國外磁掃雷具裝備及技術發展

陸斌杰,張曉兵,戴忠華

(1.海軍工程大學 兵器工程學院, 武漢 430033; 2. 92279部隊, 山東 煙臺 264003; 3.軍事科學院國防科技創新研究院, 北京 100071)

0 引言

水雷是海軍作戰中的非對稱武器之一。無論是沉底雷、錨雷、漂雷,都有能力拒止敵軍進入咽喉要道、港口、兩棲登陸點,甚至深水通道,是非常有效的反介入/區域拒止武器[1]。水雷戰(mine warfare,MIW)是當今世界各國關注的熱點,各國都在致力于建設和改進反水雷(mine countermeasures,MCM)能力[2]。MCM分為被動MCM和主動MCM任務。被動MCM旨在通過消磁、減振降噪、降低航速、消電等技術手段降低艦船的磁、聲、水壓、電信號來提高艦船隱身能力。主動MCM旨在通過掃雷、獵雷、炸雷等技術手段干擾壓制、摧毀水雷。

掃雷技術包括掃雷具平臺技術和掃雷具場源技術。按掃雷具平臺技術分為拖曳式和艇具合一式。掃雷具磁源包括磁場、聲場、水壓場、電場源等4種場源。文獻[3-4]研究了各國在無人水下航行器(unmanned underwater vehicles,UUV)方面的應用及最新成果,強調了UUV續航能力強、機動性強、隱蔽攻擊能力強的特點,提到了UUV在掃雷上的應用。文獻[5]基于水下無人潛航器(UUV)、無人機(UAV)、無人艇(USV)對國外無人掃雷裝備技術作了系統的梳理,側重于遙控方式、功能拓展等方面的研究。文獻[6]研究了無人作戰體系協同掃雷系統的概念,對多無人平臺集群智能組網掃雷進行了深入分析。文獻[7]針對動力、控制、布放回收等技術對掃雷UUV進行了相關研究。文獻[8]著眼于國外掃雷USV的最新發展,以掃雷無人艇型號為主線分析了各國的發展路徑。文獻[9]研究了各國針對淺水掃雷發展的無人掃雷系統以及各平臺協同掃雷技術。文獻[10-12]分別從無人作戰、作戰思想、力量編成等方面探討了美國反水雷能力建設現狀及發展路徑。文獻[13]研究了潛載反水雷UUV的布放、回收、協同等關鍵技術。文獻[10]分析了美國掃雷技術路線的發展,發展理念由以平臺為中心向以能力為中心轉變,并從航空、水面、水下3個空間維度和時間維度上總結了掃雷裝備技術的發展。文獻[14]研究了直升機機載掃雷技術,對部分機載拖曳掃雷具的性能參數作了相關分析。

上述絕大部分文獻分析的是世界各國在掃雷具平臺技術上的研究進展,但對掃雷具場源技術的研究較少。然而掃雷技術的核心在于掃雷具場源技術,其中磁場源技術是最為重要和普遍應用的技術之一。因此,有必要研究各國磁掃雷具技術,為我國磁掃雷具研究和水雷對抗磁掃雷具研究提供參考。

磁掃雷具能夠產生磁場誘動帶磁引信的水雷。磁掃雷具按磁源類型分為永磁式和電磁式。電磁式分為螺線管式、電極式、環圈式。磁掃雷具按掃雷模式分為目標模擬模式(target emulation mode,TEM)和水雷設定模式(mine setting mode,MSM)。TEM旨在產生與特定類別艦船非常相似的磁性特征,從而引爆具有精確識別艦船磁場能力的水雷。模擬目標艦船磁場的掃雷稱為TEM。目標模擬式掃雷的前提是掌握被模擬艦船磁場特征。MSM針對特定靈敏度和邏輯的水雷。2種掃雷模式的本質區別在于,TEM目的是清除可能對模擬艦艇構成威脅的水雷,而不考慮水雷的靈敏度、設置或邏輯。MSM目的是為了提高對付邏輯和靈敏度已知的水雷的性能,并且掃雷范圍更大。

