Требования к стенду для размагничивания кораблей. Намагничивание корабля в магнитном поле земли
Магнитометрические приборы
Для измерения характеристик: магнитного поля и магнитных свойств физических объектов применяются магнитометры.
В зависимости от методов измерений магнитометры подразделяются на:
· Магнитостатические;
· Электромагнитные;
· Индукционные;
· Магнитодинамические;
· Ядерные прецессионные.
Магнитное поле воздействует на все физические тела, находящиеся в его зоне. Эти воздействия неодинаковы: одни из тел намагничиваются, другие – нет; у одних намагничивание устойчиво, а у других – устойчивости не наблюдается.
Магнитные свойства материалов различают по их магнитной восприимчивости . В соответствии с их величинами все материалы подразделяют на три группы:
· диамагнитные,
· парамагнитные,
· ферромагнитные.
Диамагнитные материалы незначительно ослабляют намагничивающее поле .
К ним, например, относятся; вода, медь, висмут. Ввиду малости считают, что , т.е. диамагнетики ведут себя по отношению к магнитному полю как вакуум.
Парамагнитные материалы незначительно усиливают намагничивающее поле .
Это такие материалы как: воздух, алюминий, титан.
Ферромагнитные материалы; значительно усиливают намагничивающее поле.
Приведем некоторые из них (максимальные значения):
· мягкое железо ;
· углеродистое железо ;
· чистое отожженное в водороде железо ;
· конструкционная сталь .
Корабль постоянно находится в магнитном попе Земли и его взаимодействие с ним определяет понятие магнитного поля корабля.
На постройку корабля расходуется значительное количество конструкционной стали.
Зависимость магнитного состояния тела от напряженности намагничивающего поля: для ферромагнитных материалов определяется экспериментальным способом и называется кривой намагничивания. Наиболее полную характеристику магнитных свойств ферромагнетиков дает гистерезисная (гистерезис – отставание) кривая (рис. 4). Она строится в координатных осях намагниченности и напряженности намагничивающего поля . Основными участками гистерезисной кривой являются: – первоначальное намагничивание материала; – перемагничивание; – перемагничивание в первоначальном направлении.
Характерные точки диаграммы: точка – пересечение нисходящей ветви петли с координатной осью. В этой точке при сталь обладает остаточной намагниченностью , характеризующей степень магнитной твердости материала.
Точка – пересечение нисходящей ветви с осью показывает величину напряженности намагничивающего поля обратного знака, которую необходимо приложить для размагничивания материала. Величина называется коэрцитивной силой. При движении по восходящей ветви петли будем иметь подобные точки с противоположным знаком.
При намагничивании до ненасыщения гистерезисная петля суживается,
Корабль в магнитном поле Земли подвергается постоянному и индуктивному намагничиванию.
Намагничивание ферромагнитных масс корабля в магнитном поле Земли соответствует начальному участку кривой намагничивания (рис. 5). Намагниченность можно разделить на постоянную и индуктивную составляющие.
В зависимости от места (широты) постройки, курса на стапеле и технологии (механические, электромагнитные и тепловые воздействия) корабль приобретает намагничивание (рис. 6), зависящее, как говорят, от магнитной предыстории.
Если корабль длительное время стоит одним курсом (в доке, при постройке и т.д.), то он намагничивается, и некоторая часть его магнитного момента остается независимо от его дальнейшего положения.
В общем случае вектор намагничивания корабля направлен произвольно относительно прямоугольной системы координат, связанной с кораблем.
Обычно используется левая система координатных осей: ось направлена вертикально к центру Земли, ось – горизонтально вдоль корабля в нос, ось – горизонтально в сторону правого борта.
Корабль является сложным геометрическим телом и намагничивается по-разному в разных плоскостях. Поэтому для анализа магнитного поля корабля вектор его намагниченности обычно представляют в виде суммы трех составляющих вдоль указанных координатных осей:
Считают, что каждая из этих составляющих создает в окружающем пространстве свое магнитное поле, т.е. магнитное поле корабля представляют в виде суммы трех полей: поле продольного намагничивания, поле поперечного намагничивания и поле вертикального намагничивания.
