艦船消磁的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王禹華

綜述

艦船消磁的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王禹華

（海軍裝備部，武漢 430064）

介紹了美國、德國、俄羅斯等國外和國內艦船消磁現(xiàn)狀，從低磁化和閉環(huán)控制技術兩方面著手分析了艦船消磁發(fā)展趨勢。

消磁 現(xiàn)狀 趨勢

0 引言

磁場是艦船的固有物理屬性之一，主要分為固定磁場、感應磁場、渦流磁場、腐蝕電流磁場和雜散磁場等組成，均為艦船本體磁場。固定磁場是艦船建造和航行過程中受加工制作、上浮下潛的壓力變化、武器發(fā)射以及海浪沖擊等因素導致的不隨地磁場變化的磁場，感應磁場是鋼制艦船受地磁場作用產生的隨地磁場變化的感應磁性。固定磁場和感應磁場占艦船磁場的80%-90%，是目前艦船磁隱身控制的主要關注點，其中固定磁場抑制采用定期去消磁站磁性處理的措施，感應磁場通過安裝消磁系統(tǒng)進行補償。

1 國外艦船消磁現(xiàn)狀

1.1 美國艦船消磁現(xiàn)狀

美國歷來十分重視艦船磁隱身，在消磁方面做了大量的工作。作為消除艦船固定磁場的主要場所，美國的消磁站屬于海軍岸基部隊，由海軍基地負責管理。美國在諾福克、圣迭戈、夏威夷、關島等地都建有艦船專用消磁站。據有關資料顯示，美國海軍的艦船消磁站技術十分先進，如在班戈的艦船消磁站內，一艘俄亥俄級核艦船從進入消磁站到完成消磁只需要8個小時左右。在消除艦船感應磁場方面，美國非常重視消磁系統(tǒng)的安裝，其先進的潛艇幾乎都采用了內消磁技術，其DEGS型艦載消磁系統(tǒng)被認為是世界上最先進最有效的消磁系統(tǒng)。2004年建成服役的“弗吉尼亞”級攻擊核潛艇，為了防止在淺水海域活動遭受敵人水雷的襲擊，艇上裝備了先進的消磁系統(tǒng)，能隨時進行補償消磁，減少潛艇的磁場。海狼攻擊核潛艇“吉米·卡特”號，為了提高其隱身性能，同樣采取了消磁等一系列磁隱身措施。

1.2 德國艦船消磁現(xiàn)狀

德國擁有世界一流的艦船制造技術，對艦船的磁隱身非常重視。他們認為艦船消磁除了防御水雷之外，更重要的是防磁探，提高隱身性。他們對艦船的磁性防護指標制定的比較高：將艦船的磁性防護能力分為三個等級，按原始磁場與消磁后的磁場的比值（稱為“改善因子”）來進行劃分，對反水雷艦艇的要求最高，達到100：1；對一般水面作戰(zhàn)艦艇要求4：1；而對潛艇則要求達到10：1。所以，德國制造的209、212、212A型潛艇都加裝了消磁系統(tǒng)[1]。其中，212和212A型潛艇的殼體采用奧氏體低磁鋼建造，專門選用了MTU公司的無磁柴油機等低磁化設備，艇殼內部安裝了高性能、高可靠性的消磁繞組，利用地磁圖和導航信號對消磁電流進行實時控制，使?jié)撏冀K保持低磁性狀態(tài)。德國SAM Electronics公司的新型消磁系統(tǒng)型號為DEG-COMP1。該公司從上世紀五十年代開始為聯(lián)邦德國海軍提供消磁系統(tǒng)設備，截止2006年為多達15個國家的海軍艦艇裝備了消磁系統(tǒng)設備。德國海軍艦艇絕大多數都安裝了消磁系統(tǒng)，包括水面戰(zhàn)斗艦艇、潛艇、登陸艦艇、反水雷艦艇、補給船等。

1.3 俄羅斯等國家艦船消磁現(xiàn)狀

韓國海軍在三十多年時間內先后使用德國SAM Electronics公司提供的52艦套消磁系統(tǒng)和設備，裝備量最大的是被炸沉的天安號所屬的浦項級輕型護衛(wèi)艦（韓國叫警戒艦），多達28艘。其它20多艦套的設備同樣包括了大型驅護艦、兩棲戰(zhàn)艦艇、反水雷艦艇和輔助艦艇。其中從1995年開始建造的韓國海軍幾型標志性水面艦艇，如KDX-3驅逐艦和獨島號兩棲登陸艦，都開始裝備DEG-COMP型分布式消磁系統(tǒng)。