為了詳細論述磁掃雷具的發展現狀,基于磁源類型,分別研究永磁式、螺線管式、電極式3類磁掃雷具,對比了各型磁掃雷具裝備和技術路徑的發展現狀,從而為磁掃和抗磁掃提供相應參考。由于環圈式掃雷器為閉環式載流電纜結構,在工作時需要展開器,且在水中所受阻力巨大,掃雷效率低。按掃雷具技術發展和軍事應用看,近年來,新發展的環圈式掃雷具極少,已逐步退出歷史舞臺,故不對其進行詳述。

1 永磁式磁掃雷具

永磁式磁掃雷具磁場由鐵磁體剩磁產生,不依賴于海洋環境,不受海水鹽度、海水電導率、海洋分層結構、海水溫度等的影響。

1.1 永磁式磁掃雷具裝備

澳大利亞裝備了Thales公司研發了聯合感應掃雷系統(combined influence sweep,CIS),如圖1所示。磁掃雷具包括Dyads、磁水雷干擾器(magnetic mine jammer,MMJ),如圖2所示。Dyads可以通過磁體的線性陣列配置產生與選定級別的艦船類似的磁場。掃雷磁場可以通過改變陣列中Dyad的數量、極性以及每個Dyad的距離來改變,具備目標模擬模式和水雷設定模式2種模式。根據地理位置的改變優化信號特征結構以反映艦船磁場特征。Dyads有2種尺寸:Mini Dyads和Maxi Dyads,具體參數如表1所示。Mini Dyads用于模擬消磁戰艦到中型驅逐艦(取決于消磁線圈的設置和效率)以及較小的商船;Maxi Dyads用于模擬航母級別的消磁戰艦和大型商船。Dyads能夠產生三分量磁場,模擬艦船磁場的空間和時間特征。由DSTO和Thales公司開發的MMJ能夠在掃雷的不同位置改變橫向磁場和垂向磁場,以逼近艦船磁場特征。MMJ可以安裝鰭片,被托曳于水中時產生旋轉磁場,從而封閉水雷。

圖1 澳大利亞“CIS”

圖2 Dyads

表1 Dyads參數

1.2 永磁式磁掃雷具技術研究

美國海軍研究生院Ludwig提出了多水下無人掃雷艇編隊控制方案,該方案采用主從模式,多艘從屬無人艇在主艇監督控制下協同作業,從而實現對雷場的最大覆蓋[15]。特別指出的是,因其中某艘艇由于引爆水雷而導致被毀時,主艇會重新分配其他艇替代被毀艇。主艇位雷場區域外(錨泊或機動),遠程遙控無人艇編隊進入雷場掃雷。為了掃除磁感應式沉底雷,無人艇上攜帶足夠強的永磁鐵。

2 螺線管式磁掃雷具

螺線管式磁掃雷具包括帶磁芯的螺線管式磁掃雷具、超導磁體螺線管式等類型。螺線管式磁掃雷具可采用常規掃雷、定點掃雷等掃雷方法。定點掃雷方法是指通過改變線圈電流來改變3個磁化方向的磁矩,在無需移動或拖曳的情況下,使水雷和掃雷具的相對位置固定,也能較好地模擬艦船特定方向的通過特性,同時磁場三分量正交,操作更簡便[16]。

2.1 螺線管式磁掃雷具裝備

瑞典SAAB公司2008年開發了自航聲磁掃雷具SAM3,該掃雷具為遠程遙控USV,采用兩軸磁場發生器,能夠精確控制艇體的縱搖角和橫搖角,使甲板上的線圈產生穩定的垂向磁場,具備目標模擬式和水雷設定式2種掃雷模式。艇長14.4 m,船寬6.7 m,吃水1.2 m,排水量14 t,最高航速12 kn,掃雷航速8 kn,掃雷續航80 h,如圖3所示。

圖3 SAM3

2012年,荷蘭遙控感應掃雷系統(netherlands remote controlled influence minesweeping system,NLRCIMS),采用USV拖曳線列陣螺旋管磁掃雷具,如圖4所示。

圖4 NLRCIMS

超導磁體能夠在較小尺寸內以高電流密度持續工作,為制造新一代自主、穩定爆炸和有效的掃雷具提供了技術支撐。相比于電極式電磁掃雷具,超導電磁掃雷具從高導電性的鹽水過渡到低導電性的淡水時,磁場基本不受影響。

