一種水下磁場(chǎng)測(cè)量基陣的設(shè)計(jì)

張學(xué)斌

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所; 2.國(guó)防科技工業(yè)弱磁一級(jí)計(jì)量站, 湖北 宜昌 443003)

0 引言

磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)是用于水下外場(chǎng)綜合磁場(chǎng)測(cè)試的系統(tǒng)，可測(cè)量自航水雷、UUV等具有磁防護(hù)要求裝備的三分量磁場(chǎng)特性，以判定裝備磁防護(hù)能力。同時(shí)也可作為磁探測(cè)設(shè)備布放于重要水域，美國(guó)、日本、俄羅斯、英國(guó)等在港口、海峽和重要航道等建立起便攜式磁性檢測(cè)站，探測(cè)水下航行的潛航器，尤其是安靜型常規(guī)潛航器、深潛器等[1-3]。磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)也可用于水下磁探測(cè)定位、高精度地磁輔助導(dǎo)航等[4-6]。

本文介紹的磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)包含多個(gè)測(cè)量單元組成陣列，每個(gè)測(cè)量單元包含三分量磁場(chǎng)測(cè)量傳感器、姿態(tài)傳感器、深度傳感器、同步測(cè)距模塊及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集記錄和實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集模塊等。系統(tǒng)內(nèi)還包含有水聲定位系統(tǒng)、無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)通訊系統(tǒng)、回收系統(tǒng)等組成部分[7]。磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)功能龐大，組成復(fù)雜，根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種用于測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確可靠布放的基陣，并實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的有效測(cè)量。

1 測(cè)量單元間隔設(shè)計(jì)

測(cè)量單元是集多種測(cè)量傳感器于一體的基本測(cè)量結(jié)構(gòu)，多個(gè)測(cè)量單元以線陣列的方式固定在無(wú)磁安裝支架上，均布于水底，多段安裝支架連接組成測(cè)量基陣。被測(cè)目標(biāo)從測(cè)量基陣上方通過(guò)，測(cè)量單元采集被測(cè)目標(biāo)的剩磁特性，測(cè)試示意圖如圖1所示。

初步設(shè)計(jì)將15個(gè)測(cè)量單元(依次編號(hào)1～15)安裝在測(cè)量基陣上，測(cè)量單元之間間隔的選擇非常重要。若測(cè)量間隔設(shè)置較小，則整個(gè)測(cè)量基陣的長(zhǎng)度較短，當(dāng)被測(cè)目標(biāo)的航行精度不高時(shí)，難以保證其一次航行從測(cè)量基陣正上方通過(guò)，影響剩磁測(cè)量的準(zhǔn)確性。若測(cè)量基陣間隔較大，雖能最大限度地保證被測(cè)目標(biāo)從測(cè)量基陣正上方一次成功通過(guò)，但間隔較大，則測(cè)量基陣整體長(zhǎng)度增大，這將給整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的布放和回收過(guò)程帶來(lái)許多困難，同時(shí)可能導(dǎo)致被測(cè)目標(biāo)剩磁值測(cè)量不準(zhǔn)確，漏掉被測(cè)目標(biāo)剩磁的最大值點(diǎn)。因此需要對(duì)測(cè)量單元之間的間隔的選取進(jìn)行分析計(jì)算，給出一個(gè)合理的間距。

將被測(cè)目標(biāo)作為一個(gè)單磁偶極子模型[8-9]，依據(jù)常用水下磁防護(hù)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)要求，其最大磁矩應(yīng)小于80 A·m2，假設(shè)目標(biāo)三軸方向磁矩大小分別為70 A·m2，20 A·m2，10 A·m2。假設(shè)測(cè)量單元之間間隔設(shè)置為0.5 m，被測(cè)目標(biāo)在測(cè)量基陣正中8號(hào)測(cè)量單元正上方10 m處通過(guò)測(cè)量基陣，通過(guò)計(jì)算可得到1～8號(hào)測(cè)量單元中三分量磁傳感器Z軸測(cè)得的目標(biāo)磁場(chǎng)值如圖2所示(圖b為圖a峰值放大部分)。測(cè)量單元目標(biāo)總場(chǎng)數(shù)據(jù)如圖3所示。由于安裝位置的對(duì)稱性，1～8號(hào)和8～15號(hào)測(cè)量單元磁傳感器Z軸磁場(chǎng)值和磁場(chǎng)總場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)相同。

