基于轴频电场机理的船体结构电学特性分析

张海鹏， 陈新刚， 敖晨阳， 龚文超

(1.海军潜艇学院动力操纵系，山东 青岛 266042;2.92857部队，北京 100161)

0 引言

舰船电场是舰船的一项重要目标特性［1］，许多国家都在积极从事舰船电场的研究工作，前苏联早就利用舰船电场作为非触发引信，美国、英国和加拿大等国，也已经把消除舰船电场列入其舰船建造规范［2-4］。舰船轴频电场是一种交变电场，会耦合交变磁场，衰减速率更慢，传播距离更远，更容易被对方电场监测系统、电场引信等探测到;其信号特征更易识别，更容易被用来对舰船进行探测、跟踪、定位和打击［5-6］。抑制舰船轴频电场是消除舰船电场的重中之重。

本文在分析舰船轴频电场产生机理的基础上，研究了舰船轴频电场的主要影响因素，建立了与轴频电场相关的舰船结构电学等效模型并研究了其电学特性。为舰船轴频电场抑制技术的研究奠定了基础，对增强舰船隐蔽性、应对电场探测技术挑战具有十分重要的意义。

1 舰船轴频电场产生机理分析

1.1 产生舰船电场的电能来源分析

现代舰船大都由不同金属材料建造而成，因电化学作用，不同金属在海水中具有不同的电极电位，特别是铜制的螺旋桨、管路、阀门等和钢制的舰船壳体之间会存在较高的电位差，形成腐蚀原电池，产生腐蚀电流。为提高舰船的防腐能力，舰船都采用有源阴极保护系统［7］。被保护的船体表面电流密度必须达到一定值才能获得良好的保护效果，一艘大中型舰船的保护电流可达到数十至数百安培。

舰船有源阴极保护系统提供的直流大电流和腐蚀电流是产生舰船电场的主要原因。

1.2 产生舰船轴频电场的影响因素分析

舰船有源阴极保护系统提供的直流大电流和腐蚀电流共同作用，会促使较大的电流流过螺旋桨、轴系、舰船船体，并经过海水构成回路。该电流回路受到与舰船转轴有关因素的调制，会产生轴频电场。轴频电场的特性主要受以下因素的影响:

(1)轴承接触阻抗的变化

当舰船螺旋桨转动时，轴系轴承的接触阻抗会随转动周期性变化。而产生舰船电场的电能来源提供的电能大小比较稳定，这样，周期性变化的轴承阻抗，必然会引起周期性变化的过轴电流，从而使得流过螺旋桨、轴系、舰船船体、海水等整个回路中的电流随之变化，产生与转轴转速同频率的电场，即轴频电场。

(2)桨叶转动时的海水阻抗变化

舰船辅助阳极和螺旋桨叶片之间的海水阻抗会随着螺旋桨的转动而发生变化，导致流经螺旋桨和轴系的电流发生外调制，产生以转速和桨叶数乘积为基频的轴频电场。

此外，螺旋桨叶片以不同速度在海水中转动时，叶片周围的海水会不同程度的产生气泡，影响海水阻抗，从而导致流经螺旋桨和轴系的电流发生外调制，产生与舰船螺旋桨转轴转速频率相关的轴频电场。

(3)其他因素

舰船低频电场还包括外加电流阴极保护供电系统引起的谐波电场、舰船运动产生的感应电场、船体漏电流和电磁辐射产生的电场、舰船运动引起的海水扰动产生的电场，这些低频电场会与轴频电场叠加，影响轴频电场特性。

1.3 舰船轴频电场的研究意义

在过去几十年里，降噪技术快速发展，舰船已变得越来越安静，为探测噪声已降得很低的舰船，需要寻找新的可被远程探测的舰艇特征信号。舰船轴频电场成为了舰船探测技术重点关注的一种舰船新型显著特征信号。

根据麦克斯维电磁理论，交变电场会耦合交变磁场，衰减速率更慢，传播距离更远。因此，在舰船水下电场中，轴频电场更容易被对方电场监测系统、电场引信水雷等探测到，其信号特征更易识别，更容易被用来对舰船进行探测、跟踪、定位和打击。因此，对舰船轴频电场产生机理及电学特性进行分析，为舰船轴频电场抑制技术的研究奠定了基础，具有十分重要的军事意义。

2 影响轴频电场的主要舰船结构分析

研究发现，舰船轴频电场特性的主要影响因素集中在舰船轴系上，从电学角度看，主要的舰船结构部件包括转轴、支撑轴承、中间轴承、推力轴承、螺旋桨，滑环、电刷和轮机系统。

以某部某拖船为例，其轴系的结构示意图如图1所示，包括右端的密封轴承、左端的舱室轴承、支撑轴承、推力轴承、中间轴承、滑环、电刷、轮机系统、螺旋桨以及桨叶与电极和船体之间的海水。

图1 某船轴系结构示意图

图2 某船转轴上的滑环和电刷

其中海水是舰船轴系结构电学分析的重要组成部分，而轮机对舰船轴系结构电学分析的影响不大，不同种类的轴承电学特性相似，用相同的符号表示。

拖船转轴上配备有一套滑环和电刷，如图2所示，系统中滑环和电刷之间的接触阻抗对舰船轴频电场相关结构的电学特性的影响很大，该接触阻抗也是舰船轴系结构分析的重要组成部分。