1976—1988年期間蘇聯開發了世界上第一個超導磁體自航反水雷(self-propelled mine counter measure,SPMCM)裝備[17]。磁體參數為:內徑420 mm,外徑630 mm,高度540 mm,工作電流160 A,最大磁矩6×105A·m2。磁體磁軸垂直于海面。對前進速度、超導磁體旋轉頻率、超導磁體磁矩的協同控制,提高對不同艦船磁場的模擬精度。掃雷具航速22～27 kn。單個旋轉磁偶極子或幾個旋轉磁偶極子的組合可以精確地模擬消磁艦船的典型磁信號。

美國于1998年研制了先進輕量感應掃雷系統(advanced lightweight influence sweep system,ALISS),如圖5所示[18]。超導磁體參數為:內徑1 m,外徑1.15 m,厚度0.15 m,高度0.308 m。

圖5 ALISS Fig.5 ALISS

美國超導公司于1999年12月完成了用于機載超導掃雷系統的超導磁體的制造[19]。磁體由單層高溫超導線圈纏繞在457 mm芯軸上組成,線圈匝數為253匝,線圈長0.9 m,磁矩達15 kA·m2,工作電流為381 A,電感11 mH。美國QinetiQ公司2003年淺水感應掃雷系統(shallow water influence minesweeping system,SWIMS)采用半自主USV搭載基于輕型超導磁體的螺線管磁掃雷具。該螺線管長3.2 m,直徑0.46 m,用于淺水掃雷。2005年為海軍研究辦公室設計、制造并測試了一種用于機載掃雷的高溫超導磁體系統模型,用于制造SWIMS的升級版OASIS。OASIS采用MH-60S直升機拖曳,掃雷航速40 kn,掃雷深度25 m。磁體的磁矩為 8×104A·m2,磁體是由16層超導線組成的螺線管,線圈內徑為455 mm,外徑為476 mm,長度為914 mm,工作電流193 A,能以26 A電流進行頻率為0.5 Hz的調制[20]。美國海軍于2021年發布正在研究基于高溫超導磁體的閉環掃雷具MAGNUSS,將其搭載于柴油驅動的鋁制USV上,采用無拖曳式電磁掃雷模式[21],如圖6所示。

圖6 MAGNUSS

2.2 螺線管式磁掃雷具技術研究

美國Textron公司于1992年發明了一種氣墊船無人掃雷具[22]。該系統能夠在載具下方產生強大的磁場,該磁場在所有方向上延伸范圍足夠遠,能夠在水雷殺傷半徑外引爆水雷。磁場發生器由安裝于甲板的4個閉環線圈組成,一個線圈安裝于水平甲板面上,另外3個線圈沿掃雷具縱向間隔安裝于甲板的垂直面上。英國Thales公司于2017年研制了一種磁場可控的帶磁芯螺線管式電磁掃雷具[23]。不同于空心螺線管和帶鐵芯的螺線管,該設計中采用的磁芯為具有低居里溫度、高磁導率、低剩磁的磁性材料。當掃雷具工作時,將磁芯溫度降低到居里溫度以下,此時帶磁芯的螺旋管產生比一般帶鐵芯的螺旋管更強的磁場,同時可以通過調節溫度和電流精確控制螺線管的磁場。當掃雷具不工作時,將磁芯溫度升高到居里溫度以上,此時帶磁芯的螺線管的磁場強度幾乎為0,即磁芯剩磁極低。該設計有助于提高螺線管電磁掃雷具工作效率,同時便于掃雷具的存儲和運輸。Golda等[24]于1992年研究了超導掃雷,在圓柱形軸上纏繞超導導線構成的螺線管式電磁鐵。采用有限長螺線管磁場近似計算公式計算超導磁體螺線管的磁矩、磁場、掃雷面積、掃雷速率。日本東芝公司于2001年公開的專利展示了基于超導線圈的電磁掃雷具。掃雷艇采用延伸到海面上的200～300 m長的銅線拖曳拖曳體并聯陣列(2～3個),各拖曳體間保持一定橫距。超導線圈飽和電流為200 A,線圈直徑1 m。澳大利亞政府于2008年公開了一份超導電磁掃雷具的專利[25]。單個超導體磁結構包括至少3個超導線圈(縱向線圈或螺線管、垂向線圈、橫向線圈)作為三軸磁源,多個超導體磁結構組成拖曳陣輸出固有磁場分量和可變磁場分量,用于模擬艦船固有磁場和感應磁場。該掃雷具具有目標模擬式和水雷設定式2種工作模式。根據掃雷具工作海域和緯度、航行時間、航向的不同,控制各線圈的電流以調節線圈磁矩方向和大小。在遠場條件下,采用磁偶極子模型計算單個超導體磁結構產生的磁場。采用單個或多個超導體磁結構陣列模擬艦船磁場。磁偶極子的磁矩三分量分別由艦船縱向磁化強度、橫向磁化強度、垂向磁化強度決定。磁化強度由固有磁化強度和感應磁化強度組成。

