艦船靜電場(chǎng)特性分析

張玉濤，王 巍

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艦船靜電場(chǎng)特性分析

張玉濤1，王 巍2

（1. 91439部隊(duì)，遼寧大連 116041；2. 91388部隊(duì)，廣東湛江 524000）

為了研究艦船靜電場(chǎng)特性，對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，并利用Beasy軟件仿真，船模及實(shí)船試驗(yàn)，分析了艦船靜電場(chǎng)信號(hào)與海水電導(dǎo)率，艦船涂層及陰極保護(hù)狀態(tài)，艦船航速之間的關(guān)系。

艦船 靜電場(chǎng) 涂層 陰極保護(hù)

0 引言

艦船腐蝕相關(guān)靜態(tài)電場(chǎng)是一種重要的艦船目標(biāo)的暴露源、水中兵器的攻擊源（在近場(chǎng)可達(dá)mV/m的量級(jí)）[1-3], 易被敵方裝有電場(chǎng)引信的水雷等武器（如“MDM-6”[3]、“ASTERIA”[4]和“MINEA”水雷等）攻擊，為了防止被此類(lèi)武器打擊，各國(guó)通常將電場(chǎng)抑制技術(shù)運(yùn)用在船舶設(shè)計(jì)和制造中[5-6]。艦船靜電場(chǎng)主要是由腐蝕及防腐電流產(chǎn)生的，在艦船航行過(guò)程中，艦船靜電場(chǎng)是不斷改變的，主要與船體所處的物理狀態(tài)（海水電導(dǎo)率，船體涂層及陰極保護(hù)狀態(tài)以及航速）密切相關(guān)。研究艦船靜電場(chǎng)特性對(duì)研究電場(chǎng)引信及艦船電場(chǎng)隱身技術(shù)具有重要意義。

1 產(chǎn)生機(jī)理

艦船是由多種材料構(gòu)成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)物，螺旋槳一般由銅合金（鎳鋁青銅或錳青銅）制造，而船殼一般由低合金鋼（907、921、945）或鋁合金制造。由于他們?cè)诤Ｋ械碾姌O電位不同，當(dāng)使用金屬導(dǎo)線(xiàn)將不同金屬電連接時(shí)，就形成腐蝕原電池（電解偶電路），從而在回路中產(chǎn)生腐蝕電流，如圖1所示。

圖1 電解偶電路的原理圖

為防止艦船腐蝕，艦船均會(huì)在結(jié)構(gòu)工藝上（增加涂層電阻率等電隔離措施）和采用陰極保護(hù)的方式進(jìn)行防腐[7]，陰極保護(hù)通過(guò)犧牲陽(yáng)極塊或外加電源產(chǎn)生一定量的電子流進(jìn)行陰極極化，使金屬的電位發(fā)生負(fù)移，使之處于熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)，從而減輕或防止金屬腐蝕。艦船靜電場(chǎng)主要是由腐蝕和防腐電流產(chǎn)生的。

2 特性分析

2.1 艦船靜電場(chǎng)通過(guò)特性

靜電場(chǎng)為低頻場(chǎng)，其能量主要集中在DC~0.2 Hz頻段，是連續(xù)譜。圖2為一艘中型商船通過(guò)時(shí)的準(zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)信號(hào)。

2.2 海水電導(dǎo)率的影響

表1 仿真計(jì)算的不同電導(dǎo)率環(huán)境下的靜電場(chǎng)信號(hào)

靜電場(chǎng)的幅值與海水電導(dǎo)率和涂層表面的破損狀態(tài)密切相關(guān)。表1為同一艦艇模型在不同電導(dǎo)率環(huán)境下的水深10 m、正橫1 m時(shí)的電場(chǎng)軟件BEASY（艦船設(shè)計(jì)階段電場(chǎng)仿真軟件）仿真計(jì)算結(jié)果。由表1可知，當(dāng)電導(dǎo)率由2.0 S/m變化至3.75 S/m時(shí)，隨著電導(dǎo)率的增大，靜電場(chǎng)信號(hào)明顯增大（以水平分量為例增大約78%），而當(dāng)電導(dǎo)率由3.75 S/m變化至4.2 S/m時(shí)，靜電場(chǎng)增大并不明顯，這主要是由于電導(dǎo)率過(guò)大時(shí)，海水鹽度較高，含氧量減小，從而導(dǎo)致腐蝕電流減小的緣故。