依據(jù)同樣的計(jì)算原理，假設(shè)測(cè)量單元間距分別為0.75 m和1.0 m，計(jì)算出1～8號(hào)測(cè)量單元磁傳感器Z軸磁場(chǎng)值和磁場(chǎng)總場(chǎng)數(shù)據(jù)，并得到1號(hào)測(cè)量單元與8號(hào)測(cè)量單元的峰值之差，如表1所示。

表1 不同測(cè)量單元間隔探測(cè)結(jié)果對(duì)比

由表1分析可得，當(dāng)被測(cè)目標(biāo)從測(cè)量基陣中央正上方垂直通過(guò)，目標(biāo)磁場(chǎng)值差別隨測(cè)量單元之間的間隔變大而增加，磁場(chǎng)差值增加的幅度隨測(cè)量單元間隔的增大而變小。不同間距下系統(tǒng)的測(cè)量精度均能滿足指標(biāo)要求，被測(cè)目標(biāo)的航行精度約為10 m，綜合考慮測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度、被測(cè)目標(biāo)的航行精度以及整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)布放和回收的便利性，將測(cè)量單元之間的間隔設(shè)置為0.75 m。

2 測(cè)量基陣設(shè)計(jì)

測(cè)量單元的數(shù)量設(shè)置為16個(gè)，基陣由4段安裝支架組裝而成，每段支架上布置有4個(gè)間距0.75 m的測(cè)量單元，滿足測(cè)量系統(tǒng)航行精度的要求。四段安裝支架結(jié)構(gòu)相同，接口一致，可互換使用，滿足系統(tǒng)更高的使用靈活性。

安裝支架采用無(wú)磁角鋁結(jié)構(gòu)件和鋁管，結(jié)構(gòu)上均勻分布整個(gè)基陣，因此整個(gè)基陣受到均布載荷。單段安裝支架設(shè)置吊裝位置，單段安裝支架與基陣共用吊點(diǎn)，吊點(diǎn)位置設(shè)置在整個(gè)基陣長(zhǎng)度的0.2處所受橫向彎矩較小，受力最為合理，單段支架的位置也分布在總長(zhǎng)的0.2處。如圖4所示為基陣的起吊點(diǎn)位置設(shè)計(jì)。

測(cè)量基陣采用兩耳吊裝時(shí)，兩耳的最中間位置受到均布載荷的作用，將產(chǎn)生一定的撓度。將該段安裝架獨(dú)立考慮，根據(jù)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)分布載荷下的撓度計(jì)算公式，在安裝架軸線中點(diǎn)處，撓度最大，最大撓度為

(1)

式中：q為分布載荷，N/m；l1為吊點(diǎn)間距，m；E為材料彈性模量，GPa；I為無(wú)磁支架橫截面在吊耳安裝處的慣性矩，cm4。

測(cè)量基陣總重量約為630 kg，根據(jù)所選材料的參數(shù)結(jié)構(gòu)尺寸，得到I=662.21 cm4、E=70 GPa、q=525 N/m和l1=7.2 m。可求出雙耳吊裝時(shí)，安裝架最大撓度為ωmax=0.040 m，起吊中的變形量滿足安全使用要求。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，密封鋁管產(chǎn)生的剛度忽略不計(jì)。同時(shí)，由于吊耳位置位于無(wú)磁支架總長(zhǎng)度的0.2l處，一定程度上減少無(wú)磁支架中點(diǎn)處的變形量。

在測(cè)量基陣安裝架雙耳起吊的過(guò)程中，彎曲正應(yīng)力是控制安裝架強(qiáng)度的主要因素。所以彎曲正應(yīng)力的強(qiáng)度條件是安裝架抗彎設(shè)計(jì)和校核的主要依據(jù)。安裝架抗彎強(qiáng)度條件公式為

(2)

