船舶静电场抑制效果的影响因素研究
发布时间：2021-05-12
摘要针对不同成因的电场，开发了相应的电场抑制装置.为了研究不同装置之间的相互影响，在分析主动轴接地系统的基础上，提出了舰船主要电结构的等效电路模型，并在此基础上进行了船模实验，讨论了对静电场抑制效果的影响因素.结果表明：航速对静电场及其抑制效果的影响可以忽略;涂层电阻的增加会使静电场减小，但不会影响静电场抑制效果;主动轴接地系统和静电场抑制装置的工作会影响彼此信号，轴频电场抑制装置和静电场抑制装置的工作会影响彼此信号，当对静电场进行抑制时，轴频电场会有所增强，而降低轴-地电阻后，尽管会使静电场增强，但同时也会提高静电场抑制效果，最终能够使静电场比降低轴-地电阻前下降到更低的程度.实验结果验证了等效电路模型的有效性.
关键词舰船静电场;等效电路;涂层电阻;抑制效果;轴频电场
按照水下电场信号的频率进行划分，舰船电场主要可分为静电场和交变电场.在近场，一艘中型舰船在水下产生的静电场强度可达mV/m的量级，不过，随着目标与传感器之间距离的增大，信号在时域和频域上的特征与海洋环境电场的特征也越来越难以区分，因此对静电场应用较多的是作用范围相对较小的各类水中兵器[1-2].为了提高舰艇航行的安全性和隐蔽性，各国海军在提高舰船声、磁隐身性能的同时，也开展了舰船静电场的隐身技术研究.
腐蚀是舰船静电场产生的主要因素，为了减小腐蚀和防腐电流，通常会从结构工艺、电流补偿和优化阴极保护系统等几个方面入手来抑制静电场的信号特征.结构工艺可理解为主要场源材料之间的电隔离工艺及用于降低场源数量或场源强度的结构措施，主要包括合理使用电介质材料和涂层、采取电隔离措施增大场源的回路内阻等方法[3].
在腐蚀和防腐过程中，无论是腐蚀电流还是保护电流，都将从阳极(分别对应船壳和辅助阳极或牺牲阳极)通过海水流向阴极(螺旋桨)，再经过尾轴、轴承、联轴器和齿轮等接地结构返回到船壳形成回路[4].当螺旋桨转动时，回路中的电阻会发生周期变化，从而使主轴和海水中的电流产生相同周期的波动，形成轴频电场.
文献[5-8]显示目前在静电场和轴频电场信号特征控制方面的研究是相对独立的，对于两种方法和装置相互之间的影响尚未见深入的讨论.无论是从腐蚀过程(即舰船水下电场产生的原因)、抑制静电场的方法还是抑制轴频电场信号特征的手段(即主动式轴接地系统)来看，轴电流都能够在很大程度上起到反映这些过程的作用.本研究主要以影响轴电流的因素为切入点，以实验为主要手段，初步探讨轴频电场抑制对静电场抑制的影响.
1舰船主要电结构的等效电路模型
在对主动轴接地(activeshaftgrouding，ASG)系统[4]的研究过程中，认为内调制是引起轴频电场的主要原因.尾轴前后轴承密封装置、轴接地装置(碳刷和滑环)和推力轴承接地装置等，因接地不良而存在漏电流.漏电流流经尾轴后会通过多条路径返回船壳，并随着碳刷和滑环接触电阻的变化出现波动，从而产生轴频电场.该过程可用图1所示等效电路表示，图中：φ0a和φ0k分别为阳极、阴极电位;Ra，Rw，Rk和Rb分别为阳极、海水、阴极和轴-地等效电阻[4].
考虑到作为静电场主要场源之一的“船身-螺旋桨”电化学系统为存在“螺旋桨→轴→轴衬”、“船壳→尾轴支架→轴承衬套”和“桨毂→轴接地装置→船体”等多回路的具备可靠电连接的多金属复杂系统，当尾轴密封装置采用水密封方式时，该系统实际上可以分为船体外部和内部两个主要部分，外部回路主要由船体、海水和螺旋桨构成，内部回路主要由金属轴衬套、海水、轴承零件和船体构成.在此分析和相关实验的基础上，建立了包含内、外回路的船体主要电结构的等效电路，如图2所示.