印度海軍有16艘艦艇使用了德國SAM Electronics公司的產品，數量雖然不多，但全部集中在其自主研發(fā)的三型主戰(zhàn)驅護艦上（其余現(xiàn)役驅護艦均由俄羅斯購進或設計）。從上世紀八十年代中期開始研制德里級時采用旋轉式消磁電源，到本世紀初的什瓦里克級和加爾各答級兩型驅護艦，已直接采用德國公司的DEG-COMP型分布式消磁系統(tǒng)。

俄羅斯海軍新一代艦艇消磁系統(tǒng)稱為“KDS型系統(tǒng)”，這套系統(tǒng)增強了抗干擾能力和可靠性，確保能自動抵消艦艇磁場變化，提高艦艇的磁隱身防護能力，屬于分布式消磁系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以非常便利地組合配置為專用于各級水面艦艇的KDS-703型和潛艇的KDS-701型兩種系統(tǒng)。這套系統(tǒng)的介紹中，特別指出除使用通常的控制消磁繞組電流進行磁場補償外，對于局部磁場的補償還使用了電磁鐵。

2 國內艦船消磁現(xiàn)狀

和世界各海軍國家一樣，我國艦船消磁控制設備也在三種控制方式上經歷了不同的發(fā)展階段。50年代中期，我國開始有了PA－52和CT、PT－49M兩型的艦船消磁系統(tǒng)控制設備。60年代初，我國改進研制了XC－Ｉ型控制設備，該儀器的基本原理為羅經控制，其信息源為電羅經，其弱點是技術指標較差，對于艦船因搖擺、縱傾而產生的磁場變化，它無法補償。為實現(xiàn)系列化保障，羅經控制設備已不適宜裝船，在新建和改換裝的一般艦船上地磁解算式控制設備將逐步得到應用[3]。在消磁電流控制設備方面，我國一直將重點放在有先進控制功能的三分量磁強計式消磁控制設備系列上，相繼研制成功的XC－5G等適應于不同艦型的多種型號控制設備[2]。為順應時代要求，后續(xù)研究的“地磁解算式消磁電流自動控制儀”克服了“測地磁消艦磁”消磁系統(tǒng)電流控制儀中存在的抗干擾問題和生命力問題，該儀器適用于大型水面艦船及分段建造。在GPS、導航技術及計算機技術高度發(fā)展的今天，利用最新的“地磁模式組”實現(xiàn)儀器的全自動化控制及滿足各項性能指標的條件已經成熟。

隨著發(fā)展的需要，我國的消磁技術中補償對象應由原來只補償艦艇的感應磁場，發(fā)展到在一定程度上根據需要補償艦艇剩余的三維固定磁場；補償范圍應由原來只補償艦艇規(guī)定點的磁場，發(fā)展到在一定深度上的整個平面；補償精度應由原來艦艇垂向分量磁場垂向雙層結構補償形式、縱向磁場分量8字型水平補償形式，發(fā)展到艦艇垂向分量磁場垂向多層結構補償形式、縱向磁場分量肋骨補償形式。

3 艦船消磁發(fā)展趨勢

3.1 低磁化

對普通的鐵磁性鋼制艦船，無論是固定磁場還是感應磁場，其磁場都主要是由船體產生的。通過磁性處理和安裝消磁系統(tǒng)，能夠將全船磁場控制到 103 nT量級[4]。如果對艦船磁場強度指標提出更高要求，就必須使用低磁或無磁材料建造艇體。這類艦船雖不需要進行艇體的磁性處理，但必須安裝消磁系統(tǒng)，主要用于補償艦船內的設備磁場。同時針對裝備這類艦艇的鐵磁性設備，還有專用的設備磁場控制技術，也叫"設備低磁化技術"。比如德國和俄羅斯使用低磁金屬材料(低磁不銹鋼和鐵合金)建造艇體的低磁潛艇，其磁場強度在標準測量距離上，也都可以控制到 102nT 量級。

3.1.1艇體材料低磁化

由于艦船磁性隨距離增加迅速衰減，艦船下潛深度越大，艦船的隱秘性和生存力就越強。國外普遍采用高強度鋼，甚至是鈦合金鋼做潛艇艇殼，從而達到增加潛艇下潛深度的目的。造船鋼是一種特殊的鋼材。從磁性角度說，目前我國用于造船的低磁鋼種類較少，其主要性能指標磁導率≤1.2，屈服強度405 Mpa。該種鋼價格約是普通鋼材的3倍，且強度指標難以滿足需要、可焊性差、可加工性差。目前高強度低磁鋼種類較少，必需進行研制、攻關。研制新型號艦船用鋼材，對于降低艦船磁性、增加下潛深度，從而提高隱身性能和生命力，是一條快速、有效的途徑。

