潛艇分艙分區域總體電磁兼容性設計

熊 勇，臧 濤

(1. 中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064；2. 海軍駐中國艦船研究設計中心軍事代表室，湖北 武漢 430064)

潛艇分艙分區域總體電磁兼容性設計

熊 勇1，臧 濤2

(1. 中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064；2. 海軍駐中國艦船研究設計中心軍事代表室，湖北 武漢 430064)

總體電磁兼容性設計是潛艇總體設計的關鍵環節之一，其設計質量直接決定了潛艇總體設計的優劣。以往潛艇的總體電磁兼容性設計主要依據經驗和標準，一方面容易導致潛艇平臺總體電磁兼容性的欠設計或者過設計；另一方面無法針對性的指導潛艇平臺指定區域新系統、設備的研制。相對于其他艦船平臺而言，潛艇平臺的電磁環境具有獨特的區域化分布特點。針對潛艇平臺這一特性，提出了潛艇分艙分區域總體電磁兼容性設計體系和流程，以及分艙分區域設計和控制程序，可為今后潛艇開展總體電磁兼容性設計提供參考。

電磁兼容；潛艇；分艙；分區域

0 引 言

電磁兼容性（EMC）是設備、分系統、系統在共同的電磁環境中能夠一起執行各自功能的共存狀態。包括 2 個方面：一是設備、分系統、系統在預定的電磁環境中運行時，可按規定的安全裕度實現設計的工作性能，且不因電磁干擾而受損或產生不可接受的降級；二是設備、分系統、系統在預定的電磁環境中正常工作且不會給環境（或其他設備）帶來不可接受的電磁干擾[1]。

電磁兼容性是潛艇重要的總體性能指標之一，其性能的好壞直接影響潛艇的作戰效能。在潛艇總體設計中，一方面要求減小電磁干擾，使潛艇中的電磁干擾消除或者抑制到最低程度；另一方面是加強潛艇上各系統設備抵御外界影響、適應復雜電磁環境的能力[2]。要達到這一目標必須要有一個良好的總體電磁兼容性設計方法，可以說總體電磁兼容性設計是潛艇總體設計重要的關鍵環節之一，其設計成敗直接決定了潛艇總體設計的優劣。

1 潛艇總體電磁兼容性設計

1.1 國內潛艇總體電磁兼容性設計的發展概況

我國系統地開展潛艇總體電磁兼容性設計始于 20世紀 90 年代，通過在型號工程中逐步開展電磁兼容性研究和總體設計工作，我國潛艇總體電磁兼容性設計技術取得了長足的進步，已經跨過了“問題解決法”，完成了“標準控制法”，并在“系統分析法”的實踐基礎上提出了針對于潛艇平臺的“分艙分區域控制法”，保障了我國潛艇全壽命期的電磁兼容性。

然而我國潛艇總體電磁兼容性設計技術在理論研究、試驗測試、標準制定、設計精度等方面與發達國家存在一定差距。為使我國潛艇總體電磁兼容性設計技術達到甚至超越美、俄等發達國家水平，還需要開展大量的研究實踐工作。

1.2 存在的有關問題

以往潛艇的總體電磁兼容性設計以“標準控制法”為核心，即根據研制時所采用的標準規范，嚴格控制裝艇設備的電磁兼容性性能，這種方法較“問題解決法”先進，大大降低了全工程的電磁兼容性風險。然而隨著技術的發展和工程的深化，這種方法的不足之處也逐漸顯現。

1）標準是從實踐經驗中綜合提煉而提出的一種普遍性指標，容易導致特定平臺電磁兼容性的欠設計或者過設計，降低全工程的效費比。通過對型號工程中裝艇設備電磁兼容性檢測超標問題處理情況的分析表明：裝艇設備個別檢測項目超標不一定會導致總體電磁兼容性問題，而即使是全部檢測項目均達標的裝艇設備也可能引發電磁干擾問題。

2）基于“標準控制法”的設計是一種共性化的設計，往往會忽視具體平臺、特定區域的電磁環境特性，針對性不夠強，無法針對性的指導該特定平臺或者指定區域的新系統和設備的研制。

1.3 潛艇平臺的電磁環境特點

由于鋼結構對于電磁能量具有良好的屏蔽效果，所以對于潛艇平臺而言，耐壓殼體結構可以極大地衰減電磁能量，對其內外的電磁環境起到隔離作用，使得潛艇的艦面區域（耐壓殼體外部區域）和艙內區域（耐壓殼體內部區域）的電磁環境相對獨立；同時潛艇艙內普遍采用隔斷分艙分層的設置，各種縱橫隔壁、平臺板以及周圍的耐壓殼體結構的屏蔽作用使得各個隔斷艙、各個封閉艙室也形成了相對獨立的區域電磁小環境。綜上所述，相對于其他艦船平臺而言，潛艇平臺的電磁環境具有區域化分布的特點。