图2中：φK，φB，φ0和φM分别为船体、螺旋桨、轴衬套金属和轴承内部零件金属的电极电位;Rk和RB分别为外回路中船体与螺旋桨的电阻;Rp为船壳和螺旋桨之间的海水电阻;r1为轴与船体之间的金属连接电阻;r2为螺旋桨和轴间接合处的电阻;r3为金属轴衬套和轴体间的电阻;r0为内回路的等效电阻，即海水电阻和以内电解偶(轴承零件和轴衬之间的等效电阻)极化为前提的电阻的总和;IK为海水中的电流;Ip为从轴通过r1到船体的电流;I0为内回路轴通过金属衬套、水、轴承零件到船体的电流.
如此，不仅可以消除“壳体-海水-螺旋桨”电化学系统产生的腐蚀相关静电场，而且可以减小轴频电场.当各电结构与船体或各电结构相互之间构成电场源时，也可采取电隔离技术降低腐蚀电场.此外，还应最大幅度地减小海水中的电流，在增大r1的同时减小φ0和φM，增大r2，r3，r0，Rk和RB.增大Rk和RB，相当于增大了外部回路的电阻，可通过增大涂层电阻的方法实现.改变涂层电阻的阻值，在等效电路图2中，只须在干路中添加一个变阻器，调整变阻器的阻值即可，这样能够反映出涂层对主轴电流和水下静电场的影响.
2实验构架
2.1实验装置
为了验证该等效电路模型的正确性与有效性，并对影响静电场抑制效果的因素进行分析，本研究进行了船模实验.由于涂层电阻、轴频电场和静电场抑制装置与主轴的电隔离措施一样，都能够影响主轴电流，而航速也代表了船体金属表面电解液的流动速度，该速度的改变可能导致金属附近电解液中离子浓度发生改变，从而改变腐蚀速率，存在影响水下电场的可能，进而影响电场的抑制效果，因此实验中讨论了几种因素对水下电场及其控制效果的影响.实验水池长、宽和深分别为12，7，1.2m，船模使用实船的材料，按照1:20的比例缩比建造，采用电机拖拽的方式模拟其航行.
电场测量传感器采用低噪声全固态Ag/AgCl电极，距离水面的深度分别按照0.5B，1.0B，1.5B和2.0B(B为船宽)4个深度进行布放，每个深度分别测量正横距为0B，0.5B，1.0B和1.5B测线上的信号[9]，测量过程见图4，图中测量电极阵列仅画出了某一深度的示意图.为了提高测量信号的信噪比，人工模拟海水电导率为2.61S/m.利用电机拖动装置调整船模的运动速度，根据速度关系，可计算得到当船模相对静止时，水下各测线上的电位信息.实验中设计10，17，26cm/s三种航行速度.
2.2实验方法
a.将牺牲阳极安装在船体表面，牺牲阳极通过导线实现与船体的连接，其布设方式根据实际经验和仿真优化计算得到;
b.利用电化学工作站模拟外加电流阴极保护系统，其保护电位可调整，保护模式分为恒电流和恒压两种;
c.在船身相应的位置安装补偿阳极，其布设方式根据实际经验和仿真优化计算得到[10];
d.通过调整补偿阳极的输出电流，实现对静电场的抑制，所输出的保护电流大小由仿真优化计算得到[6];
e.调整变阻器的阻值，通过水中信号的变化测量涂层电阻对静电场抑制效果的影响;
f.开启和关闭补偿阳极的输出电流，测量其对轴频电场抑制效果的影响.
g.开启和关闭ASG系统，测量其对静电场抑制效果的影响
.前3个步骤在设定好以后就不再调整，本研究所关心的实验主要集中在步骤d~g.
3涂层对静电场抑制效果的影响
3.1涂层电阻为0Ω
为区别对静电场和轴频电场的抑制措施，对静电场的抑制措施采用补偿的说法.在自然腐蚀状态(即将滑动变阻器的阻值调整为0Ω)测量不同航速下的水下电位，得到的1.0B水深、不同正横距、对静电场进行补偿前后的测量结果见表1，其中抑制效果以补偿前后测线上的电位峰-峰值之比计算.当航速为10cm/s时，补偿前后的测量值如图5所示，图中：U为水深1.0B、正横距为1.0B处电极测量到的水下电位;t为船模的航行时间.
由测量结果可知：在1.0B水深处，以补偿前后峰-峰值之比作为评价依据，补偿效果约为60%(57.6%~64.4%)，且不同航速的补偿效果基本相同，即航速对水下静电场抑制效果的影响不大.
