外國海軍艦艇閉環消磁技術應用研究

賈曉輝

摘要：由于閉環消磁系統能實時監測艦艇磁性變化，控制方式最為先進，可以達到最好的消磁效果，因此成為了世界各主要海軍國家紛紛研制或裝備的重點，然而目前只有少數發達 國家掌握并應用了該技術。通過相關資料的檢索分析并掌握這些國家海軍艦艇閉環消磁技術應用情況對我國海軍艦艇攻關閉環消磁關鍵技術具有一定的參考意義。基于此，本文就國外主要國家海軍艦艇在閉環消磁技術的研究與應用方面進行了詳細闡述。

關鍵詞：外國海軍艦艇;閉環消磁技術

前言

鋼鐵制成的艦艇在其周圍會產生磁場，這些磁場成為了水中磁性武器攻擊的信號源及反潛飛機進行空中磁探的探測源[1]。艦艇磁場包括固定磁場和感應磁場，艦艇必須定期到消磁站進行退磁處理以消除其大部分固定磁場，由于感應磁場隨艦艇的航向、緯度和姿態的改變而改變，因此，必須在艦艇上加裝消磁 系統進行實時補償控制[2]。然而傳統的“開環”消磁

系統通過直接測量或數學模型的計算得到作用在艦艇上的地球磁場，然后根據艦艇感應磁場 與地球磁場的關系進行消磁系統電流的控制，因此它僅能實時補償艦艇的感應磁場。對退磁處理后的剩余固定磁場，通過在固定補償繞組中通一恒定的電流來補償，因此不能補償因艦 艇“固定磁性”的改變而產生的異常磁場，而由于海浪的沖擊、武器發射及地球磁場的緩慢作用等，艦艇的固定磁場必然要發生變化，這就導致了艦艇的磁暴露危險。為了彌補這一缺陷，世界各主要海軍國家紛紛研制或裝備閉環消磁 （closed-1oop degaussing，簡稱CLDG）系統[3]。

1閉環消磁的定義

所謂閉環消磁，就是在艦艇內部特征部位布置一定數量的傳感器，利用磁場測量數據，建立艦艇外部空間磁場的數學模型并計算目標深度或高度上的磁場值，然后根據預先保存在計算機存儲器中的消磁繞組效率，優化計算出在目標深度或高度上的磁性達到最小的消磁 繞組中的電流值，并進行實時調整，使得艦艇外部目標深度或高度上的總磁場達到最小。其中如何從船上測得磁場數據并準確推算船外磁場是構建閉環消磁系統的核心技術。

2外國海軍艦艇閉環消磁技術研究與應用

查閱相關文獻發現美國已在低磁鋼艦艇、鋼殼水面艦和核潛艇上都成功應用了閉環消磁系統;英國則在核潛艇上進行了應用，其它艦艇是否應用不詳;澳大利亞即將在潛艇上安裝;法國和意大利在低磁鋼艦艇上進行了成功應用[4]。下面詳細介紹幾個主要國家海軍艦艇消磁技術的發展和應用。

CLDG的研究始于20世紀90年代初，當時美國馬里蘭州的海軍水面作戰中心與法國GESMA合作研制反水雷艦艇閉環消磁系統。其中法國采用其“Cybele”級掃雷艦作為閉環消磁系統的測試平臺，美國則采用其“Avenger”級掃雷艦作為測試平臺。對于法國海軍來說，由于缺乏可用的磁場測量設施，他們選擇使用有限元這種數字建模技術作為研究方法;美國海軍則選擇使用經驗方法，即采用物 理模型和傳感器測量來建立閉環 消磁算法。1994年，美國查爾斯頓海軍船廠在“Avenger ”級十號艦上安裝了第一套閉環消磁系統樣機，通過海上試驗對該系統進行進一步的研究和開發。后來又轉向了鋼殼艦艇閉環消磁系統的研制。1999年計劃初步研制適用于鋼殼戰斗艦的CLDG 系統，包括船上傳感器套件和控制算法;詳細說明并初步采購CLDG組件。2000年計劃完成CLDG傳感器研制和采購;實施全尺度CLDG站試驗。2001美國通過合同方式要求BAE系統公司為其MDG1701系統加裝閉環消磁部分。相關專利文獻中指出2艘美國海軍艦艇上安裝的閉環消磁系統在理論上的誤差可達到10%，利用該專利中的改進算法，理論 上的誤差可減小到最大5%。最近在DDG 1000計劃的先進技術演示中，安裝在“Arlei gh Burke（DDG51）” 級驅逐艦上的閉環消磁系統原型展示了如何在前線戰區檢測和補償艦艇大的固定磁場變化。美國最新的“VIRGINIA”級核潛艇安裝了閉環消磁系統，從而使得其磁隱身性能優于“SEAWOLF”級等其它核潛艇。

