船體狀態對電流補償式電場隱身控制參量的影響

孫 強, 姜潤翔, 喻 鵬, 程錦房

船體狀態對電流補償式電場隱身控制參量的影響

孫 強1, 姜潤翔2, 喻 鵬1, 程錦房1

(1. 海軍工程大學 兵器工程學院, 湖北 武漢, 430033; 2. 海軍工程大學 電氣工程學院, 湖北 武漢, 430033)

艦船電場; 電流補償; 隱身; 控制參量

0 引言

降低艦船水下電場信號對提升艦船綜合隱身性能具有重要意義][[1-3], 目前, 針對靜電場隱身, 除改進結構工藝[4]等基本方法外, 主要有陰極保護優化[5-7]和電流補償技術[8-10]2種方式。

1 電流補償基本原理

圖1 電流補償基本原理

2 涂層老化和破損對控制參量的影響

2.1 涂層老化影響

利用邊界元軟件, 對一艘中型艦船(如圖2所示)分別在船體涂層破損率為2%、4%、6%和8%條件下的最佳補償電流進行了仿真計算, 每種狀態條件下以水下1.0(代表艦船型寬)平面的電場峰峰值最小為目標, 對補償陽極輸出電流進行了優化, 不同涂層破損率條件下的軸電流、補償電流及水下電場值峰峰值如表1所示。表中的自腐蝕代表不進行電流補償, 船體處于自然腐蝕狀態;U-p代表水下電位峰峰值, 而||-p代表水下電場模值的峰峰值, 這2個參量均是評估電場隱身性能的重要指標。

圖2 船體結構示意圖

表1 不同涂層破損率條件下電場值、軸電流和最佳補償電流值

2.2 涂層局部破損影響

電阻率保持不變。每種狀態條件下, 基于邊界元優化算法對補償陽極的輸出電流進行優化, 目標依然是使1.0平面的電場值最小。表2為不同船體位置極化電阻率變化時, 自然腐蝕與隱身狀態下的軸電流、最佳補償電流及水下電場值。

由表2可以看出:

1) 船體涂層破損會導致軸電流增大, 且破損位置越靠近螺旋槳, 軸電流增加越明顯, 這是由于腐蝕回路電阻減小的緣故;

表2 不同位置極化電阻率變化時電場值、軸電流和最佳補償電流值

2) 船體涂層破損時(Ship 9位置的涂層破損除外), 通過在尾部安裝補償陽極(即隱身狀態), 均可實現對電場信號的有效降低, 以電位峰峰值作為評價準則, 電場抑制效果在75%~85%之間波動; 而Ship 9位置的涂層破損時, 之所以不能有效實現電場隱身, 主要是因為在該種狀態下, 自然腐蝕時的等效電偶極矩已經接近該狀態下等效電偶極矩的最小值;

3 螺旋槳轉速對控制參量的影響

在實驗室條件下進行1:50縮比船模試驗, 試驗前先對材料的自然腐蝕電位進行了測量, 其自然腐蝕電位最終穩定在–0.69 V。在船體尾部增加了一塊與船體材料一致的材料A, 并利用液體密封膠將材料與船體粘結在一起(與船殼電絕緣), 然后通過一根導線與軸接地裝置相連接。利用無接觸電流傳感器測量軸電流和材料A上的電流, 同時在材料的表面放置有參比電極B, 也便于實時監測材料A表面的電位, 補償陽極C安裝于螺旋槳正上方, 如圖3所示。

參比電極B、船殼和補償陽極C分別與電化學工作站的參比電極RE、工作電極WE和輔助電極的CE連接, 調整輔助陽極的輸出電流, 實時監測船模龍骨正下方20 cm處正橫0 cm的電位信號。利用電化學工作站動態電流掃描輸出, 電流的變化率為0.005 mA/s, 設定螺旋槳轉速分別為150 r/min、200 r/min和300 r/min。表3~表5為對應測量結果, 其中黑色加粗代表最佳隱身狀態。由于篇幅限制, 這里只列出部分數據, 但是仍能夠表征船體表面電位和電流等隨補償電流變化的趨勢。

表3 螺旋槳轉速為150 r/min的測試結果

表4 螺旋槳轉速為200 r/min的測試結果

表5 螺旋槳轉速為300 r/min的測試結果

由表3~表5可發現:

1) 隨著補償電流的增大, 軸電流逐漸增大, 材料A表面電流由正值逐漸向負值變化, 即材料A由陽極逐漸向陰極轉化, 電場的抑制比先增大后減小;

2) 當材料A表面電流的絕對值接近于零時, 不同螺旋槳轉速條件下電場的抑制是不一致的, 螺旋槳轉速越低, 其抑制比越大, 而隨著螺旋槳轉速的提高, 其抑制比的效果也逐漸變差, 這主要是由于材料A的位置是依據靜態條件下的極化曲線優化計算得到的結果, 隨著螺旋槳轉速的提高, 氧的去極化反應逐漸增強, 螺旋槳極化電阻的變化引起局部電化學狀態變化較大, 靜態條件下優化的結果已不適用于螺旋槳轉動時的結果, 此結論表明, 在選取材料A的位置時, 應依據螺旋槳轉動時的極化曲線進行優化計算;