3.1.2局部低磁化處理

當艇殼采用高強度低磁鋼或低磁合金材料建造后，殼體的磁性是次要的，內部設備的磁性是主要的。艦船內部設備全部采用低磁材料建造，受原材料價格、機械性能和可加工性能等因素影響，設備價格將成倍增長。可以對大型武器及發(fā)電機組等鐵磁性物質集中設備進行局部低磁化處理；同時，在全船布置消磁線圈對整個艦船磁性（包括設備磁性和殼體磁性）實時抵消。采用局部低磁化處理與全船敷設線圈消磁相結合的辦法，雖然比全部采用低磁設備磁性指標會稍高，但造價低，且通過采用消磁繞組優(yōu)化設計、調整，以及先進的消磁電流控制方式，仍可以達到滿意的效果。

3.2 閉環(huán)消磁技術

艦船總體磁場可分為固定磁場和感應磁場兩類，艦船建造后，其感應磁場在周圍空間的分布規(guī)律是確定的，艇載消磁系統(tǒng)能實時補償艦船的感應磁場，而艦船的固定磁場經過消磁站退磁處理后，雖能達到消磁標準的技術要求，但艦船在執(zhí)行任務航行過程中，會受到地球磁場、海水壓力、風浪、武器發(fā)射和設備運行等各種因素的影響，其固定磁場是會發(fā)生變化的，隨著時間的累積，艦船的固定磁特征會越來越大并超出控制指標。艦船磁場控制最有效的手段之一就是安裝艦載消磁系統(tǒng)。傳統(tǒng)的“開環(huán)”消磁系統(tǒng)[5]通過直接測量或數學模型的計算得到作用在艦船上的地球磁場，然后根據艦船感應磁場與地球磁場的關系進行消磁系統(tǒng)電流的控制，它僅能實時補償艦船的感應磁場。對退磁處理后的剩余固定磁場，盡管可以在固定補償繞組中通一恒定的電流來進行補償，但并不能補償因艦船“固定磁性”的改變而產生異常磁場。而由于海浪的沖擊、武器發(fā)射、艦船的下潛上浮及地球磁場的緩慢作用等，艦船的固定磁場會發(fā)生變化，“開環(huán)”消磁系統(tǒng)無法追蹤該變化，更無法及時對其進行有效處理。為解決這一缺陷，美、俄等國開始研制和裝備閉環(huán)消磁系統(tǒng)。所謂閉環(huán)消磁是指在艦船感應磁場經過艇載消磁系統(tǒng)得到良好補償的基礎上，針對艦船在航行過程中變化的磁場，通過在艦船內部特征部位布置一定數量的傳感器，測量艦船內部磁場，實時跟蹤磁性變化，優(yōu)化調整消磁繞組輸出的電流，減小艦船磁特征信號。閉環(huán)消磁系統(tǒng)可觀測固定磁場累積情況并真正做到“按需消磁”，可實現(xiàn)艦船磁場的最佳防護，保障艦船的磁隱身性，并減少艦船到固定消磁站進行退磁處理的時間周期，滿足艦船作戰(zhàn)效能提高的需要。

[1] 唐劍飛, 桂永勝, 江能軍. 潛艇消磁系統(tǒng)綜述[J]. 船電技術，2005（6）：1.

[2] 徐連富. 智能全息消磁電流控制設備[J]. 機電設備, 1997（2）：20.

[3] 張榮. 消磁電流控制設備通用調試儀[J]. 電氣技術，1999（5）：32.

[4] 劉大明. 輔助艦船應急消磁系統(tǒng)研究[J]. 海軍工程大學學報，2002（4）：23.

[5] 劉大明. 艦艇閉環(huán)消磁技術國內外研究現(xiàn)狀[J]. 船電技術，2011（10）：31.

The current situation and development trend of ship demagnetization

Wang Yuhua

( Naval Equipment Department, Wuhan 430064, China)

U665.18

A

1003-4862（2023）12-0008-03

2023-10-01

王禹華（1981-），男，高級工程師，研究方向：電氣工程。E-mail：361750711@qq.com