，達到降低艦船磁場特征信號的目的[4]。具體的功能實現流程如圖2所示。

1.2 系統結構

系統由消磁控制單元（DCU）、消磁電源、遠程控制單元（BCU）、磁探測系統、消磁線圈等功能模塊單元組成，可根據不同類型的艦船選擇不同的模塊進行組合配置。在潛艇上由于三分量磁強計安裝的不可行性，所以在潛艇消磁系統中不包含磁探測系統模塊。

1.2.1 消磁控制單元（Degaussing Control Unit）

消磁控制單元中的計算機是整個消磁系統的核心，它提供與導航系統和消磁系統其他主要設備（包括消磁電源、磁探測系統等）的接口，并通過附帶鍵盤和熱鍵功能的液晶顯示屏提供良好的人機工程界面，使用者可通過計算機軟件的控制菜單對系統的運行情況進行監視和控制。

圖2 消磁功能實現流程

系統的工作模式分為自動和手動兩種情況。在自動模式下，計算機自動接受兩路相互獨立的數據信息，并隨機選擇一路作為主數據源，另一路作為從數據源，采取兩種方式分別對艦船所處位置的地磁場進行解算。以磁探測系統數據為輸入的解算方式：通過三分量磁強計測出作用在艦船縱向、橫向和垂向三個方向上的總磁場數據，并采取措施消除其中的干擾磁場信號，得到艦船所處位置的地磁場數據。根據導航系統給出的艦船位置信息即可查出該位置的地磁場信息。在消磁系統運行的過程中，計算機程序會對從不同途徑得出的地磁場信息進行監控和比較，以保證地磁場數據輸入的正確性。當二者之間的差異超過程序的規定值時，程序立即啟動自檢模塊對上述輸入進行檢查，然后選擇正確的一路輸入作為系統的主數據源。在磁探測系統和導航系統與DCU計算機失去通信聯系的情況下，可采取手動模式通過鍵盤手動輸入艦船的位置和航向信息。

DCU中的計算機根據所獲得艦船所處位置的地磁場信息和羅經給出的艦船航向，得到艦船的磁場值。經過處理輸出相應的控制信號到各功率放大器。各功率放大器的輸出電壓、電流等實時工作信息均被實時監測，并上傳至DCU中。這些數據會與計算機的輸出控制信號進行比較，當其偏差超過系統的規定值時，在DCU和BCU的計算機程序中會發出報警指示。

1.2.2 消磁電源（Degaussing Power Supply）

根據不同型號的艦船，消磁系統提供兩種不同的線圈供電模式：針對單位線圈功率消耗較低的艦船采取集中式，例如掃雷艦、潛艇，對應于各消磁線圈的功率放大器可整合至一個集中式的機柜中；針對單位線圈功率消耗較高的艦船采取分布式，像登陸艦、運輸船，通過使用相互獨立的消磁功率放大模塊為不同部位的消磁線圈供電示。上述供電模式所使用的功率放大器屬于同一系列，可根據需要設計成不同的結構和額定功率。功率消耗在60－500 W之間的，由于功率較低各功率放大器設計成模塊化的組件，布置在一個集中式供電的消磁電源機柜中為全船的消磁線圈提供電源；分布式供電的消磁功率放大模塊其輸出功率為3－5 kW,最大可達到9 kW，最大輸出電壓為440 V，全船所有的消磁功率放大模塊通過變壓器獲得合適的輸入電壓并與主電網隔離。各DPU均連接至DCU上，接受DCU的控制命令，并將本地的實時電壓電流信號值上傳至DCU。

1.2.3 遠程控制模塊（Bridge Control Unit）

作為消磁系統不可缺少的一部分，擔負著系統遠程控制和監視的功能。同時是DCU的冗余設計，操作面板可手動輸入艦船導航信息，在DCU喪失功能的情況下保證消磁系統仍能為艦船提供一定的磁防護能力。

1.2.4 磁探測系統

包括磁信號處理單元（安裝在DCU中）和三分量磁強計。三分量磁強計通常安裝在水面艦船的桅桿上，探測艦船所處位置縱向、橫向和垂向三個方向的磁場信號。然后經過磁信號處理單元進行相應處理，從而得出真實的地磁場信號值。

