基于远场等效磁矩的潜艇磁防护技术

张朝阳，虞伟乔，陆鹏飞

(1.海军装备技术研究所，上海 200083； 2.中国人民解放军91656部队，上海 200080)

基于远场等效磁矩的潜艇磁防护技术

张朝阳1，虞伟乔2，陆鹏飞2

(1.海军装备技术研究所，上海 200083； 2.中国人民解放军91656部队，上海 200080)

摘要：从控制潜艇磁性的源头出发，根据潜艇高空磁场与磁偶极子磁场的等效性，以及磁偶极子磁场与电流环磁场分布的一致性，提出一种基于远场等效磁矩的磁防护方法。通过布设简单补偿绕组，直接补偿潜艇等效磁矩，从而降低潜艇远场磁场。仿真实验结果表明，该方法可有效降低潜艇的远场磁场，提高潜艇对抗航空磁探的能力，为实际潜艇的远场磁防护提供了一种新的思路和技术手段。

关键词：潜艇；磁防护；等效磁矩；航空磁探；磁偶极子

0引言

潜艇最主要的优势是隐身性，而潜艇本身产生的磁场对其隐身性能却构成了巨大威胁。随着潜艇磁探测(航空磁探)技术的发展[1-3]，活动在大洋中的潜艇越来越容易被发现，为充分发挥潜艇的战略作用，采取必要有效的磁防护手段，增强其磁隐身能力，显得非常重要。在消磁站消除固定磁场和利用舰载消磁系统抵消感应磁场是目前舰艇消磁的主要手段，若采取这2种防护手段，则潜艇的磁防护能力可大大增强，能有效对抗航空磁探[4-5]。但对于很多潜艇，一方面由于现有消磁系统的重量和功率比较大，潜艇承载能力有限，消磁系统安装条件受限；另一方面，由于潜艇的空间狭小，消磁系统的安装空间受限。因此，很多潜艇无法安装现有消磁系统，磁防护性能大大降低，必须采用新的防护技术手段。

对潜艇而言，对抗航空磁探的远场磁防护要比对抗磁性水雷的近场磁防护重要的多，另外，现有消磁系统一般都针对近场磁场而言，其最终目标是用通电绕组磁场补偿掉近场磁场，达到防磁性水雷的目的。若采用现有消磁系统补偿近场磁场的方法去抵消远场磁场，则需要测量远场磁场来对绕组电流进行调整，而这在实际中非常困难，很难实施。

针对上述问题，有必要研究一种专门针对潜艇远场磁场的磁防护方法，使之能够方便、较好的补偿远场磁场(消除固定磁性后的潜艇感应磁场)，并且能够较快应用到潜艇上，提高潜艇对抗航空磁探的能力。本文试图从潜艇的远场等效磁矩出发，利用圆形线圈(矩形线圈)远场磁场与磁偶极子磁场等效的原理，设计简易远场磁防护系统，对基于等效磁矩的潜艇远场磁防护方法进行仿真分析，为提高实际潜艇的防磁探能力提供一种技术手段。

1理论分析

1.1　潜艇远场等效磁矩

磁矩是磁场产生的源。根据文献[6]可知，在潜艇上方高空(距离潜艇2.5倍艇长以上)中，潜艇的磁场可以用一个等效磁偶极子产生的磁场代替。该磁偶极子具有三分量的磁矩，即为潜艇的远场等效磁矩，潜艇高空任意位置的磁场均可由此等效磁矩计算得到。潜艇的等效磁矩理论上可以由文献[7]的方法测量得到，但由于实际潜艇的远场磁场难以测量，因而难以应用于工程实践。

由于本文主要讨论潜艇消除固定磁性后感应磁场的补偿方法，因此等效磁矩一般为等效感应磁矩。等效磁偶极子等效磁矩的3个分量可记为：纵向等效磁矩Mx、横向等效磁矩My、垂向等效磁矩Mz(未完全消除的部分固定磁性、垂向固定磁性可与感应磁性合在一起讨论)。潜艇远场等效磁矩可以按照下述方法求得：1)测量得到2个相反航向的潜艇近场磁场；2)利用高空磁场换算方法[8-9]计算得到2个航向的高空磁场；3)计算得到2个航向的等效磁矩；4)利用磁矩分解得到潜艇的远场等效磁矩三分量。