Таким образом, вектор напряженности МПК представляется суммой напряженности каждого из этих полей:
где – результирующий вектор напряженности поля вертикального намагничивания; – результирующий вектор напряженности поля продольного намагничивания; – результирующий вектор напряженности поля поперечного намагничивания.
Для тактических нужд анализа МПК вектор напряженности каждого из полей намагничивания корабля представляют тремя составляющими в системе координат, связанной с кораблем:
Для поля вертикального намагничивания эти составляющие, например, называются: – продольная составляющая поля вертикального намагничивания корабля; – поперечная составляющая поля вертикального намагничивания; – вертикальная составляющая поля вертикального намагничивания.
На рис. 7 представлены кривые составляющих поля вертикального намагничивания корабля, полученные в результате измерений на глубине под кораблем при перемещении датчика (наблюдателя) вдоль диаметральной плоскости (рис. 7,а) и вдоль плоскости мидель-шпангоута (рис.7,6).
С учетом постоянных и индуктивных составляющих напряженности МПК получаем для поля вертикального намагничивания 6 составляющих:
где , – знаки индуктивного и постоянного намагничивания соответственно; – знак поля вертикального намагничивания. Совместив мысленно на рис. 7 точки , получим объёмное распределение поля.
Появление неконтактного минного и торпедного оружия, а затем магнитных обнаружителей (магнитометров) подводных лодок в подводном положении, реагирующих на магнитное поле корабля, привело к разработке и созданию методов и средств как активной, так и пассивной защиты кораблей.
К методам активной защиты относят:
Уничтожение мин с помощью тралов;
Создание проходов в минных полях с помощью подрывов глубинных и авиационных бомб;
Поиск с помощью специальных электромагнитных и телевизионных искателей с последующим уничтожением.
Основным методом пассивной защиты является размагничивание кораблей. Суть его заключается в уменьшении магнитного поля на определенной глубине, называемой глубиной защиты. Глубиной защиты называют такую наименьшую глубину под килем, на которой после размагничивания корабля напряженность его магнитного поля практически равна нулю. В этом случае обеспечивается несрабатывание неконтактных мин и торпед,
Другой путь в обеспечении защищенности корабля по магнитному полю заключается в применении маломагнитных и немагнитных материалов в конструкциях корпуса и механизмов корабля.
Понятие о размагничивании.
Размагничиванием корабля называется процесс искусственного уменьшения его магнитного поля. Размагничивание производят с помощью обмоток контуров, питаемых током, и называют электромагнитной обработкой (ЭМО). Суть ЭМО заключается в создании определенным образом магнитного поля, обратного по знаку полю корабля, о чем будет сказано ниже.
На рис. 8 представлен плоский контур, по которому пропускается постоянный ток. Зависимость направления поля, т.е. положения его полюсов от направления тока определяется известным правилом буравчика .
Размагничивание производится двумя различными методами - безобмоточным и обмоточным. Названия эти следует понимать как условные, так как размагничивание кораблей как одним, так и другим методом выполняют с помощью обмоток, питаемых током. Но в первом случае, обмотки накладывают на корпус судна временно, лишь на период размагничивания, или же вообще располагают вне судна, на фунте. Применяя же второй метод, обмотки монтируют на судне стационарно и включают их на время следования по опасным районам.
Безобмоточное размагничивание (БР).
Безобмоточное размагничивание осуществляется путем воздействия на корабль временно создаваемых магнитных полей двумя способами:
С помощью временно накладываемых на корабль электрических обмоток;
С помощью контуров, обтекаемых током, уложенных на грунте.
