潛艇磁場仿真計算技術應用研究

雷 毅，王 林

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潛艇磁場仿真計算技術應用研究

雷 毅，王 林

（海軍駐701所軍事代表室，武漢 430063）

為評估潛艇防御水雷及高空磁探的能力，必須掌握潛艇水下各深度平面和高空磁場的分布規律。采用測量的方法來獲得全部的數據相對困難，通過測量潛艇某一特定條件下的數據，再借助磁場仿真建模計算，從而能準確地分析并掌握潛艇磁場空間分布特性。

潛艇 磁場 仿真

0 引言

地球是一個巨大的磁體，在其周圍空間充滿了地球磁場。鐵磁材料制造的潛艇在地球磁場的作用下，會形成艦船磁場。與水面艦船不同，潛艇磁場是海上探測設備和水中兵器（水雷、魚雷等）所利用的主要物理場，是影響其隱蔽性的主要因素[1]。目前發達國家普遍裝備了磁探儀等探測設備，具體情況見表1。

表1國外磁探測儀裝備

為躲避被探測或被水雷攻擊威脅，需通過磁性處理手段降低艦船磁場信號。因此要提升潛艇的磁防護性能，有必要對潛艇防御水雷及高空磁探的能力進行評估，即通過獲取潛艇在不同深度平面和高空的磁場分布特性數據，并對其空間分布特性進行研究[1-2]。

目前，隨著計算機軟件技術的發展，采取ANSYS、FLUX等電磁仿真軟件逐漸成為分析研究艦船磁場分布特性的重要手段，但是從技術條件而言，對于大型鐵磁設備、船體結構材料磁特性研究方面，目前還缺乏較完善的數據儲備，從而限制了仿真建模的參考性；其次由于數學模型與實際艦船的結構、設備布置等方面不可能完全保持一致，因此其研究結果存在一定的誤差，得出來的結果只是一個相對近似的結論，可能會對艦船磁場分布特性結果的精準性產生一定影響[3]。因此通過測量潛艇某一特定條件下的磁場分布特性，再利用數學方法通過磁場推算，從而能較準確地分析并掌握潛艇磁場空間分布特性，為水下預警防御、水中兵器引信設計、目標識別和潛艇戰術應用等提供支撐[2]。

1 磁場深度推算

1.1 概述

艦艇磁場深度推算，是指采用磁場數學模型，將艦艇下方某深度面上的磁場值換算到另一深度面上去。目前，在大多數艦艇磁場檢測站或消磁站，通常采用布置于海底的磁傳感器陣列來測量艦艇的磁場。通過一次測量，一般只能測得艦艇下方某個深度平面磁場數據。為評估艦艇抵御水中兵器的能力，需掌握艦艇下方多個不同深度平面磁場分布。因而，通常需以某測量深度平面磁場數據為基礎，依據磁場數值推算模型推算出多個不同深度平面磁場分布規律。

1.2 等效面磁荷法計算

采用基于等效面磁荷來實現艦艇磁場深度的推算，可從理論上指導等效源的設置，從而在一定程度上可克服傳統模擬法中模擬體位置難以確定的困難。

由邊界元理論可知，閉合面S內(由ABCD構成的區域)任意一點P的標量磁位可表示為[3]（見圖1）：

圖1 等效面磁荷法計算原理示意圖

不妨將面AD、DC、CB延伸到無窮遠處，由于磁場隨距離衰減在無窮遠處為零，故上式中積分只需在面AB上進行，考慮到面AB上滿足n=-z，則有

基于傳統永春老醋的釀造工藝，黃祖新等[30]將液態深層發酵技術應用于永春老醋的生產釀造中，并確定永春老醋液態深層發酵的最佳工藝條件[31]。工藝流程如下：

進而相加并對場點坐標求負梯度即可得P點磁感應強度為

2 高空磁場推算

2.1 概述

對于潛艇而言，除對抗水中磁性兵器外，還需防御高空磁探。因此，為評估潛艇防御高空磁探的能力，必須掌握潛艇高空磁場的分布規律。實際中采用測量的方法來獲得潛艇高空磁場分布規律相對困難，可行的方法是借助高空磁場推算技術，即通過近場測量來獲得遠場數據，從而獲得潛艇高空磁場分布規律。

2.2磁荷模擬法計算

磁荷模擬，就是在所求解的場域之外，設置若干個磁荷或磁性物體，通過合理的設置它們的形狀和位置，由已知點上的磁場值推算出它們的磁矩大小后，再用解析公式來求得未知點上的磁場值。該方法的缺陷在于模擬磁荷形狀和位置設置的好壞會直接影響到潛艇磁場換算的精度。以前一般都是靠人的經驗或是通過多次試驗來決定模擬磁荷形狀和位置，為了盡可能的減少人為因素的影響，采取逐步回歸的方法來對磁荷的磁矩進行篩選，使其自動優化到最佳配置，從而盡可能的提高潛艇磁場推算的精度，而且模型的穩定性也可大大提高。

由于潛艇內部鐵磁物質分布以及局部磁性等的差異，用單個磁荷不能有效的擬合潛艇磁場，為了克服這一缺陷，采用一個大橢球和n個小磁偶極子的混合模型[4]。

大橢球參數：中心與潛艇中心重合，形狀與潛艇幾何形狀相似，長半軸/2，短半軸/2，半焦距。為潛艇長度，為潛艇寬度。磁偶極子參數：在潛艇縱向軸線上均勻布置，個數為n個。

求解出各個磁荷的磁矩，其中

當求出磁荷的磁矩后就可以由下式求出任意換算點i（X, Y, Z）的磁場值：

3 結語

在潛艇磁場的研究過程中，通過測量某一條件下的磁場數據，再通過數字仿真模型的建立和磁場仿真計算，即可對潛艇磁場的近遠場特性進行分析，同時作為磁隱身防護設計和評估的依據。本文通過對潛艇磁場的推算原理進行了介紹，并給出了計算方法，此分析方法也可適用于水面艦船的磁場分布特性研究。

參考文獻：

[1] 林春生艦船物理場[M]. 北京: 兵器工業出版社, 2007.

[2] 劉大明艦船消磁理論與方法[M]. 北京: 國防工業出版社, 2011.

[3] NES304. Shafting systems and propulsions, part4, design requirements for repair of main propulsion shafing, issue 2, September, 2002.

[4] EEBK,PRATAP A,AGRAWAL S.A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II. IEEE Trans Erol Comput 2002,6(2): 182-197.

The Application of Submarine Magnetic Field Simulation Technology

Lei Yi, Wang Lin

（Navy Representative Office at No.701 Research Institute,Wuhan 430063,China）

U674.76

A

1003-4862（2016）08-0065-03

2016-04-12

雷毅(1986-)，男，工程師，碩士，研究方向：艦船電氣。