1.2　磁偶极子磁场与电流环磁场的等效

根据文献[10]，对于磁矩沿x轴方向的磁偶极子，当场点与磁偶极子距离远大于磁偶极子尺度时，其磁场表达式为：

(1)

根据“分子电流”观点，微小环电流(或与场点、源点间的距离相比可视为微小电流环的通电绕组)的作用相当于磁偶极子，该环电流的作用可用磁矩表示为：

M=ISn。

(2)

式中：S为电流环所围的面积；I为电流环的电流大小；n为S与电流环成右手螺旋关系的法向单位向量。

电流环在远处场点产生的磁场表达式与式(1)相同[11]，表明电流环在远处产生的磁场与磁偶极子在远处产生的磁场等效。图1为电流环与磁偶极子产生的磁场的对比图，从图中可以看出，在远处二者产生的磁场分布一致。

图1　电流环与磁偶极子产生磁场的比较Fig.1　Compare the field generated by circle current with the　field generated by magnetic dipole

1.3　潜艇远场磁场的补偿原理

因为潜艇高空磁场可用磁偶极子产生的磁场等效，同时，磁偶极子产生的磁场又与相应电流环产生的磁场相同，因此，可以考虑在潜艇位置处设计一个环电流(简易通电绕组)，使得在高空产生与潜艇远场磁场大小相等、方向相反的磁场，达到抵消潜艇远场磁场的目的，实际上就是利用潜艇处的环电流产生一个与潜艇等效磁偶极子磁矩大小相等、方向相反的等效磁矩，从源头上控制潜艇的高空磁场。

在得到潜艇的远场等效磁矩后，可由下式计算环电流的大小：

I=M/S。

(3)

式中：M为潜艇某一方向的等效磁矩大小；S为电流环的环面积；I为电流大小。

可以根据潜艇3个方向的远场等效磁矩构造3个环电流，在3个方向上产生反向磁矩对潜艇磁性进行补偿，使得潜艇的远场磁场降低到很小的水平。因此，用简单的几个环电流，就可以很好降低潜艇的远场磁场，这就是基于远场等效磁矩的磁防护技术的基本原理。该方法的补偿原理如图2所示。具体线圈布置示意如图3所示，环电流Ix，Iy，Iz分别补偿远场等效磁矩Mx，My，Mz。

图2　潜艇远场磁场补偿原理框图Fig.2　The theory block diagram of compensating the far　magnetic field of submarine

该方法的新颖之处在于其补偿原理是对潜艇等效磁性的直接补偿，而非是传统方法中对磁场的简单拟合抵消，相比传统意义上的防护原理更好理解，具体实施更为方便。

环电流的产生可以用传统消磁系统补偿中的通电绕组产生，对于潜艇而言，通电绕组可以选择圆形线圈或矩形线圈[10](远距离的高空均可视为微小电流环)。

2磁防护技术的仿真实验分析

根据上述基于远场等效磁矩的磁防护原理，可知理论上仅需一组绕组线圈(包括水平绕组线圈、纵向绕组线圈和横向绕组线圈)即可将潜艇高空磁场补偿。下面根据实验室某潜艇模型的磁场测量数据，按照上述方法对防护效果进行仿真实验分析。

在实验室测量某潜艇模型(对模型进行了简单消磁处理，还有部分固定磁性)北航向、南航向的近场包络面磁场，用边界元法[9]计算两航向高空磁场和高空等效磁矩，然后得到北航向远场等效磁矩(包括纵向磁矩和垂向磁矩，横向磁矩为0)，由式(3)得到远场补偿安匝量(单匝电流大小和匝数的乘积)，考察加入补偿电流后高空磁场的变化。