При безобмоточном размагничивании (БР) корпус корабля подвергается воздействию затухающего переменного и постоянного магнитных полей, либо кратковременному воздействию только постоянного магнитного поля. В первом случае размагничивание основано на намагничивании корпуса по безгистерезисной кривой, во втором - по гистерезисной (рис. 4).
Размагничивание с помощью временно накладываемых на корабль обмоток.
После постройки корабля его корпус намагничивается в вертикальном, продольном и поперечном направлении.
Рассмотрим сущность размагничивания в вертикальном направлении (рис. 9, а).
а) вертикальное размагничивание;
б) продольное размагничивание;
в) поперечное размагничивание.
Вокруг корпуса заводится кабель в плоскости, параллельной ватерлинии. В зависимости от намагничивания корпуса, величина которого определяется при предварительном измерении, по кабелю пропускается ток такой величины (рис, 10), чтобы созданное поле обратного знака (при включенном токе) в точке превышало в раза исходное (точка ).
Через несколько секунд ток в обмотке выключается, и магнитное состояние переходит в точку . Эта операция называется «опрокидыванием» поля. Действительно, поле в точке оказалось другого знака, «опрокинутым». Заметим, что процесс идет по гистерезисной кривой.
Вторая операция называется «компенсацией». Во время этой операции в обмотку включается ток, величина и направление которого выбираются так, чтобы после выключения его поле корабля возможно больше приближалось к нулю.
Вертикальное намагничивание корабля;
Напряженность вертикального внешнего магнитного поля.
Ток, включенный в обмотку при первой и второй операциях, называется соответственно током опрокидывания и током компенсации .
Из кривых видно, что в результате электромагнитной обработки имевшееся у корабля намагничивание компенсируется, а создаваемое новое намагничивание таково, что вертикальные составляющие индуктивного намагничивания и постоянного намагничивания , в районе экватора оказываются близкими или равными по абсолютной величине, но противоположными по знаку.
При размагничивании по безгистерезионой кривой достигается тот же результат, только процесс компенсации старого созданием нового постоянного намагничивания происходит при циклическом перемагничивании в переменном магнитном поле, убывающем по амплитуде от некоторого максимума до нуля. Для создания как постоянного, так и переменного магнитных полей на корабль накладываются временно один или несколько витков, подключаемых к источникам питания судов размагничивания. Для случая продольного размагничивания на корабль накладывается несколько витков (рис. 9, б) так, что корабль оказывается заключенным внутри огромного соленоида. Возникающее при включении обмотки магнитное поле, действующее по оси соленоида, размагничивает корабль.
При поперечном размагничивании на корабль накладываются в вертикальной плоскости два последовательно соединенных витка по бортам.
Эффективность размагничивания проверяют измерениями магнитного поля под днищем.
Заводка вокруг корпуса тяжелых многожильных кабелей связана с большими затратами времени и физического труда. Поэтому наравне с этим способом используют также специальные станции безобмоточного размагничивания, на которых обмотки (кабель) уложены определенным образом на грунте. Безобмоточное размагничивание с помощью контуров, уложенных на грунте. Контуры, уложенные на грунте, имеют форму петли. Поэтому станции получили название - петлевые станции безобмоточного размагничивания (ПСБР) рис. 11. Акватория ограждается буями или вехами. На ней имеются бочки для швартовки судов.
Через контур 1 пропускают постоянный ток , через контур 2 - переменный ток частотой около . Переменное магнитное поле позволяет устранить все необратимые явления, возникающие при намагничивании в постоянном магнитном поле контура постоянного тока 2. Процесс размагничивания заключается в пропускании соответствующих токов по контурам (донным кабелям) в тот момент, когда корабль проходит или стоит над ними. Управление режимом тока и снятие показаний магнитометрической аппаратуры осуществляется дистанционно с берегового пульта. Процесс размагничивания основан на принципе полугистерезисного перемагничивания (рис. 12).