3 電極式磁掃雷具

電極式磁掃雷具的磁場由導線電流和分流電流產生。電極式磁掃雷具的磁場依賴于海洋環境,受海水鹽度、海水電導率、海洋分層結構、海水溫度等的影響。

3.1 電極式磁掃雷具裝備

美國海軍于2005年在SWIFT上裝備了基于遠程操作USV掃雷任務模塊,搭載于一個11 m長的剛性充氣艇上。該系統由一個電極式電磁掃雷具組成,在USV的開環概念下,2個電纜電極將從船橫梁上拖出,其中一個電纜電極連接到絕緣掃描電纜的一端,以在海水介質中產生電極分離。施加在一個電極上的直流電流通過海水中的“開環”路徑返回到第2個電極,從而產生磁場[26]。

2009年,芬蘭的TietoSAAB公司研制了低航速(7～10 kn)目標模擬式掃雷具,采用模塊化設計,利用二維線圈、三磁體模擬艦船三分量磁場。2011年,ATLAS研制了集裝箱式綜合水雷對抗系統(containerized integrated mine countermeasures system,C-IMCMS),如圖7所示。采用基于快捷靈活技術(flexible agile sweeping technology,FAST)的USV,艇長11.5 m,為剛性氣墊船。

圖7 C-IMCMS

2012年,美國Exelis MDS公司為搭載于MH-53E海龍直升機的MK-105 Mod 4電極式電磁掃雷具進行了升級,如圖8所示。直升機在其后面大約137 m處,以20～25 kn速度拖曳2根大約152 m長的導體電纜,最淺掃雷深度為4.5 m[27]。電極陣列通以直流電產生磁場,模擬水面艦船的磁場特征[28]。

圖8 MK-105 Mod 4

2013年,瑞典Polyamp公司研制了能夠模擬長度達150 m艦船磁場的磁掃雷具,如圖9所示。采用具有高電流和高功率的可漂浮電極。MSS2000還可以增加一個交流雜散場,使直流和交流場都形成一個完整的擬艦船磁場。掃雷磁場由軟件控制,可以隨時選擇新的目標磁場。

圖9 基于MSS2000的掃雷艇

美國Textron公司于2022年交付美國美國海軍無人感應掃雷系統(unmanned influence sweep system,UISS)[29],如圖10所示。UISS采用通用無人水面艇(common unmanned surface vehicle,CUSV)拖曳單根磁性電纜產生磁場,該電纜為同軸結構的高溫絕熱電纜,采用低腐蝕電極。CUSV艇長11.3 m,艇寬3.5 m,排水量10 t,吃水0.66 m,最大拖曳力2 260 kg,最高航速20 kn[30]。

圖10 UISS

3.2 電極式磁掃雷具技術研究

美國海軍研究生院Sam Poteete采用N層磁模型預測磁性掃雷設備在由N層組成的復雜環境中的預期性能,分別對直開口式、斜開口式2類電極式電磁掃雷具進行了磁場仿真計算。每層都具有任意的導電性和厚度。該模型使用隨機環境垂直電導率結構計算美國海軍各種磁掃雷配置產生的磁場強度。為了更好地確定哪些參數對模型的影響最大,哪些參數可以簡化或增強,在實際數據集上進行了一系列測試[31]。

美國EDO公司于2004年公開了一份電極式電磁掃雷具的設計[32]。該掃雷具僅拖曳一根電纜,采用雙電極結構,陽極電極由拖曳于掃雷具上的單根電纜連通到海水,另一端陰極電極由掃雷具本體或掃雷具表面的嵌入式電極充當。直流電源產生直流電平或相對低頻(脈沖)電流來產生磁場。掃雷具參數如表2所示。

