船舶磁防護與電場防護耦合性分析

耿 攀,王向軍,王建勛,左 超

(1.海軍工程大學;2.武漢第二船舶設計研究所,湖北 武漢 430205)

0 引言

由于磁性材料的使用、腐蝕及防腐作用等因素,船舶會在其周圍海水和空氣中激發磁場和電場。隨著非聲探測技術手段的發展,磁場和電場信號日益成為威脅船舶安全的重要信號源。船舶的磁場和電場特征可能帶來3方面威脅:空中電磁探測、水下電磁探測、水中電磁場引信武器。如不采取相關措施對船舶的磁場和電場特征進行有效抑制,我國船舶將面臨極大的被探測和攻擊風險。

基于船舶磁場和電場防護需求,亟需針對船舶的磁場和電場分布特性開展深入的研究。考慮到磁場和電場存在強烈的耦合性,常常同時產生,因此需對磁場防護和電場防護的耦合性進行研究,為磁場和電場防護論證提供參考,為電磁場綜合防護裝備研制提供技術基礎保障。

1 船舶磁場與電場產生來源

船舶處于海洋環境中,無論是處于靜止狀態還是運動的狀態,其周圍海水中都存在有磁場和電場。

研究表明,船舶電磁場按產生機理的不同可大體分為磁性源和電性源兩種。磁性源主要與磁性材料相關,包括固定磁場、感應磁場和磁性船體運動產生的感應電場3種。電性源主要與腐蝕防腐、通電設備泄漏電流相關、通電設備向船外電磁輻射、切割地球磁場運動以及其他相關,共8種:腐蝕電磁場、防腐電磁場、泄漏電流電磁場、雜散電磁場、金屬船體運動感應電磁場、旋轉轉子感應電磁場、尾流電磁場、以及摩擦電磁場[1]。

按頻段劃分,船舶電磁場大體可分為靜磁場、靜電場和低頻交變電磁場,其中低頻交變電磁場還可細分為軸頻及其倍頻電磁場和工頻及其倍頻電磁場。靜磁場來源于固定磁場、感應磁場、金屬船體運動感應磁場(準靜磁)、尾流磁場(準靜磁)、摩擦磁場(準靜磁),以及腐蝕電流、防腐電流、泄漏電流和雜散電磁場中的直流成分。靜電場來源于金屬船體運動感應電場(準靜電)、磁性船體運動感應電場(準靜電)、尾流電場(準靜電)、摩擦電場(準靜電),以及腐蝕電流、防腐電流、泄漏電流中的直流成分。軸頻電磁場來源于旋轉轉子感應電磁場,以及腐蝕電流和防腐電流中的軸頻及其倍頻成分[2-7];工頻及其倍頻電磁場來源于防腐電流、泄漏電流和雜散電磁場中的工頻及其倍頻成分。

2 船舶磁場與電場耦合來源

根據麥克斯韋方程可知,電流和變化的電場產生變化的磁場(對應麥克斯韋-安培定律),變化的磁場產生變化的電場(對應法拉第電磁感應定律)。由于海水是導體,海水中的電場將以傳導電流的形式存在,只要有電流存在的地方就必定存在著磁場[8],因此電性源必將在海水中同時產生電場和耦合磁場,而磁性源中只有磁性船體運動引發感應電場。具體到船舶,其電磁耦合來源可總結為以下幾個方面:

1)船舶磁性船體(與固定和感應磁性有關)運動引起周圍空間磁場變化產生的感應電場和耦合感應磁場,為準靜電場和準靜磁場;

2)船舶周圍形成的腐蝕電流會產生靜電場及其耦合靜磁場、軸頻及其倍頻電磁場;

3)船舶周圍形成的防腐電流會產生靜電場及其耦合靜磁場、軸頻及其倍頻電磁場、工頻及其倍頻電磁場;

4)船舶內通電設備泄漏電流在海水中產生的漏電場和漏磁場,為靜電場及其耦合靜磁場、工頻及其倍頻電磁場;

5)船舶內通電設備會向船外輻射產生靜磁場、工頻及其倍頻電磁場;

6)船舶金屬船體運動切割地磁場將在船體和海水中產生感應電流,從而產生感應電場和耦合感應磁場,為準靜電場和準靜磁場;

7)船舶旋轉轉子切割地磁場會在轉子和海水中產生感應電流,從而產生感應電場和耦合感應磁場,為軸頻倍頻電磁場;

8)船舶尾流切割地磁場引起感應電場和耦合感應磁場,為準靜電場和準靜磁場[9];