3) 不同螺旋槳轉速條件下, 自然腐蝕狀態下參比電極的電位值和自然腐蝕時的電流值是不一樣的, 且隨著螺旋槳轉速的提高, 參比電極的電位逐漸向正方向移動, 自然腐蝕電流值逐漸變大, 這也是由于螺旋槳轉速提高時, 氧的去極化作用增強、螺旋槳極化電阻減小引起的;

圖4 連續3次縮比模型試驗結果

4 結束語

[1] Hubbard J C, Brooks S H, Torrrance B C. Practical Measures for Reduction and Management of the Electro-magnetic Signatures of in-Service Surface Ships and Submarines[C]//Underwater Defence Technology Conference, London: [S.l.], 1996: 64-65.

[2] Rodrigo F J, Beatriz M D, Antonio S. Underwater Threats Detection Based on Electric Field Influences[C]//UDT 2010, Hamburg(Germany): Undersea Defence Technology Conference & Exhibition, 2010: 8-10.

[3] 牟蘭. 國外艦船電場特性研究及其在水雷戰上的應用[J]. 艦船科學技術, 2012, 34(9): 138-142.

Mou Lan. The Characteristic Research of Foreign Warship’s Electric Field and Its Application on Mine Warfare[J]. Ship Science and Technology, 2012, 34(9): 138-142.

[4] 喻鵬, 姜潤翔, 程錦房. 減少艦船靜電場的隔離電阻估算方法研究[J]. 艦船科學技術, 2018, 40(15): 123-127. Yu Peng, Jiang Run-xiang, Cheng Jin-fang. The Study on Evaluation Method for the Least Isolation Resistance which Decreases the Corrosion Related Static Electric Field[J]. Ship Science and Technology, 2018, 40(8): 123-127.

[5] Xing S H, Li Y, Song H Q, et al.Optimizing the Quantity,Locations and Output Currents of Anodes to Improve Cathodic Protection Effect of Semi-Submersible Crane Vessel[J]. Ocean Engineering, 2016,113:144-150.

[6] Kim Y S, Lee S K, Kim J G. Influence of Anode Location and Quantity for the Reduction of Underwater Electric Fields under Cathodic Protection[J]. Ocean Engineering, 2018, 163: 476-482.

[7] 吳建華．水下船體陰極保護與腐蝕電磁場優化控制研究[D]．大連: 大連理工大學, 2012．

[8] 秦一平, 姜潤翔, 程錦房, 等. 基于外加電流補償的艦船靜電場抑制方法[J]. 水雷戰與艦船防護, 2016, 24(1): 14-18. Qing Yi-ping, Jiang Run-xiang, Cheng Jin-fang, et al. Ship’s Static Electric Field Reduction Method Based on Impressed Current Compensation[J]. Mine Warfare & Ship Self-Defence, 2016, 24(1): 14-18.

[9] 喻鵬. 艦船靜電場隱身技術研究[D]. 武漢: 海軍工程大學, 2017.

[10] 孫強, 姜潤翔, 喻鵬, 等. 軸頻電場與靜電場一體化腐蝕相關電場隱身方法研究[J]. 兵工學報, 2020, 41(4): 730-736.Sun Qiang, Jiang Run-xiang, Yu Peng, et al. Integrative Stealth Method of Corrosion-related Static and Shaft Rate Electric Fields[J]. Acta Armamentarii, 2020, 41(4): 730- 736.

[11] Yu P, Cheng J F, Jiang R X. Research of Ship’s Stealth Methods in Static Electric Field[J]. Advances in Materials, Machinery, Electrical Engineering, 2017, 114: 137-144.

[12] 林春生, 龔沈光. 艦船物理場[M]. 第2版. 北京: 兵器工業出版社, 2007.

[13] 姬慶, 蔣培. 艦船軸頻電場中接觸電阻研究[J]. 四川兵工學報, 2014, 35(8): 127-130. Ji Qing, Jiang Pei. Contact Resistance in Shaft frequency Electric Field[J]. Journal of Sichuan Military Engineering, 2014, 35(8): 127-130.

[14] 賈錚, 戴長松, 陳玲．電化學測量方法[M]．北京: 化學工業出版社, 2015．

Effects of Hull States on the Control Parameter of the Current Compensation Electric Field Stealth

SUN Qiang1, JIANG Run-xiang2, YU Peng1, CHENG Jin-fang1

(1. College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

ship electric field;current compensation; stealth; control parameter

孫強, 姜潤翔, 喻鵬, 等. 船體狀態對電流補償式電場隱身控制參量的影響[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(6): 657-662.

U663.2; O441.4

A

2096-3920(2020)06-0657-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.010

2020-07-03;

2020-08-15.

國家自然科學基金(51509252); 青島國家海洋實驗室項目資助(2017WHZZB0202).

孫 強(1982-), 男, 在讀博士, 講師, 主要研究方向為軍用目標特性及信息感知技術.

(責任編輯: 許 妍)