潜艇磁场的估算与仿真

孙 权, 唐劲飞



潜艇磁场的估算与仿真

孙 权1, 唐劲飞2

(1. 驻七五O试验场军事代表室, 云南 昆明, 650051; 2. 海军潜艇学院 战略导弹水中兵器系, 山东 青岛, 266071)

潜艇磁场的分析估算与仿真对于开发诱饵、靶标和磁探仪具有重要的实际意义。本文分析了潜艇磁场旋转椭球体模型与磁偶极子模型, 估算了潜艇磁场的大小。在比较了高磁导率下空心球体与实心球体磁场差别的基础上, 提出了采用空心永磁体模拟潜艇磁场这一方法, 由此估算了永磁体模拟的基本参数。该方法为磁性探潜的理论研究与试验, 以及实现诱饵和靶标的潜艇磁场仿真功能提供了参考。

潜艇磁场; 旋转椭球体模型; 磁偶极子模型; 永磁体; 估算; 仿真

0 引言

磁性探潜是反潜战中重要的技术手段, 无论是老式的P-3C还是新型的P-8A, 美军反潜机上都装备有航空磁探仪, 模拟潜艇磁场可以训练我军航空反潜装备。若在声诱饵的基础上增加潜艇磁模拟功能, 可提高诱饵模拟潜艇的逼真性, 实战中也可以用来对抗磁引信鱼雷。水中兵器试验中, 在声学靶标的基础上增加磁模拟功能从而形成“磁靶”, 可以在考核鱼雷声学性能的同时考核其磁引信功能。因此, 潜艇磁场的分析估算和仿真是很有实际价值的。

潜艇磁场模拟涉及两方面问题, 首先是如何正确分析和估算潜艇磁场的大小, 其次是采取什么样的技术手段模拟潜艇磁场, 本文将对其逐一展开探讨。

1 潜艇磁场的分析与估算

潜艇磁场可分为两部分: 恒定磁场与感应磁场[1-2]。恒定磁场是当外磁场为零时潜艇自身的磁场, 感应磁场是潜艇在外磁场(背景磁场)作用下感应的场。可以肯定的是, 无论恒定磁场或感应磁场, 有限区域内物体远场为磁偶极子场与背景磁场的和。潜艇所处的背景磁场——地磁场是弱磁场, 总场强度在20~60 μT。恒定磁场大小受材料、建造等许多因素影响, 精确的理论计算比较困难。潜艇恒定磁场可以在消磁站定期消除。关于感应磁场, 在均匀磁化及较规则几何体假设下, 有精确的理论结果。

式中:

其中:

感应磁场的一般计算公式为[2]

旋转椭球体感应场可认为, 在离源足够远时, 与偶极子的场相同。但具体多远是一个值得研究的问题。对磁矩相同的偶极子和椭球体产生的场进行仿真计算, 比较在相同位置的场, 在大于3倍磁场尺度的场点, 结果发现, 如果距离椭球体球心大于3倍椭球体长轴长度, 则其与偶极子场差异小于5%, 可认为两者基本相同。

从以上分析可以看出, 无论是磁场的估算还是仿真, 首要的是确定磁矩。

以上计算是针对实心旋转椭球体的。实际的潜艇是中空的, 近似为空心旋转椭球体。空心、实心椭球体的场间区别可类比实心球与空心球的场。

设空心球内外径之比为, 则空心球产生的磁场与实心球产生的磁场其比值为[2]

当=200时, 不同内外径比的空心球产生的磁场与实心球的磁场比值可见表1。

表1 不同内外径比下空心球与实心球的磁场比

2 潜艇磁场的仿真

要模拟潜艇的磁场, 最重要的是建造一个物体, 能产生合适大小的磁矩。产生磁场有两种方法: 通电线圈模拟和永磁体模拟。文献[4]提出用电极模拟潜艇磁场对抗航空磁探的方法。潜艇磁矩在107~108Am2量级, 要产生这么大磁矩, 要么采用大电流的线圈, 要么采用大面积的线圈。如采用1 A的电流产生磁矩, 线圈的长度在10~100 km。如采用1 m2的线圈产生磁矩, 则电流强度一般导线无法承受, 同时也会产生大量的焦耳热。采用超导技术能部分地解决电流的产生与维持问题, 但考虑到磁场模拟装置可能会放到水下, 这些用实际电流产生磁矩的方法实用性都不好, 所以转向考虑永磁体模拟。采用永磁体的好处是: 不需要提供能源、体积小、价格便宜、维护性好, 因此目前许多电机的磁系统都采用永磁体。

潜艇磁场模拟器可采用拖曳线列阵实现, 线列阵可放在诱饵或靶的尾部。通过控制阵列中磁体的转动, 改变磁矩的方向, 就可以调整合成模拟磁场的大小和方向。

3 结束语

本文讨论了潜艇磁场的估算和仿真。分析了潜艇磁场的模型, 比较了空心与实心物体的磁场, 得到了潜艇磁场的数量级。为模拟潜艇磁场, 提出了用空心永磁体球来模拟潜艇磁场的方法, 并估算出了模拟体的物理及几何参数。这些工作为磁性探潜的理论研究及试验, 以及实现诱饵和靶标的潜艇磁场模拟功能提供了参考。

对于潜艇磁场的模拟, 需要在本文的研究基础上进一步实用化, 如材料的选择和加工问题。另外, 强磁体会产生强烈的吸引或排斥力, 这也是需要考虑的问题。

[1] 叶平贤, 龚沈光. 舰船物理场[M]. 北京: 兵器工业出版社, 1992.

[2] 周耀忠, 张国友. 舰船磁场分析与计算[M]. 北京: 国防工业出版社, 2004.

[3] 谢处方, 饶克谨. 电磁场与电磁波[M]. 北京: 人民教育出版社, 1979.

[4] 汪晓雨, 刘忠乐. 基于小型运动载体的潜艇磁诱饵磁场产生方法[J]. 水雷战与舰船防护, 2006, 16(4): 18-21.

Estimation and Simulation of Submarine Magnetic Field

SUN Quan1, TANG Jin-fei2

(1. Military Representative Office, Stationed in the 750 Test Range, Kunming 650051, China; 2. Department of Ballistic Missile and Underwater Weapon, Navy Submarine Academy, Qingdao 266071, China)

Estimation andsimulation of submarine’s magnetic field are of practical significance to the development of decoy, aiming target, and magnetic fieldsimulation detection instrument. This paper analyzes the rotary prolate spheroid model and the magnetic dipole model, and estimates the magnitude of submarine magnetic field. Comparing the magnetic fields of hollow sphere and solid sphere with high permeability, a method of applying hollow permanent magnet to simulation of submarine magnetic field is proposed, and the essential parameters of the permanent magnet are estimated with this method. This method may be taken as a tool in theoretical research and experiment of submarine′s magnetic field detection and in realization of the submarine′s magnetic field simulation for decoy and aiming target.

submarine′s magnetic field; rotary prolate spheroid model; magnetic dipole model; permanent magnet; estimation; simulation

TJ630; U674.76; TM153

A

1673-1948(2011)04-0318-03

2010-07-13;

2010-12-08.

孙 权(1970-), 男, 硕士, 高工, 研究方向为水中兵器试验.

(责任编辑: 许 妍)