表2 EDO開環式電磁掃雷具參數

日本環球造船公司于2012年公開了一份電極式掃雷具的專利。該專利中包含直開口式和斜開口式2類電磁掃雷具。掃雷具裝有高精度磁強計,能夠實時檢測地磁場強度、掃雷具與地磁場合成的磁場強度,從而根據航向、緯度等變化,實時調節輸出電流,控制磁場變化。

4 多磁源式磁掃雷具

多磁源式磁掃雷具是指集成了上述2種以上磁掃雷具的多功能磁掃雷具,可以根據任務需要使用不同的掃雷具進行掃雷。

4.1 多磁源式磁掃雷具裝備

挪威海軍2018年裝備了ATLAS的遠程聯合感應掃雷系統(remote combined influence minesweeping system,ARCIMS),如圖11所示[33]。ARCIMS包括一艘USV,長11.2 m,寬3.4 m,吃水0.6 m,排水量10.5 t,掃雷航速6～15 kn,最高航速40 kn。后面拖曳一個傳感器單元,該裝置使用磁、聲和電技術來消除不同類型的水雷。系統由一個便攜式指揮中心控制,該中心可以設在海上或陸地上。USV拖曳3艘線圈輔助艇、直開口式雙電極,產生電場和磁場,具備MSM和TEM 2種模式。英國皇家海軍于2022年底同樣接收了ATLAS Elektronik英國公司的3艘“世界級”的ARCIMS[30,34]。

圖11 ARCIMS

4.2 多磁源式磁掃雷具技術研究

法國Thales公司于2003年公布了一型多磁源聯合感應掃雷系統的設計,集成了螺線管式、環圈式、電極式等3類磁掃雷具的特點[35]。3臺掃雷具通過電纜首尾相連,掃雷具間有電纜形成2組卵形環狀的水平回路,前2臺形成一個回路,后2臺形成一個回路,回路通過一組分流器保持打開狀態,回路電流產生垂向磁場。每臺掃雷具前腹部裝有電極,兩電極間因電位差而產生流經海水的分流電流,該電流產生橫向磁場和縱向電場。電流發生器產生電流,電流通過電極流經海水并流入另一掃雷具的電極,再通過間接掃雷具的電纜流向源掃雷具,從而構成回路。通過控制電極的輸出電流,在兩電極間形成不同的電位差。如在前2個電極間形成直流分流電流,模擬艦船前半部分的靜磁場;在后2個電極間形成低頻交流分流電流,模擬艦船腐蝕相關電流經螺旋槳主軸調制后產生的極低頻磁場,以及艦船軸系旋轉產生的極低頻磁場。掃雷具內部配備帶鐵芯的螺線管,可產生縱向磁場。

德國Siemens Energy Global公司于2022年公開了一份多無人潛航器聯合磁掃雷系統的方案。無人潛航器內部至少搭載一組永磁鐵或磁線圈,通過在遠離水雷的海域進行特定的多自由度運動(平移、滾轉),從而在目標區域形成給定類型艦船的隨時間變化的磁剖面。無人潛航器編隊中的各潛航器通過不同的機動來產生復雜的磁場信號,從而高精度模擬特定的艦船。整個掃雷系統能夠在到達目標位置之前,在目標位置產生引爆水雷所需的磁信號。無人潛航器安裝有多個磁線圈,分別安裝于前部和后部。磁線圈采用矩形線圈,采用磁四極子來分析無人潛航器磁場。磁線圈可采用直流或交流饋電,從而控制磁場幅值。在無人潛航器前部區域安裝環形圓盤永磁鐵。無人潛航器結合磁線圈電流變化和多自由度運動,協同控制磁場變化。無人潛航器進行相應旋轉,可以對目標位置處產生的磁場進行有效的控制。

5 磁掃雷具性能對比分析

5.1 磁場數學模型

磁掃雷具的磁場特性是決定掃雷具掃雷性能的關鍵因素,要準確掌握磁掃雷具的磁場分布,必須進行大量實測,但是實測數據的獲取費時、費力,同時又難以掌握全部掃雷具的磁場數據。因此,必須研究磁掃雷具的技術體制、磁場發生機理、磁場來源、模擬模式等要素,構建磁場數學模型。經過查閱大量文獻,對上述此掃雷具的磁場數學模型總結如表3所示。