3.2涂层电阻为10Ω
测量不同航速下的水下电位，得到的1.0B水深、不同正横距、补偿前后的测量结果如表2所示.航速为10cm/s，水深为1.0B、正横距为1.0B处补偿前后的静电场测量值如图6所示.由表2和表1可知：随着涂层电阻的增加，静电场会有一定程度的降低，但抑制效果基本保持不变.
3.3涂层电阻为50Ω
将滑动变阻器的阻值调整为50Ω，对比阻值为10Ω的情况，结果如表3所示.航速为10cm/s，水深1.0B、正横距1.0B处补偿前后的测量值如图7所示.
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由以上结果可知：随着涂层电阻的进一步增加，静电场明显下降，但此时的抑制效果相对于10Ω时有一定程度地降低.分析其原因，对比图5~7可见：当涂层电阻增加后，静电场幅值已有明显降低，而噪声依然保持不变，此时的信噪比相对于涂层电阻较小时会明显下降.由于静电场的抑制是一个反馈过程，补偿阳极输出电流的大小须依靠场的测量值来进行计算，因此测量值信噪比的降低就导致了静电场抑制效果的下降.
4静电场与轴频电场抑制的相互影响
4.1自然腐蚀时的静电场与轴频电场
以上实验结果验证了图2所示的等效电路在评估静电场的影响因素方面存在一定程度的有效性.由等效电路可知：尽管涂层的等效电阻和轴-地电阻存在于不同支路，但是两者都会影响海水中的电流.根据ASG系统的工作原理[4]，其工作与否也将会对静电场产生影响.
在自然腐蚀状态下，航速为10cm/s、水深为1.0B、正横距为1.0B的静电场和轴频电场通过时域信号如图8所示，图中E为电场测量值.
4.2静电场抑制前后的轴频电场
对静电场进行抑制后的轴频电场信号图9所示.静电场抑制前后，轴频电场峰-峰值如表4所示.对比图9和图8(b)，且由表4可知轴频电场峰峰值在对静电场进行抑制时会有所增加，分析其原因发现是由于采取静电场补偿措施后，轴电流增加导致的.
4.3轴频电场抑制前后的静电场
轴频电场抑制措施的基本原理是降低轴-地等效电阻，在降低轴-地电阻后，自然腐蚀状态下，航速为10cm/s、1.0B水深、1.0B正横的静电场通过时域信号如图10所示.降低轴-地电阻前后不同深度、不同正横的静电场信号峰-峰值如表5所示，静电场隐身效果如表6所示.
对比图10和图8(a)可知：降低轴-地电阻后，静电场的幅值出现了略微升高.分析其原因发现是由于轴-地电阻的降低导致电流的增大，从而使图2等效电阻干路中的电流增大而导致的.
表7体现了降低轴-地电阻后静电场抑制效果.由表7可知：对不同深度、不同正横的抑制效果基本都在80%以上，说明了对静电场进行抑制的措施在降低轴-地电阻后仍能达到很好的效果.
对比表6和表4可知：轴频电场在采取降低轴地等效电阻后明显降低，与ASG的工作原理一致.对比表5和表4可知：降低轴-地等效电阻后，静电场幅值增加.对比表7和表1~3中的抑制效果可知降低轴-地等效电阻可提高静电场抑制效果.
5结论
在舰船主要电结构等效电路模型的基础上，从多个不同的角度初步分析了对舰船水下静电场抑制效果的影响因素，得出以下结论.
a.航速对静电场及其隐身效果几乎没有影响.
b.随着涂层电阻的增加，静电场会减小，但抑制效果基本保持不变.
c.随着静电场幅值的减小，传感器获取的静电场数据的信噪比逐渐降低，导致抑制效果下降.
d.当对静电场进行抑制时，轴频电场会有所增加.
e.降低轴-地等效电阻，原有静电场会有所增加，但能够提高静电场抑制效果，使抑制后的静电场降低到一个新的程度.
以上实验结果也在一定程度上验证了所提出的舰船主要电结构等效电路模型的正确性.不过，由于舰船是多种金属材料组成的复杂结构，尽管电场仅为其水下多种物理场信号中的一种，但细分之后，不同的成因又会产生具有不同信号特征的电场，比如腐蚀相关电场、感应电场、电磁辐射产生的电场等，对每种电场信号都须开发相对应的抑制装置以保证航行的隐蔽性和安全行.如何理清不同装置之间的关系及它们之间相互影响的规律，仍然是一个值得探讨的问题.——论文作者：谭浩a张伽伟b