经计算得到该潜艇远场等效磁矩为：

Mx=45 113 Am2，My=0，Mz=-3 868 Am2。

远场补偿绕组线圈设计如下，其中线圈电流方向按右手定则规定为：产生正向磁矩的电流方向为正向，相反为负向。

纵向补偿绕组线圈：布放在潜艇中心位置，采用圆形线圈，半径取R=3 m，安匝量大小为Mx/(πR2)=532安匝，电流方向取负向。

垂向补偿绕组线圈：布放在潜艇中心位置，采用正方形矩形线圈，边长为4 m，安匝量大小为Mz/42=121安匝，电流方向取正向。

由于北航向横向磁矩为0，不用横向补偿绕组线圈。

实际中线圈可采用多匝缠绕以降低单匝线圈的电流大小。

采用上述参数通电后，考察高度为H的高空某平面(H>200 m)上潜艇磁场(对应到实艇)的补偿效果。如图4为潜艇北航向磁场补偿前后的磁场对比情况，图中给出了z分量磁场和总量磁场的变化情况，每列的前2个小图为补偿前和补偿后的磁场曲面比较图，第3个小图为中间一条测量线的磁场比较曲线。从图中可以看出，针对远场等效磁矩，采用简单的几组通电绕组线圈，即可将高空磁场补偿的很好。z分量磁场最大幅值由原来的1.6 nT变为了0.14 nT，总量磁场最大幅值由原来的1.8 nT变为了0.18 nT。对于分辨率为0.2 nT的磁探仪，沿北航向潜艇正上方探测时，补偿前有效磁异常长度和有效磁异常面积[5]分别为1 020 m和656 800 m2，补偿后，均变为0，磁探仪已经探测不到潜艇。

从上面的仿真分析可以看出，采用简单的几组绕组线圈(纵向，横向和垂向)对潜艇远场等效磁矩进行反向补偿，即可较好地降低远场磁场，提高潜艇对抗航空磁探的能力。

3结语

根据潜艇高空磁场与磁偶极子磁场的等效，以及磁偶极子与电流环产生磁场的一致性，采用简单的补偿绕组线圈，直接补偿潜艇远场等效磁矩，即可降低潜艇的远场磁场，提高潜艇对抗航空磁探的能力，该研究为实际潜艇的远场磁防护提供了一种思路和技术手段。另外，虽然在理论上可以把补偿绕组线圈布放在一处，但由于较大的安匝量可能把线圈所环绕的设备磁化，因此在实际中绕组线圈的布设应尽量分散成螺线管状(这样不会影响远场磁场的补偿效果)，且尽量离开设备环绕，只要保证总的安匝量不变即可。

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Research on the submarine′s magnetic defense technology based on the far field equivalent magnetic moment

ZHANG Zhao-yang1, YU Wei-qiao2, LU Peng-fei2

(1.Navy Equipment Technology Institute,Shanghai 200083,China;

2.No. 91656 Unit of PLA,Shanghai 200083,China)

Abstract：Starting from controlling the magnetic source of the submarine, according to the equivalence of the submarine′s aerial field and the magnetic dipole′s field, as well as the coherence of the magnetic dipole′s field and the current loop′s field, one novel magnetic defense method based on the far field equivalent magnetic moment was founded. By laying simple compensation loops, the equivalent magnetic moment can be compensated directly, and the far field of the submarine can be reduced. The simulation experiment′s result showed that the method can reduce the far field of the submarine effectively, which can improve the ability of the submarine to resist the aerial magnetic detection and support a new idea and a novel technology means for the actual submarine′s far field′s magnetic defense.

Key words：submarine;magnetic defense;equivalent magnetic moment;aerial magnetic detection;magnetic dipole

作者简介：张朝阳( 1981 - ) ，男，博士，工程师，主要从事舰船消磁和磁性目标定位等方面的研究。

收稿日期：2013-12-06； 修回日期： 2014-02-25

文章编号：1672-7649(2015)02-0097-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.020

中图分类号：O441.2

文献标识码：A