表3 國外磁掃雷具裝備及技術體制

分析磁掃雷具磁場數學模型可知,磁性源磁掃雷具的基本數學模型為:磁偶極子、時諧磁偶極子、磁四極子、有限長載流直導線、載流線圈、有限長空心螺線管、有限長帶鐵芯的螺線管、旋轉橢球體。電性源磁掃雷具的基本數學模型為:點電極、線電極、電偶極子、時諧電偶極子、點電流源。

通過對以上基本模型的優化組合,可以構建各型磁掃雷具的磁場數學模型,進而可以通過仿真計算各磁掃雷具的磁場分布。

5.2 對艦船磁場模擬精度定性分析

由表3可知,螺線管式磁掃雷具可以采用單軸磁偶極子或單軸磁偶極子陣列模型計算磁場,只有縱向磁矩,僅產生縱向磁場,對艦船磁場模擬精度一般[36]。

單磁體永磁式磁掃雷具可以采用單軸磁矩旋轉橢球或單磁偶極子模型計算磁場,且僅有單一方向磁矩,模擬精度不高,且單磁體永磁式磁掃雷具的磁場不可任意改變。線列陣永磁式磁掃雷具可以采用旋轉橢球體陣列或磁偶極子陣列模型計算,能夠通過磁體的位置、間距、極性調整來產生需要的三分量磁場。因此,線列陣永磁式磁掃雷具模擬精度較高。但問題在于永磁體磁矩不可控。

可變磁矩線列陣磁掃雷具對艦船磁場的模擬精度更高,同時具備MSM和TEM模式,能夠掃除多種類型的水雷,應用范圍更廣。

超導式磁掃雷具采用磁偶極子模型計算磁場,其特點在于小尺寸、大電流、大磁矩,當需要產生極強磁場的應用場景中,超導式磁掃雷具具有明顯優勢。但問題在于其對磁場的模擬精度跟螺線管式類似,且其使用維護難度大,其發展取決于常溫超導技術的突破。

電極式磁掃雷具的磁場計算取決于分層介質的選擇、海洋環境、電流頻率、電極配置、拖曳方式、電纜長度等因素。因此,有必要研究分層介質中的磁場分布和傳播規律。通過控制電流大小、頻率、波形及掃雷航速,能夠在目標區域形成模擬艦船磁場剖面,模擬精度較高。基于無人平臺的電極式掃雷具解決了因磁場前伸過大而對拖曳艦艇造成危險的問題,同時,為提高磁場規則度和掃雷效率,采用直開口式雙電極構型。

6 結論與展望

對國外基于永磁式、螺線管式、電極式3類磁掃雷具作了系統的梳理,從中可以看出,磁掃雷具技術的發展路徑集中于以下幾點:

1) 無人化:大量USV、UUV、AUV被應用于掃雷,雷區外實現遠程精確遙控,對軍事人員的安全性保障大幅提升。

2) 模塊化:不同功能組件被封裝于不同的設備,從而提升裝備可靠性,同時能夠快速更換備件,提高裝備可維護性。

3) 復合化;對不同類型的磁源的組合,能夠產生復雜的磁場,從而提升對目標艦船磁場的模擬能力。

4) 精確化:隨著量子技術等新興磁傳感器技術的不斷發展,磁傳感器的靈敏度越來越高,對于艦船軸頻磁場等細微磁場的模擬也越發緊迫,從而全面改善磁掃雷具對艦船磁場的復刻能力。

綜上所述,磁掃雷具磁源技術的研究仍集中于永磁式、螺線管式、電極式等幾大類,研究方向多為對單一種類的磁源進行線列陣組合、對不同磁源進行集成等方面,在磁掃雷具基本構型和新磁源研究方面沒有太大的進展。由此結合各國最新發展的裝備技術,可知線列陣磁掃雷具和電極式磁掃雷具是當下的主流。

上述研究為研究磁掃雷具的磁場建模、發展方向、水雷的抗磁掃等提供了一個可供參考的研究方法。受限于當前條件,文中僅對目前主流的磁掃雷具進行了研究,且僅給出了磁掃雷具的數學模型。下一步工作的重點是開展磁掃雷具的數學模型仿真試驗研究、水雷抗磁掃研究、水雷與磁掃雷具對抗研究。