При подходе к стенду ПСБР магнитное состояние корабля характеризуется точкой , где корабль обладает определенным постоянным и индуктивным намагничиванием. В момент прохождения над стендом корабль подвергается перемагничиванию по полугистерезисной кривой . В этот момент корабль находится над серединой контура. Далее при удалении корабля его магнитное состояние изменяется по кривой. При удачном сочетании магнитных полей на стенде магнитное состояние корабля может прийти в близкое к нейтральному магнитное состояние (точка ).
1 - контур постоянного тока;
2 - контур переменного тока;
3 - ограждающий буй
Как правило, при электромагнитной обработке на таких станциях одновременно компенсируется постоянное вертикальное и постоянное продольное намагничивание, Другие виды намагничивания не устраняются.
Итак, положительной стороной безобмоточного размагничивания является то, что корабль не несет никаких обмоток, для которых потребовались бы источники питания и щиты управления. Однако, этот метод не универсален.
Основными недостатками без обмоточного размагничивания корабля является:
1. Невозможность компенсации курсовых и широтных изменений поля корабля.
2. Необходимость периодически повторять магнитную обработку ввиду недостаточной стабильности результирующего поля.
3. Необходимость после каждой обработки производить определение и устранение девиации магнитных компасов.
Обмоточное размагничивание
Обмоточное размагничивание предусматривает компенсацию магнитных полей корабля полями от стационарных обмоток, питаемых током от специальных источников. Совокупность системы обмоток, источников питания, а также аппаратуры управления и контроля составляет размагничивающее устройство (РУ).
РУ рассчитывается так, чтобы магнитное поле, создаваемое током, протекающим по обмотке, представляло в любой момент времени зеркальное отображение собственного магнитного поля корабля, т. е. в каждой точке под кораблем было равно полю корабля по величине и противоположно по знаку.
РУ впервые разработаны группой сотрудников ЛФТИ АН СССР во главе с академиком А. П. Александровым (И. В. Курчатов, Л. Р. Степанов К. К. Щербо и др.). Размагничивающее устройство позволяет компенсировать магнитное поле корабля с учетом курсовых и широтных изменений.
Размагничивающее устройство состоит из нескольких самостоятельных обмоток различного назначения.
1. Для компенсации напряженности поля от вертикального постоянного намагничивания служит основная горизонтальная обмотка. Направление тока в этой обмотке подбирают так, чтобы ее магнитное поле было противоположно полю от вертикального постоянного намагничивания (рис. 13).
На рис. 13 показано, что магнитное поле обмотки (кривая ) равно по напряженности, но противоположно по знаку собственному полю (). Эта обмотка называется главной потому, что с её помощью компенсируется самая значительная (вертикальная) составляющая. Подобранный для этой обмотки режим тока в дальнейшем не изменяется, а остается постоянным на всех курсах и на любой широте.
Для компенсации вертикальной составляющей продольного намагничивания применяют носовую и кормовую обмотки (рис. 14,а).
2. Вместо указанных обмоток можно применить шпангоутную обмотку (рис. 14, б), Действие этой обмотки более эффективно по сравнению с носовой и кормовой постоянными обмотками. Однако установка ее связана с большими трудностями.
3. Поле от поперечного постоянного намагничивания компенсируется полем батоксовых постоянных обмоток, которые соединяются последовательно и крепятся на правом и левом бортах судна (рис. 15). Для компенсации этого поля достаточно задать в обмотках определенный и одинаковый режим тока.
Сложнее компенсировать индуктивные составляющие намагничивания. Для этой цели в размагничивающее устройство входят регулируемые обмотки: широтная, курсовые шпангоутные обмотки и батоксовые курсовые обмотки.
4. Широтная обмотка предназначена для компенсации поля от вертикального индуктивного намагничивания. Расположение этой обмотки и распределение составляющих напряженности ее магнитного поля такие же, как у основной горизонтальной. Поэтому отдельную широтную обмотку можно не устанавливать, а использовать несколько секций основной горизонтальной обмотки, вводя в цепь их питания приспособления для регулировки тока.