2 系統設計理念分析

系統通過功能模塊化、設備小型化以及靈活的電源配置原則，有效地提高了系統的集成度和通用性，使得該系統可裝備于不同類型的艦船。除消磁電源外，消磁控制單元、遠程控制單元、磁探測系統在不同的艦船上均可互換通用，降低了消磁系統的研制成本和裝備保障的難度。采取了分布式消磁線圈的設計方法，即對應于艦船不同部位不同類型的消磁線圈，由于各消磁線圈獨立供電，故可以采用調整繞組電流與區段匝數相結合的方式對消磁系統進行安匝調整，改變了以往只能采用反接繞組的方式進行跳躍式調整的做法，而且繞組變細，實現方便、快速、精細、高效調整的目標。由于各消磁線圈構成獨立回路，當任一線圈發生故障時，不會影響其它線圈，方便故障維修；同時通過分區供電，減小了線圈電纜的需用截面積，從而降低線圈電流，使系統能耗降低，同時帶來設備的小型化、發熱量的下降等技術優勢。同時減少了消磁電纜的使用數量和重量，降低了系統成本和提高了總體性能。在船廠建造方面，由于電纜截面變細，在船體上的開口減小，從而使得電纜開口對船體結構的影響程度下降，并降低了電纜的敷設難度和施工量。各消磁線圈均在船體各部位獨立敷設，繞組回路獨立，且各分區之間沒有接口關系，可在各船體分段獨立制作期間、或某些分段合攏后進行繞組電纜敷設，對于縮短建造周期、降低費用、提高質量都具有重要意義[5-6]。

系統在消磁控制方式上采取了 “磁強計式消磁控制”和“地磁解算式消磁控制”二者相結合的控制模式。“磁強計式消磁控制”是在距離艇體一定距離的位置安裝三分量磁強計，根據探測結果調節消磁電流進行控制，其優點是可以實時測量艦船感應磁場，不受地域限制，其缺點是三分量磁強計容易受到艇體磁場干擾，需要進行抗干擾處理。“地磁解算式消磁控制”則采用地球磁場模式組進行地磁解算后得到磁場，根據磁場在艦船坐標的投影結果調節消磁電流，其優點是不需要安裝三分量磁強計，而且精度不受時間影響，缺點是它的精度與地球磁場模式組密切相關，在遠洋海域驗證難度大。西方發達國家航海歷史悠久，航跡遍布世界，多年來積累了豐富的海洋各處地磁實測值，并與IGRF（主要表征地磁正常場）相結合分析得到地磁異常數據庫。我國海洋工作起步較晚，缺少世界其他大洋海區的三分量磁場實測數據。“地磁解算”式消磁設備的不足恰恰就是“磁強計控制”式消磁設備的優點，兩種方式可以互為補充。在傳統的消磁系統中通常在消磁控制方式上只采取一種控制模式，因此無法保證系統的消磁精度。系統通過采取不同的控制模式對艦船磁場進行結算并比較，當二者差異較大時按照系統的設定進行分析，然后選擇正確的艦船磁場信號值控制消磁電流進行相應的調整，從而保證消磁系統工作的有效性。

3 結語

隨著我國海軍建設的發展，新入役的艦種日益繁多，噸位逐步大型化，這些艦船都需要配備相應的消磁系統，而傳統的消磁系統對消磁電源的功率越來越大，需要投入相當多的精力解決消磁電源的電磁兼容、溫升、電纜敷設等問題。因此，采用分布式消磁系統是未來艦船消磁系統發展的趨勢，我國可借鑒德國海軍消磁系統設計的先進理念，從而提高艦船的磁防護水平，為打贏現代化條件下的海上局部戰爭作出應有的貢獻。

[1] 艦船物理場M]. [北京: 兵器工業出版社, 2007.

[2] 艦船消磁理論與方法[M]. 北京: 國防工業出版社,2011.

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

[4] Kalyanmoy Deb, Amrit Pratap, Sameer Agarwal,etal.A fast and elitist multiobjective genetic algorithm:NSGA-II.IEEE Trans Erol Comput 2002,6(2): 182-197.

[5] H.hirani, N.P.Suh. Journal bearing design using multiobjective genetic algorithm and axiomatic design approaches. Tribol Int, 2005,38(5): 423-451.

[6] HOITHAM P,JEFFREY I,BOOKING B,etal.Eletromagnetic signature modeling and reduction[C]//Conf Proc.UDT Europe,1997:97-100.