表2 船體涂層破損率分別為2%和8%時(shí)，自然腐蝕狀態(tài)下的電場(chǎng)峰-峰值

2.3 涂層及陰極保護(hù)狀態(tài)的影響

涂層的等效阻抗與其破損率成反比例的關(guān)系，因此破損率越大，根據(jù)式（1）可知，海水中的腐蝕電流越大。表2為一艘中型艦船（船體為涂層鋼、螺旋槳為鋁青銅）船體涂層破損率分別為2%和8%時(shí)，自然腐蝕狀態(tài)下不同深度平面電場(chǎng)值的仿真計(jì)算結(jié)果，表中B為船體的最大型寬。由表2可知，隨著涂層破損率的增大，螺旋槳電流增大約25%，水下電場(chǎng)信號(hào)在正橫距小于1B時(shí)增大較明顯。

當(dāng)涂層破損率增大時(shí)，其陰極極化率減小，為了達(dá)到保護(hù)電位的條件，需要更多的保護(hù)電流，因此，防腐條件下的電場(chǎng)信號(hào)也將增大。表3為船體保護(hù)電位達(dá)到-830 mV時(shí)，涂層破損率2%和8%時(shí)的電場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果，陰極保護(hù)方式為外加電流陰極保護(hù)，全船使用8對(duì)輔助陽(yáng)極聯(lián)合防腐。

表3 船體涂層破損率分別為2%和8%時(shí)，陰極保護(hù)狀態(tài)下的電場(chǎng)值

由表3可知，在陰極保護(hù)狀態(tài)下，靜電場(chǎng)信號(hào)明顯高于自然腐蝕狀態(tài)下靜電場(chǎng)信號(hào)，以水深1B、破損率2%為例，靜電場(chǎng)水平分量增大約2倍。主要是由于防腐電流較大，增大了船體水下的電流，靜電場(chǎng)信號(hào)因此增大。另外，在陰極保護(hù)下，涂層破損率增大時(shí)，艦船水下靜電場(chǎng)信號(hào)增大幅度超過(guò)同等情況下自然腐蝕狀態(tài)涂層破損時(shí)增大的幅值。

2.4 艦船航速的影響

艦船靜電場(chǎng)除了與涂層狀態(tài)和海水電導(dǎo)率相關(guān)外，還與艦船的航速密切相關(guān)，航速越大，氧的去極化作用越強(qiáng)，腐蝕和防腐電流越大，靜電場(chǎng)信號(hào)的幅值呈增大趨勢(shì)。圖3為1:40等比例縮小艇模航速分別為1 cm/s和5 cm/s通過(guò)時(shí)龍骨正下方的靜電場(chǎng)信號(hào)（艇體處于自然腐蝕狀態(tài)），對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著航速的增加，艇模通過(guò)的周期有所減小，而靜電場(chǎng)信號(hào)卻有所變大。

表4為實(shí)測(cè)艦船不同航速條件下，某一測(cè)線(xiàn)上的電場(chǎng)峰-峰值。由表4可知，艦船在自然腐蝕狀態(tài)和陰極保護(hù)狀態(tài)，當(dāng)航速的增大，電場(chǎng)Ex分量的峰-峰值呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，且當(dāng)航速達(dá)到某一定值時(shí)，電場(chǎng)值增大的幅值并不明顯，這是由于航速增加到一定量值后，決定電化學(xué)腐蝕進(jìn)程的關(guān)鍵參數(shù)——氧的極限擴(kuò)散電流密度——達(dá)到穩(wěn)定值，即航速較高時(shí)，電化學(xué)腐蝕進(jìn)程由電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程控制，因此，當(dāng)航速進(jìn)一步增大時(shí)，腐蝕電流值及電場(chǎng)值增大不明顯。

圖3 艇模通過(guò)時(shí)的準(zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)信號(hào)

表4 自然腐蝕狀態(tài)條件和陰極保護(hù)狀態(tài)下，不同航速實(shí)測(cè)靜電場(chǎng)Ex值

3 結(jié)論

艦船靜電場(chǎng)信號(hào)與艦船涂層狀態(tài)、海水電導(dǎo)率和艦船航速以及陰極保護(hù)狀態(tài)密切相關(guān)。陰極保護(hù)狀態(tài)下艦船靜電場(chǎng)信號(hào)增大最為明顯，其次涂層狀態(tài)對(duì)靜電場(chǎng)影響較為明顯，而隨著海水電導(dǎo)率和艦船航速增大，艦船水下靜電場(chǎng)信號(hào)會(huì)逐步緩慢增大并趨于穩(wěn)定。

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Research on Ship’s Static Electric Field

Zhang Yutao1, Wang Wei2

(1. Unit 91439 of PLA, Dalian 116041, Liaoning, China; 2. Unit 91388 of PLA, Zhanjiang 524000, Guangdong, China)

U674

A

1003-4862（2018）06-0015-03

2018-04-02

張玉濤（1981-），男，工程師。研究方向：水中兵器試驗(yàn)技術(shù)。Email：20933153@qq.com