9)船舶船體與海水摩擦產生的電場和耦合和磁場,為準靜電場和準靜磁場。

綜上可知,磁場和電場耦合主要來源于電性源。

3 船舶磁場與電場耦合性分析數學模型

船舶磁場與電場耦合性分析數學模型可分別通過靜態磁場等效模型或靜態電場等效模型推導得出。常用的磁場等效模型有旋轉橢球體模型、旋轉橢球體陣列模型、磁偶極子陣列模型以及橢球體和磁偶極子陣列組成的混合模型,主要用來分析靜態磁場。常用的電場等效模型有水平電偶極子模型和時諧偶極子模型等,可用來分析靜電場、耦合靜磁場和交變電磁場。對于這些已采用的靜態模型不再一一列舉,這里主要介紹將靜態等效模型轉換為動態等效模型的方法。對于磁場動態等效模型,可以計算磁性船體運動產生的感應電場以及磁場通過特性;對于電場動態等效模型,則可以計算各種電性源產生的耦合動態磁場。

動態耦合模型可基于電磁場相對論得出[10]。以磁場動態等效模型為例,在船舶磁性狀態已知的情況下,考慮其運動狀態下磁通的空間突變所產生的感應電場。可假設2個慣性坐標系K和K′,其中K系為船舶坐標系,其相對K′系以速度V沿x軸方向作勻速運動,在t為0時刻,2個坐標系的原點重合。根據相對論的電磁變換式,可知靜止坐標系K′中任意處的電場和磁場,即感應電場和磁場為

上式表明,只要船舶處于靜止狀態時的周圍磁場分布特征已知,即可由磁場分布計算運動時產生的感應電場。同理,也可由靜態電偶極子耦合磁場分析模型推出耦合動態磁場。

4 船舶磁場防護與電場防護耦合性分析

結合仿真分析,我們對長約100 m排水量達5 000 t、航速20 kn的船舶各種電磁場源進行了總結,得出在距船舶10～20 m左右處的主要磁場與電場耦合頻率和量級大小如表1所示,同時列出其主要防護手段。

表1 船舶各類電磁場強度及頻率特征對比Table 1 Features comparison of intensity and frequency of all kinds of electromagnetic fields

由表1可知磁場防護及其電場防護耦合性具有以下特點:

1)在總電場中,靜電場能量所占比重最大,工頻電場能量與軸頻電場相當且比重較小。由于海洋電場環境中背景電場以靜電場為主,且量級與船舶靜電場相當,不具有頻率特征的靜電場在遠場將很難提取,靜電場主要體現在近場威脅;在交變電場中,軸頻及其倍頻電場較工頻及其倍頻頻率電場衰減慢且幅值大,因此軸頻電場最具遠場威脅。

2)在總磁場中,靜磁場能量所占比重遠大于交變磁場。靜磁場由于與地球背景磁場量級相當,近場威脅明顯,同時因為地球背景磁場較為穩定,靜磁場也有一定的遠場威脅;交變磁場中,軸頻磁場特征同樣具有很大遠場威脅。

3)在靜電場源中,防腐電磁場源對靜電場的貢獻比例最大,其次是腐蝕電磁場源,其他電磁場源如尾流電磁場源、泄漏電流電磁場、雜散電磁場源等普遍貢獻較小,在近場的影響基本可以忽略;在遠場需特別注意尾流電磁場源產生的準靜電場,因尾流覆蓋范圍廣,其在遠處產生的電場與近場差別較小,可能成為最明顯的船舶電場特征。

4)在靜磁場源中,磁性材料固定磁場和感應磁場源對靜磁場的貢獻比例最大,其次是防腐電磁場源、腐蝕電磁場源等電性源,其他電性源的貢獻較小,在近場的影響基本可以忽略;在遠場需特別注意腐蝕和防腐電磁場源產生的靜磁場,由于其衰減較慢,在遠場磁性水平降到一定程度或采用了消磁技術后,該部分靜磁場可能成為影響靜磁場特征的最主要因素。在防護設計時,腐蝕和防腐電磁場源磁場特征控制需要結合電場特征控制同時考慮。

5)在交變電磁場源中,防腐電磁場源對交變電磁場的貢獻比例最大,其次是腐蝕電磁場源、泄漏電流電磁場源、雜散電磁場源、旋轉轉子運動感應電磁場。由于交變頻率下磁場和電場同時產生,因此需要在進行防護設計時要同時考慮磁場和電場防護。

5 結束語

從威脅角度考慮,在近場,需同時考慮靜磁場、靜電場、軸頻電磁場和工頻電磁場;在遠場,需考慮靜磁場和軸頻電磁場,并特別注意尾流電磁場源產生的準靜電場。

從電磁綜合防護措施考慮,應對固定消磁和消磁系統應用后磁性船體運動耦合產生的感應電磁場水平進行評估;在對腐蝕和防腐電磁場進行控制時同時考慮磁場和電場特征降低程度;在進行其他次要場源如泄漏電流電磁場、雜散電磁場控制、金屬船體運動感應電磁場控制、旋轉轉子運動感應電磁場的控制時也需同時考慮磁場和電場特征降低程度;在進行尾流電磁場控制時還需考慮同時考慮尾跡防護。