Ток в широтной обмотке регулируется пропорционально синусу магнитного наклонения (магнитной широты).
Курсовые шпангоутные обмотки служат для компенсации поля от продольного индуктивного намагничивания и размещаются аналогично обмоткам для постоянного продольного размагничивания. Поскольку напряженность поля от продольного индуктивного намагничивания корабля изменяется пропорционально косинусу магнитного поля, то для компенсации этого поля необходимо изменять режим тока в обмотке также по закону косинуса. Поэтому эти обмотки называют шпангоутными курсовыми (рис. 14, б).
Батоксовые курсовые обмотки используются для компенсации поля от поперечного индуктивного намагничивания, их располагают последовательно по обоим бортам судна, параллельно постоянным обмоткам. Регулировка силы и направления тока производится пропорционально синусу угла магнитного курса.
Дополнительные обмотки устанавливаются как для компенсации корабля на отдельных участках его, так и для компенсации магнитных полей мощных корабельных электроэнергетических и других установок.
Основным достоинством обмоточного размагничивания является возможность компенсации курсовых и широтных изменений магнитного поля корабля, что обеспечивает большую степень защиты кораблей от неконтактного магнитного оружия и большую их скрытность.
Недостатками РУ являются: большая стоимость, расход дополнительных материалов, утяжеление корабля и значительный расход энергии.
Корпуса кораблей, мачты, надстройки, вооружение и механизмы изготовляются из стали, железа, чугуна и других металлов, обладающих свойствами намагничиваться в магнитном поле Земли и создавать в окружающем их пространстве свое магнитное поле. Вследствие намагничивания в магнитном поле Земли сам корабль становится как бы большим магнитом, магнитное поле которого накладывается на магнитное поле Земли. В результате система стрелок магнитного компаса, установленного на корабле, оказывается одновременно под воздействием сил земного магнитного поля и магнитного поля корабля. Следствием этого является отклонение системы магнитных стрелок компаса от направления магнитного меридиана. Это отклонение в зависимости от направления равнодействующей всех сил, которые действуют на стрелку компаса, может произойти к востоку или к западу от магнитного меридиана.
Вертикальная плоскость, в которой расположится стрелка компаса, установленного на корабле, называется плоскостью компасного меридиана. Явление отклонения стрелки компаса от плоскости магнитного меридиана под влиянием магнитных полей корабля и его устройств получило название девиации магнитного компаса. Девиация магнитного компаса измеряется углом между плоскостью магнитного меридиана и плоскостью компасного меридиана. Девиация обозначается греческой буквой д (дельта). Если плоскость компасного меридиана расположена правее плоскости магнитного меридиана, девиация будет восточной (Оst) и тогда ей приписывается знак плюс, если плоскость компасного меридиана расположена левее плоскости магнитного меридиана, девиация будет западной (W) и ей приписывается знак минус. Девиация магнитного компаса может принимать значения от 0 до 180° в зависимости от магнитного состояния корабельного железа и его расположения относительно стрелки компаса.
Кроме магнитных полей корабельного железа, на кораблях имеется много источников электромагнитных полей: электропроводка, генераторы, электромоторы и др.
Девиация магнитного компаса, появляющаяся под действием магнитных полей проводников, находящихся под током, генераторов, электромоторов и различного электрооборудования корабля, называется электромагнитной девиацией.
Для уменьшения влияния на компас корабельного железа все части компаса делаются из немагнитных материалов, сам компас устанавливается на корабле по возможности дальше от его металлических частей, а близкие к компасу устройства стремятся сделать из немагнитных материалов. При установке компаса на корабле принимаются меры и к тому, чтобы поблизости не было источников электромагнитных полей.