潛艇平臺的區域電磁環境特點如下[2]：

1）艦面區域：各種射頻天線集中布置。區域內輻射型電磁環境十分惡劣，需重點解決區域內電子設備的輻射型電磁干擾問題，并有效控制區域內人員活動區的射頻輻射電場環境。

2）艙內動力系統/發電變電設備布置區域：各種大功率電力電子變換設備集中布置。區域內傳導型電磁環境十分惡劣，需重點保障區域內系統設備的自兼容，并有效控制傳導型電磁干擾通過電纜傳導耦合和地電流傳導耦合方式對其他區域設備的影響。

3）艙內電子敏感設備布置區域：各種敏感的電子設備集中布置。區域內電磁環境較好，需重點保障區域內系統設備的自兼容，并有效控制外部產生的傳導型電磁干擾通過電纜傳導耦合和地電流傳導耦合方式對該區域設備的影響。

2 潛艇分艙分區域總體電磁兼容性設計

在總結潛艇總體電磁兼容性設計工作的基礎上，針對潛艇平臺電磁環境區域化分布的特點，提出了一種個性化的分艙分區域總體電磁兼容性設計方案，并形成了初步的分艙分區域總體電磁兼容性設計體系和流程，以及設計程序和控制指南，同時借助于計算機仿真技術、半實物仿真技術和模實試驗技術，在總體設計階段對電磁兼容性設計方案進行驗證、評估和迭代，可以有效提升潛艇總體電磁兼容性設計的精度和效率，也可為今后潛艇開展總體電磁兼容性設計工作提供參考。

2.1 分艙分區域總體電磁兼容性設計體系和流程

在潛艇立項論證階段對其作戰需求和設備配置情況進行充分論證，提出該型潛艇總體電磁兼容性指標和要求。

在總體設計初期即開展電磁兼容性設計與控制工作，做好頂層規劃，并制定總體電磁兼容性控制措施。根據總布置中的艙室劃分和相關設備的電磁兼容特性，對艙室電磁環境進行預估，從而對總體電磁兼容性設計區域進行初步劃分，并隨著設計階段的深入，不斷調整和優化。

在開始進行總體設計時就進行系統的精細化控制，將總體電磁兼容性指標進行逐級分解，將總體電磁環境指標要求分解到全艇劃分好的各個設備布置區域，分配到這些設備布置區域中的有關系統和設備。

在有關系統和設備的研制中開展電磁兼容性設計，確定系統和設備的電磁兼容性指標，并在系統、設備的技術規格書中予以明確，作為出廠檢驗的一項考核指標。

將電磁兼容性控制落實到設計和建造的各個階段以及潛艇總體設計的各個方面，從總布置、電氣設備和電子武備等方面系統的控制全艇的電磁兼容性。

潛艇分艙分區域總體電磁兼容性設計體系和流程如圖1 所示。

圖1 分艙分區域總體電磁兼容性設計體系和流程圖Fig. 1 Flow chart of general design of electromagnetic compatibility utilizing subdivision and zoning

2.2 分艙分區域總體電磁兼容性設計和控制程序

潛艇的總體電磁兼容性涉及到總布置、電氣設備、電子武備以及施工工藝等諸多方面。在總體設計中，應體現電磁兼容性設計的要求，并將總體電磁兼容性控制措施融入到每個階段的設計中。

潛艇分艙分區域總體電磁兼容性設計一般應經歷以下幾個階段，如圖2 所示。

1）在方案論證階段，開展總體電磁兼容性頂層研究，確定總體電磁兼容性指標。

全艇電磁兼容性指標主要依據潛艇的作戰使用性能、母型艇的電磁兼容特性以及電磁兼容新技術的應用情況等統籌考慮確定。

2）在方案設計階段，確定分艙分區域總體電磁兼容性設計方案，進行控制指標的分解和分配。

結合方案設計階段的總布置情況以及相關設備的電磁兼容特性制定總體電磁兼容性控制方案，重點利用計算機仿真等方法對各艙室或特定區域的電磁環境進行預估，初步劃分設計區域，進行電磁兼容性要求的分解，完成各艙室或特定區域布置設備電磁兼容性指標的分配。

3）在技術設計階段，通過設計驗證手段，固化總體電磁兼容性設計方案。

重點利用半實物仿真和模實試驗等技術手段對總體電磁兼容性設計方案進行驗證和評估，通過不斷優化調整方案，最終形成總體電磁兼容性設計方案，完成各艙室或特定區域布置設備電磁兼容性要求的制定，并落實到系統設備的設計與制造環節。

