移動式消磁站機動消磁保障方法優化改進

胡 欣，張 迪，楊 輝，高俊吉

移動式消磁站機動消磁保障方法優化改進

胡 欣1，張 迪2，楊 輝3，高俊吉1

（1. 海軍工程大學，湖北武漢 430033；2. 91315部隊，遼寧大連 116041；3. 91370部隊，福建福州 350015）

針對移動式消磁站在使用過程中可能出現的場地背景磁場變化和退磁場能量不足等制約其消磁保障能力發揮的實際問題，采取理論分析、計算仿真和實驗驗證的方法，逐一拆解，分析原因，提出相應優化改進措施，能夠進一步提升移動式消磁站機動消磁保障效能和艦艇磁性防護水平。

移動式消磁站 消磁 優化

0 引言

艦艇周圍空間的磁場是敵方探測設備及水中兵器用于探測和攻擊的主要物理場。艦艇消磁就是采取現代電磁方法和控制技術來控制艦艇磁場，將艦艇磁場消除或補償到一定范圍內，是提高艦艇磁隱身性能的有效手段[1]。移動式消磁站是一種新型的消磁裝備，與傳統固定式消磁站具有一樣的艦艇消磁功能，不同的是，移動式消磁站將電源系統、控制系統和測磁系統等設備集成在若干個集裝箱內，可通過陸地或船載機動運輸，大大提高了靈活性和隱蔽性。在合理區分保障對象后，其造價成本和生產周期也可以得到較好的控制，因此尤其適合在戰時多地部署，對大量中小型艦艇進行快速應急消磁。

移動式消磁站適合于執行大量中小型艦艇戰時應急機動消磁保障任務，平時可作為常規消磁力量的補充。由于功能定位和任務背景的不同，結合工作經驗和實驗論證，該裝備在常規使用中一些影響保障能力發揮的困難問題可能會逐漸凸顯出來，亟需加以分析，制定切實可行的解決措施，以確保其能夠遂行各項使命任務。

1 消磁場地背景磁場變化對艦艇磁場測量精度的影響

1.1 問題描述

一般艦艇消磁需要在背景磁場均勻且穩定的低磁場地進行，以方便將艦艇磁場從背景磁場中分離出來。移動式消磁站對消磁陣地也有同樣的要求。但考慮到戰時應急條件，移動式消磁站不應提出類似固定式消磁站的嚴苛要求，應能在普通非低磁碼頭為艦艇消磁。此時需要對消磁場地進行少量適應性改造，盡量滿足其工作條件。例如，根據碼頭實際情況定制專用消磁浮箱，一般采用鋁合金或玻璃鋼等低磁材料建造，漂浮綁定在艦艇和碼頭之間，既能使艦艇遠離碼頭一定距離以減小碼頭磁場的干擾，又能調整艦艇航向至磁南（北）航向以減少敷設橫向補償線圈[2]，如圖1所示。

圖1 消磁碼頭布置示意圖

（工作電纜取捷徑鋪放在碼頭上）

但是，即使采取了這樣的隔離調整措施，在對艦艇通電磁性處理前后，艦艇所在位置的背景磁場還是會發生變化，從而可能會影響艦艇磁場分離精度。

1.2 原因分析

移動式消磁站采用直通式消磁方法，該方法不同于傳統的旁通式消磁方法。其是在艦艇艏艉焊接專用連接器，將艦艇等效視為一段電阻，串聯至工作線圈通電回路中，這樣工作電流可直接流過船體，船體電流產生的工作磁場將艦艇內部磁籌打亂，使艦艇對外不顯磁性[3,4,5]，如圖2所示。

圖2 傳統消磁方法與直通式消磁方法的對比圖

直通式消磁方法不用在船體外敷設螺線管工作線圈，因此在大量艦艇輪候集中消磁時能明顯提高保障效率。為了產生足夠的退磁磁場安匝量，要求工作線圈通過的電流較大。此時，鋪放在碼頭上的工作電纜，通電后產生強大的磁場，必然會磁化鋼筋混凝土建造的普通碼頭，進而造成背景磁場變化，如圖1所示。如果背景磁場變化量持續增大，將會影響艦艇磁場測量和分析。

1.3 改進建議

一是選用合適的消磁碼頭。在建材選擇上，普通碼頭雖無法達到低磁化要求，但最好使用鋼筋混凝土材質，避免使用全鋼鐵材料建造的碼頭；在碼頭走向上，最好選擇磁南北朝向或與其角度偏差不大的碼頭，便于艦艇南北向靠泊消磁；在碼頭結構上，最好選擇固定式沉箱結構，避免使用高樁碼頭或浮碼頭，保證其具備足夠的承載力和穩定性。