Девиация магнитного компаса периодически уменьшается (компенсируется). Для этого в непосредственной близости от стрелок компаса помещаются специальные магниты и мягкое железо в виде шаров, брусков, пластин, которые создают магнитные поля, равные полям от корабельного железа, но по направлению им противоположные. В результате компенсации девиации стрелка компаса должна возвратиться в плоскость магнитного меридиана, но обычно полностью скомпенсировать магнитные поля не удается; значит, не удается и полностью уничтожить девиацию. У компаса после компенсации остается девиация, называемая остаточной, которая тщательно определяется по величине и знаку и затем учитывается при обработке направлений, измеряемых с помощью магнитного компаса.
Электромагнитная девиация компенсируется путем регулировки силы тока в специальных компенсационных катушках, располагаемых внутри нактоуза компаса под его котелком. Способы компенсации девиации магнитного компаса и определения остаточной девиации подробно излагаются в курсе «Девиация магнитного компаса».
Девиация магнитного компаса не остается постоянной, а изменяется от ряда причин: изменения кораблем магнитной широты, изменения магнитного состояния корабля, т. е. степени его намагниченности, и от положения корабля относительно направления магнитных силовых линий (от курса корабля).
По результатам, определения остаточной девиации, которая у правильно установленных компасов не превышает, как правда, 2--5°, составляются для всех корабельных магнитных компасов таблицы и графики девиации. Образец такой таблицы приводится ниже.
Таблица девиации главного магнитного компаса
Компасные курсы |
|||
В таблицах величины девиации магнитного компаса приводятся на компасные курсы. Для различных состояний корабля (с выключенным СУ, включенным СУ) рассчитываются отдельные таблицы девиации.
Необходимо.отметить, что как бы хорошо ни была определена девиация и как бы тщательно ни была определена остаточная девиация магнитного компаса, она по указанным ранее причинам с течением времени изменяется. Поэтому, кроме периодических определений остаточной девиации и составления рабочей таблицы, необходимо использовать всякую возможность для уточнения девиации, чтобы получить уверенность в правильности табличных данных или ее отдельных значений.
Задача снижения магнитного поля корабля может решаться двумя путями:
применение в конструкции корпуса, оборудования и механизмов корабля маломагнитных материалов;
проведение размагничивания корабля.
Применения маломагнитных и немагнитных материалов для создания корабельных конструкций позволяет в значительной степени снизить магнитное поле корабля. Поэтому при строительстве специальных кораблей (тральщиков, минных заградителей) широко используются такие материалы как стеклопластик, пластмассы, алюминиевые сплавы и т.д. При строительстве некоторых проектов атомных подводных лодок применяется титан и его сплавы, который наряду с высокой прочностью является маломагнитным материалом.
Однако прочность и другие механические и экономические показатели маломагнитных материалов позволяют применять их при строительстве боевых кораблей в ограниченных пределах.
Кроме того, если даже корпусные конструкции кораблей выполнять из маломагнитных материалов, то целый ряд корабельных механизмов остается выполненным из ферромагнитных металлов, которые также создают магнитное поле. Поэтому в настоящее время основным способом магнитной защиты большинства кораблей является их размагничивание.
Размагничиванием корабля называется комплекс мероприятий направленных на искусственное уменьшение составляющих напряженности его магнитного поля.
Основными задачами размагничивания являются:
- а) уменьшение всех составляющих напряженности МПК до пределов, установленных специальными нормами;
- б) обеспечение стабильности размагниченного состояния корабля.
Одним из методов решения этих задач является проведение обмоточного размагничивания.
Сущность метода обмоточного размагничивания заключается в том, что МПК компенсируется магнитным полем тока специально смонтированных на корабле штатных обмоток.
Совокупность системы обмоток, источников их питания, а также аппаратуры управления и контроля составляет размагничивающее устройство (РУ) корабля.
В систему обмоток РУ корабля могут входить следующие обмотки (в зависимости от типа и класса корабля):
- а) Основная горизонтальная обмотка (ОГ), предназначенная для компенсации вертикальной составляющей МПК. Для размагничивания большей массы ферромагнитного материала корпуса ОГ разбивается на ярусы, при этом каждый ярус состоит из нескольких секций.