式中：Mmax為安裝架的最大彎矩，N·m；W為安裝架的抗彎截面系數(shù)，m3；[σ]為安裝架的許用應(yīng)力，MPa。

測(cè)量系統(tǒng)安裝架總質(zhì)量為m=630 kg，安裝架總長(zhǎng)度l=12 m，安裝架的分布載荷q=mg/l=525 N/m，根據(jù)公式可求得安裝架的最大彎矩為Mmax=1 890 N·m。安裝架底部框架材料選用的是80 mm×80 mm×8 mm，角鋁橫截面重心處的抗彎截面系數(shù)為：W0=12.83 cm3。由于安裝架底部框架由2根角鋁組成，整個(gè)框架的抗彎截面系數(shù)為Wmin=2W0=25.66 cm3，此時(shí)根據(jù)公式(1)可求出最大的彎曲正應(yīng)力為σmax=73.7 MPa。取安全系數(shù)S=1.5，安裝架材料為防銹鋁合金，其屈服強(qiáng)度σS=σP0.2=120 MPa，可根據(jù)許用應(yīng)力公式[σ]=σS/S，求出安裝架的許用應(yīng)力[σ]=80 MPa。σmax≤[σ]滿足彎曲強(qiáng)度要求。

3 安裝支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)磁安裝支架主體結(jié)構(gòu)采用角鋁材料和鋁管設(shè)計(jì)，角鋁和鋁管均為通用型材，角鋁主要是支撐和安裝的功能，鋁管的作用主要是保護(hù)測(cè)量單元和調(diào)整浮心高度。如圖5所示為無(wú)磁支架的截面結(jié)構(gòu)，圖6為單段安裝支架結(jié)構(gòu)。

單段無(wú)磁支架的重量約為72 kg，在水中能提供的浮力約為59 kg，單個(gè)測(cè)量單元的重量約為8 kg，可提供的浮力約為6.5 kg，因此單個(gè)安裝架總重量為104 kg，可提供的浮力約為85 kg。為了獲得系統(tǒng)布放時(shí)的穩(wěn)定性參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的質(zhì)量特性進(jìn)行了初步分析和計(jì)算。單段安裝架重心距離底部高度為74 mm，浮心距底部高度約為107 mm。

在整個(gè)布放過(guò)程中，首先通過(guò)將整個(gè)測(cè)量基陣水平吊放到海面，由基陣上的漂浮布放浮體保持其海面姿態(tài)。浮體釋放后，測(cè)量基陣入水，要求基陣在入水過(guò)程中盡量保證姿態(tài)的穩(wěn)定性和設(shè)備的安全，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)量基陣的水平著底姿態(tài)。

4 布放試驗(yàn)驗(yàn)證

測(cè)量單元內(nèi)安裝有磁羅盤傳感器測(cè)量其姿態(tài)信息，通過(guò)首尾兩端的測(cè)量單元姿態(tài)可判斷測(cè)量基陣的姿態(tài)。基陣從漂布于海面到著陸于海底，可通過(guò)觀測(cè)深度和姿態(tài)分析其布放中的動(dòng)作路徑。測(cè)量單元數(shù)據(jù)通過(guò)水密電纜和無(wú)線通信浮標(biāo)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，可實(shí)時(shí)觀測(cè)。如下圖7所示為布放時(shí)1號(hào)和16號(hào)測(cè)量單元隨深度變化時(shí)的姿態(tài)變化曲線。

由曲線可知，測(cè)量基陣從海平面布放到45 m的海底，1號(hào)和16號(hào)測(cè)量單元的方位角、俯仰角、橫滾角在最初和最終位置都基本相同，表明基陣在水面和水底位置都為穩(wěn)定直線狀態(tài)。測(cè)量單元俯仰角和橫滾角在整個(gè)布放過(guò)程中變化較小，且接近于零，表明基陣基本以水平狀態(tài)平穩(wěn)下沉。方位角在布放中由于水流的作用發(fā)生了約27°的偏轉(zhuǎn)，且在水深10～20 m之間偏轉(zhuǎn)速度較快，基陣發(fā)生了大約5°的水平彎曲。通過(guò)基陣最終姿態(tài)信息規(guī)劃被測(cè)目標(biāo)的航跡。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)設(shè)定被測(cè)目標(biāo)的磁場(chǎng)測(cè)試要求，對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量單元的間隔進(jìn)行計(jì)算分析，確定出有利于測(cè)試和布防回收的方案。依據(jù)測(cè)量單元特點(diǎn)設(shè)計(jì)出磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的安裝基陣，通過(guò)布放試驗(yàn)驗(yàn)證，該測(cè)量基陣能實(shí)現(xiàn)較好的布放姿態(tài)，有效滿足目標(biāo)磁場(chǎng)測(cè)試需求，為水底航行目標(biāo)磁場(chǎng)的評(píng)估提供了依據(jù)和方法。