二是消磁場地水下背景磁場應盡量均勻穩定。可派潛水員攜帶測磁儀對海底背景磁場進行普測，并撈取水下鐵磁物體。當艦艇標準測量深度的背景磁場值符合消磁要求時，即可正常開展工作。

三是減小碼頭磁場的干擾。在不影響航道和艦艇機動的情況下，可視情增加消磁浮箱的數量，從而讓艦艇盡量遠離碼頭。

四是改進工作電纜的布設方式。為減小工作電纜強磁場對碼頭的磁化影響，應將工作電纜靠近舷邊從船艉集中返回電源車，如圖3所示。此時，在靠近船艏、船舯的普通碼頭處，工作電路對碼頭磁化影響較弱。但船艉處工作電纜較為集中，對碼頭的磁化影響仍然較強。

圖3 改進后的消磁碼頭布置示意圖

（工作電纜沿左右兩舷布設）

五是采取工作電纜磁場屏蔽措施。設計磁場屏蔽裝置，將鋪放在船艉附件碼頭上的工作電纜包裹起來，使其產生的磁場盡量不外泄，還可考慮將多余的工作電纜裁短。屏蔽裝置要能以模塊化的方式拆裝組合，便于機動運輸，如圖4所示。

圖4 消磁陣地工作電纜磁場屏蔽裝置示意圖

2 船舯上層建筑區段消磁效果

2.1 問題描述

移動式消磁站對艦模消磁時發現，船舯上層建筑區段處的固定磁場較難處理。在采取了增加布設水平補償電纜等措施后，能在一定程度上降低該區段的固定磁場，但效果有限，導致最終仍有部分位置結果磁場不達標，如圖5所示。

圖5 磁性較難處理的船舯上層建筑區段示意圖

2.2 原因分析

2.2.1 船舯周長大的部位工作電流密度小，產生的工作磁場偏小

移動式消磁站采用直通式消磁方法進行消磁，即利用直接在船體通電產生的磁場進行退磁。通過對直通式消磁工作磁場分布情況的分析計算，結合大量的物理模型試驗，分析推導出工作電流強度與艦艇半徑及周長之間關系的近似公式，從而可以根據艦艇的物理尺寸估算出所需工作電流強度，具體推導如下：

對于圓柱形空心物體，有：

式中，為退磁電流強度，單位為A；為半徑，單位為cm；為進行退磁所需的表面磁場強度，單位為Oe。

對于非圓柱形空心物體，可取等效半徑。所謂“等效半徑”是指與該物體具有相同周長的圓柱體的半徑，即：

式中，為非圓柱形空心物體的周長，單位為cm；為等效半徑，單位為cm。

由(1) 、(2)可得，工作電流與船舯周長的關系為：

式中，為工作電流強度，單位為A；為船舯周長，單位為cm；為進行退磁所需的表面磁場強度，單位為Oe。

由此可見，消磁時船體表面磁場強度為工作電流強度與船舯周長比值的倍數，當工作電流強度一定時，船舯周長越大，表面磁場強度越小[6]。

移動式消磁站對艦模消磁時，采用測磁儀對消磁通電時各部位工作磁場進行了測量。在艦艇周長最大的位置，如指揮臺第三層右側，工作磁場僅為0.09，在煙囪頂端中間和指揮臺外室右側，工作磁場僅為0.15；而在艦艇平均周長處，工作磁場約為0.32，如表1所示。

表1 1#艦模工作磁場測量結果表（數據作歸一化處理）

從消磁結果看，對于船舯上層建筑區段，消磁通電前后磁場變化較小，較難處理。原因分析：一是由于這艘艦模剛剛進行了改裝，本身磁性較大；二是部分周長大的位置工作磁場強度不夠；三是船舯上層建筑區段，艙室分布復雜，分散了電流密度，導致其產生的工作磁場偏小。

2.2.2船艏的工作電纜未貼近舷邊返回船艉的電源，導致產生的工作磁場偏小

移動式消磁站的工作電流從主電源出發，通過專用電纜連接器流到船艉上，經過船體后，從船艏又通過專用電纜連接器回到主電源，構成一個通電回路[7]。從舷邊返回的工作線圈要離開船舷1.0～1.5 m，如圖6、圖7、圖8、圖9所示。此時，舷邊返回的電纜產生的磁場起到了加強船體磁化的作用。