3 舰船轴频电场的电学电路分析

3.1 产生舰船轴频电场的主要结构电学电路等效方法研究

为了深入分析舰船轴系的电学特性，研究上述舰船重要轴系结构的等效电路，在舰船轴系结构的等效电路分析过程中，需要注意以下几点:

(1)从电学角度看，桨叶周围的海水对轴频电场的影响很大，需要作为舰船轴系结构电学分析的重要组成部分。

(2)轮机系统虽然结构复杂、功能强大，但对舰船轴系结构电学分析影响不大，可以简单的等效为一个可变阻抗与恒值阻抗的串联电路。

(3)为保证轴系的正常运转和功能实现，舰船配备了不同种类的多个轴承，虽然从机械结构和力学特性来看这些轴承差别很大，但是，从电学角度看，这些轴承的电学特性和等效电路结构都是相同的，都需要等效为一个可变阻抗与恒值阻抗的串联电路。

(4)滑环和电刷系统中，滑环和电刷这两个部件本身会对电流产生阻碍作用，可以等效为两个恒值阻抗。更重要的是，滑环和电刷之间的接触阻抗对舰船轴频电场相关结构的电学特性的影响很大，是舰船轴系等效电路中的一个重要阻抗。而且，该接触阻抗与舰船平时的保养、维护有很大关系，保养不善，接触阻抗会很大，而且阻值不稳定。

该舰船轴系重要结构的电学等效电路如图3所示。

3.2 舰船主要结构的等效电路简化

为了进行有效的电路分析，深入研究舰船轴系的电学特性，需要对图3所示电路进行等效变换，突出与舰船轴频电场有关的电学结构和特性，以便于电路的特性分析，利于研究舰船轴频电场抑制方法。

根据电路原理进行电路等效变换时，需要考虑以下因素:

(1)舰船轴体、壳体、轴承等均由金属材料制成，阻抗率很低，这些部件本身的阻抗值与接触阻抗相比，一般会少两个数量级以上。因此，在等效变换过程中，为了减少等效算法的复杂度，必要的时候，可以忽略部分金属制品本身的阻抗。

(2)引起舰船轴频电场的因素中，影响最大的是轴承的接触阻抗，而舰船桨叶与船体间阻抗的影响要小得多，这是因为舰船螺旋桨桨叶的面积相对于舰船船体来说显得很小，处于其间的海水量的变化也很小。只有当轴承接触阻抗引起的轴频电场被抑制到很小的程度时，桨叶阻抗的影响才会突显。因此，在现阶段主要研究对轴承接触阻抗影响的抑制。

(3)根据戴维南定理，电路网络可以等效为一个阻抗和理想电压源串联，图3电路中仅在右边有一个等效电源，其余部分没有电源，所以舰船各个轴承及轮机系统可以等效为一个可变阻抗与一个恒值阻抗串联。

基于以上考虑，某船轴系结构电路可以等效变换为图4所示的简化示意图。

图3 某船轴系结构的等效电路

4 产生轴频电场的舰船主要结构电学特性分析

分析图4所示某船轴系简化电路，可知电路中有些部分的阻抗值基本不变或变化很小，可以近似为稳定值，有些阻抗变化很大，使得电路电流发生很大的波动，随着时间有明显的变化。因此，为描述和分析方便，可在某船轴系简化电路中，除了等效电源，将其余部分划分为稳恒和变化两大部分，如图4中所示。该电路具有如下特性:

图4 某船轴系等效电路的简化示意图

(1)变化部分是对舰船轴频电场造成影响的主要因素，是轴频电场抑制技术研究的重点。

(2)轴系变化阻抗随着舰船转轴的周期性变化，引起电路各处电流发生波动，其中海水电流的周期性变化，辐射出轴频电场。

(3)随着轴系变化阻抗的周期性变化，AB两点间的电压UAB发生周期性波动。

(4)舰船电刷接触阻抗的存在使得电刷两端存在波动电压，该电压与海水中的电流变化密切相关。

5 结束语

本文分析了舰船电场电能来源，研究了舰船轴频电场的影响因素;在分析舰船主要结构的基础上，建立了影响轴频电场的舰船主要结构电学等效电路模型，变换、简化该等效电路并进行分析，得出了其电学特性。研究结果表明，轴系变化阻抗是舰船轴频电场的主要影响因素，其电学特性是舰船轴频电场抑制技术研究的基础。

［1］林春生，龚沈光.舰船物理场［M］.北京:兵器工业出版社，2007.

［2］YE H PEI.Compensation of eddy current magnetic field of moving vessel［C］.UDT Europe，2000，41-45.

［3］李俊.舰船电场隐身技术研究［D］.武汉:海军工程大学，2010.

［4］K DYMARKOWSKI，J UCZCIWEK.Ships detection based on measurement of electric field in disturbance existing region［C］.UDT Europe，2000，554-557.

［5］S J DAVIDSON，P G RAWLINS.A multi influence range［C］.UDT Europe 99，169-171.

［6］孙明.舰船感应电场和极低频电场研究［D］.武汉:海军工程大学，2003.

［7］龚沈光，卢新城.舰船电场特性初步分析［J］.海军工程大学学报，2008，20(2):1-4.