4）在施工設計階段，編制相應的施工圖紙、文件，將各項電磁兼容性控制措施落實到施工文件中。

5）在施工配建階段，提出總體電磁兼容性施工工藝要求，控制電磁兼容性施工質量。

主要針對船廠的施工建造提出電磁兼容性施工工藝要求，確?？傮w電磁兼容性設計方案中的各種措施、技術手段落實在船廠的施工建造中。

6）在試驗試航階段，開展系泊、航行試驗檢測，考核設計結果，進行技術總結分析。

2.3 艙室/區域電磁兼容性指標的分解

區域電磁環境的實測數據對于特定區域（特別是相似的區域）給出了選用和裁剪的技術依據。各艙室/特定區域安裝布置的電子、電氣設備的電磁兼容性指標應在全艇總體電磁兼容性指標的基礎上，結合母型艇各特定區域的實測電磁環境數據、相關的電磁兼容性標準規范以及該區域電磁環境的仿真結果，從設備布置位置、配電方式等方面綜合分析合理剪裁，針對性地選擇發射類和敏感類檢測項目，針對性地選擇維持、放寬、或者加嚴相關考核限值。

2.4 計算機數值仿真

隨著計算機數值仿真技術的發展，運用仿真技術對潛艇平臺各艙室/特定區域的電磁環境進行數值仿真得以實現。區域電磁環境的計算機數值仿真作為獲取潛艇平臺艙室電磁環境特性數據、預報設計方案可行性的重要工具，是潛艇總體電磁兼容性設計的重要技術手段之一，能在總體設計前期以較小的成本實現對總體電磁兼容性初步設計方案的評估，能對潛艇電磁兼容性風險進行預測，有針對性的為總體電磁兼容性設計方案提供調整的依據。根據潛艇平臺的電尺寸范圍和電磁環境特點，目前計算機數值仿真方法通常采用全波方法和傳輸線法相結合的方式進行。

2.5 半實物仿真和模實試驗

對于潛艇平臺而言，大量的電子電氣設備密集布置、不同類型和用途的電纜集中敷設，僅僅采用理論計算和計算機數值仿真的設計驗證手段在總體電磁兼容性控制上存在一定的不足之處，而試驗驗證則是最好的設計驗證方法。

全實物試驗代價比較高昂，而且往往無法滿足設計進度的要求，而半實物仿真試驗只模擬設備的電磁兼容特性，無需模擬設備的功能特性，可以大大降低試驗成本，縮短試驗周期。

模實試驗，通過干擾模擬及系統設備聯調，掌握潛艇特定艙室內各設備安裝情況下的干擾特性，預報可能出現的電磁兼容問題，并對干擾抑制措施進行驗證。

半實物仿真試驗和模實試驗方法可以應用于潛艇的總體電磁兼容性設計驗證中，對各設計階段不斷進行迭代驗證，以化解總體電磁兼容性風險。

圖2 分艙分區域總體電磁兼容性設計和控制流程圖Fig. 2 Flow chart of design and control of electromagnetic compatibility utilizing subdivision and zoning

3 結 語

潛艇的總體電磁兼容性設計是一項復雜的系統工程，它貫穿于總體設計、設備研制生產、陸上聯調對接、船廠建造總裝、試驗試航服役的全過程。

分艙分區域電磁兼容性設計方法是一種針對潛艇平臺電磁環境區域化分布特點而提出的一種個性化總體電磁兼容性設計方案，能夠用于指導潛艇的總體電磁兼容性設計，有效提升潛艇總體電磁兼容性設計的精度和效率，從而極大地降低總體電磁兼容性風險，確保設計成功。

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General design of electromagnetic compatibility utilizing subdivision and zoning for submarine

XIONG Yong1, ZANG Tao2
(1. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2. Navalmilitary Representative Office in China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

The general design of electromagnetic compatibility isacore stage in the overall design of submarine, and the design quality determines the overall performance. In the past, the general design of electromagnetic compatibility for submarine is based on standard and experience, whichmay caused over design or under design, and failed to well-targeted guided the developing of new systems and equipment in certain platforms or given areas. Compared with other platforms of warship, the platformof submarine has the unique characteristic of regional distribution of electromagnetic environment, the author puts forwardasystemof electromagnetic compatibility design of submarine utilizing subdivision and zoning andadetailed electromagnetic compatibility design procedure,meanwhile this articlemay serve asareference for subsequent submarine design.

electromagnetic compatibility；submarine；subdivision；zoning

TM15

：A

1672 - 7619(2016)10 - 0121 - 04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.010.024

2016 - 01 - 14；

2016 - 07 - 08

熊勇(1982 - )，男，碩士，工程師，研究方向為潛艇總體電磁兼容性設計。