法國在“Circe”級反水雷艦（船殼為無磁材料）上安裝了閉環消磁系統，但在鋼殼艦上的 應用尚未見報道。然而，法國一直堅持采用數字建模技術進行閉環消磁系統研究，相關資料顯示早在1991年就有法國專家用有限元方法為艦艇磁場建模并計算艦艇的感應磁場。此后又有學者提出了一種跳躍勢的方法來給艦艇消磁繞組建模，解決了消磁電纜離鐵磁物質太近而導致的計算精度低的問題。2001年的文獻資料顯示法國在閉環消磁系統數字建模技術上取得了重大突破，學者提出了將艦艇的薄殼體進行簡化，并將感應磁場的計算矩陣和船內測量值矩陣合并在一起，然后采用積分方程法求解，從而使得船外磁場的測量值與預測值吻合得很好。2005年，相關學者研究了船內傳感器位置優化方法及艦艇磁場反演算法的魯棒性，使閉環消磁技術向實用又邁進了一步，文獻研究了雙層殼體潛艇上閉環消磁系統的應用問題。將磁場傳感器敷設在兩殼體之間，求解了從測量值得到殼體磁化狀態的逆問題，并計算 了潛艇的磁信號。文中還開發了一種特別的算法并通過測量進行了驗證，驗證實驗采用了一個約3.5m長的潛艇模型，模型內敷設了80個磁通門傳感器。對給定的磁狀態，通過逆問題求解得到了兩層殼的磁化。預測的信號與測量的信號作了比較，兩者吻合得非常好。從這些文獻和報道可以看出，法國利用數字建模技術開展閉環消磁系統的研究已取得了突破性進展，相信已經進入了實用階段。

英國Bartington儀表有限公司提供磁場測量儀器，其中Grad- 03-12型號的梯度計專門設計用于閉環消磁系統。英國Ultra Electronics公司在其網站上聲稱能制造海軍艦艇上用于閉環消磁系統的磁場梯度計。英國專利文獻中給出了一種用于閉環消磁系統的磁場計算技術，并以潛艇為例進行了詳細的公式推導。英國國防部的國防標準中專門談到了閉環消磁控制系統，該標準提到英國的“Vanguard”級彈道導彈核潛艇上已安裝了閉環消磁系統。標準中指出，閉環消磁控制系統適合于補償在永久磁性方面的持續和大的改變，例如潛艇下潛。完整的閉環控制系統控制永久和感應消磁電流，裁減版的則只控制永久消磁電流的變化。后者中，感應消磁電流仍舊由開環消磁系統控制。裁減版的控制任務較為簡單，因為永久磁場的變化相當緩慢。閉環控制系統的計算量非常大，一個周期的計算時間為幾分鐘，這遠遠慢于潛艇運動速率。因此，潛艇運動速率要求感應消磁電流由開環控制系統控制，閉環系統只考慮固定磁場的變化，也就是說使用裁減版的閉環消磁控制系統。隨著計算能力的提升，完整的閉環控制系統將成為可能。

3.結語

我國海軍艦艇閉環消磁的技術的應用研究雖然也取得了不小的進展，但是與世界海軍強國還存在不小的差距，通過研究外國海軍艦艇閉環消磁技術的應用取得的經驗可以為我國攻克閉環消磁關鍵技術，從而全面提高我國艦艇的磁隱身性能提供一定的借鑒 。

參考文獻：

[1] 趙文春，劉勝道.用于低磁鋼艦艇閉環消磁的船外磁場推算研究[J].船電技術.2011，11（1）：6-8.

[2] 魏相文.艦艇消磁是怎么回事[J].兵工科技.2004，13（6）：71-71.

[3] 鄭建華，金祖平. 艦船消磁系統研究軟件[J].國外艦船工程.2011，14（3）：19-22.

[4] 肖昌漢，何華輝，王長榮.一種新的閉環消磁方法[J].海軍工程大學學報.2207，13（2）：39-42.