圖6 工作線圈俯視圖

圖7 工作線圈側視圖

圖8 從舷邊返回的工作線圈離開船舷的距離示意圖

圖9 工作線圈產生的磁場示意圖

為減少工作電纜敷設的工作量，移動式消磁站一開始采取工作電纜直接鋪放在碼頭上，再從碼頭取捷徑返回電源的方式，而不是貼近舷邊從船艏到船艉再返回電源。例如，工作電纜均從左舷經消磁浮箱取捷徑返回電源，如圖1所示。此時，工作電纜通電產生的磁場未充分作用在船體上，可能出現工作磁場能量不足的現象。實測中也發現，未貼近船舷返回電源車右側的工作磁場明顯偏小，如表2所示。

表2 1#艦模左右舷工作磁場對比表（數據作歸一化處理）

為解決磁場能量不足的問題，移動式消磁站對2#艦模消磁時作了改進，將工作電纜靠近艦艇舷邊從船艏返回到船艉，因此工作電纜通電產生的磁場利用率較高，如圖3所示。此時，測得的左右舷工作磁場強度基本一致，舷邊返回的電纜產生的磁場能對直接流經船體的電流產生的磁場起到加強作用，測磁結果如表3所示。

表3 2#艦模左右舷工作磁場對比表（數據作歸一化處理）

為了更好地分析驗證移動式消磁站工作磁場的分布特性，以對3#艦模消磁為例，對其進行了計算機仿真計算，計算結果如表4所示。

從表4中可以看出，左、右舷工作電纜單獨作用時，各自分別對左、右舷產生作用；左、右舷工作電纜共同作用時，產生的工作磁場最大；工作電流越大，產生的工作磁場也越大。當通1#工作電流時，產生的磁場最大，但是磁場強度還是略顯不足，尤其是對經過大修的艦艇，個別部位的工作磁場可能難以超過造船鋼板的矯頑力，從而容易導致艦艇下方部分位置結果磁場不達標。

表4 3#艦模工作磁場仿真計算結果表（測量點位于水線面下6 m處，數據作歸一化處理）

2.3 改進建議

一是對工作電纜的布設方式進行改進。將工作電纜靠近艦艇舷邊從船艏返回到船艉，然后進入電源。在對2#艦模消磁時，采用了上述工作電纜布設方式，測量發現通電產生的磁場利用率較高，消磁后艦艇結果磁場合格。

二是部分艦艇不適合由移動式消磁站消磁。因新造艦艇或大修出廠后的艦艇固定磁場一般較大，需要較大的磁場能量對其進行退磁處理，而移動式消磁站主要突出應急機動消磁保障能力，設計輸出的能量有限，因此不適于為這類艦艇進行消磁。

3 結語

移動式消磁站具有機動靈活、生命力強、建造成本低等優點，可作為固定消磁站的有利補充。本文通過理論分析、計算仿真、船模實驗等方法，對該型裝備在使用過程中可能出現的主要問題進行了分析研究，提出了科學可行的優化改進方案，能夠進一步提升移動式消磁站機動消磁保障效能，對日常消磁保障工作具有很強的借鑒指導作用。

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[2] 呂偉. 淺談專用消磁浮箱的設計與應用[J]. 船舶標準化工程師, 2019. (2): 44-47.

[3] 高強, 周煒昶, 王嘉賓等. 直接通電式消磁的船體電阻計算方法研究[J]. 船電技術, 2017, 37（12）: 1-2.

[4] 郭成豹, 劉大明, 肖昌漢等. 一種艦船退磁方法[P]. 中國: 20110456000.9, 2011-12-30.

[5] 郭成豹, 劉大明, 肖昌漢等. 一種鐵磁物體退磁方法[P]. 中國: 201210026415.7, 2012-02-07.

[6] 郭成豹. 艦艇磁性處理[M]. 武漢: 海軍工程大學, 2021年: 138-145.

[7] 高俊吉, 劉大明, 肖昌漢等. 帶有漂浮式扁平消磁電纜的消磁裝置[P]. 中國: 201420663677.9, 2014-11-07.

Optimization and improvement of motorized deperming guarantee method for mobile deperming station

Hu Xin1, Zhang Di2, Yang Hui3, Gao Junji1

(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2.Unit 91315, Dalian 116041, China; 3. Unit 91370, Fuzhou 350015, China)

U674

A

1003-4862（2022）09-0025-05

2022-03-15

海軍工程大學自主立項科研項目資助（2020504280）

胡欣（1980-），男，高級實驗師，研究方向：艦艇消磁。

張迪（1981-），男，工程師，研究方向：艦艇消磁。E-mail：16684050@qq.com