- б) Курсовая шпангоутная обмотка (КШ), предназначенная для компенсации продольного индуктивного намагничивания корабля. Она состоит из ряда последовательно соединенных витков, расположенных в шпангоутных плоскостях.
- а) Основная горизонтальная обмотка ОГ.
б) Курсовая шпангоутная обмотка КШ.
в) Курсовая батоксовая обмотка КБ.
- в) Курсовая батоксовая обмотка (КБ), предназначенная для компенсации поля индуктивного поперечного намагничивания корабля. Она монтируется в виде нескольких контуров, расположенных побортно в батоксовых плоскостях, симметрично относительно диаметральной плоскости корабля.
- г) Постоянные обмотки, применяются на кораблях большого водоизмещения. К этим видам обмоток относятся постоянная шпангоутная обмотка (ПШ) и постоянная батоксовая обмотка (ПБ). Эти обмотки прокладываются по трассе обмоток КШ и КБ и никаких видов регулирования тока в процессе эксплуатации не имеют.
- д) Специальные обмотки (СО), предназначенные для компенсации магнитных полей от отдельных крупных ферромагнитных масс и мощных электрических установок (контейнеры с ракетами, тральные агрегаты, аккумуляторные батареи и т.д.)
Питание обмоток РУ осуществляется только постоянным током от специальных агрегатов питания РУ. Агрегатами питания РУ являются электромашинные преобразователи, состоящие из приводного двигателя переменного тока и генератора постоянного тока.
Для питания преобразователей и обмоток РУ на кораблях устанавливаются специальные щиты питания РУ, получающие питание от двух источников тока, расположенных на разных бортах. На щитах РУ устанавливается необходимая коммутационная, защитная, измерительная и сигнальная аппаратура.
Для автоматического управления токами в обмотках РУ устанавливается специальная аппаратура, которая производит регулировку токов в обмотках РУ в зависимости от магнитного курса корабля. В настоящее время на кораблях используются регуляторы тока типа «КАДР-М» и «КАДМИЙ».
Наряду с обмоточным размагничиванием, т.е. использованием РУ, надводные корабли и подводные лодки периодически подвергаются безобмоточному размагничиванию.
Сущность безобмоточного размагничивания заключается в том, что корабль подвергается кратковременному воздействию сильных, искусственно созданных магнитных полей, уменьшающих МПК до определенных норм. Сам корабль при этом методе никаких стационарных размагничивающих обмоток не имеет. Безобмоточное размагничивание производится на специальных стендах СБР (стенд безобмоточного размагничивания).
Основными недостатками метода безобмоточного размагничивания являются недостаточная стабильность размагниченного состояния корабля, невозможность компенсации индуктивных составляющих МПК, зависящих от курса и длительность процесса безобмоточного размагничивания.
Таким образом, максимальное снижение магнитного поля корабля достигается путем применения двух методов размагничивания - обмоточного и безобмоточного. Применение РУ позволяет скомпенсировать МПК в процессе эксплуатации, но так как магнитное поле корабля с течением времени может значительно изменяться, то корабли нуждаются в периодической магнитной обработке на СБР. Кроме того на СБР производятся замеры величины магнитного поля корабля, с целью поддержания МПК в установленных приделах.
Гидроаккустическое обнаружение подводных лодок
Физическое поле корабля - область пространства, прилегающая к корпусу корабля, в котором проявляются физические свойства корабля как материального объекта. Данные физические свойства оказывают, в свою очередь, влияние на искажение соответствующего физического поля Мирового океана и прилегающего воздушного пространства.
Типы физических полей корабля
Задачи, решаемые гидроакустическим комплексом подводной лодки.
Физические поля кораблей по месту нахождения источников излучения подразделяют на первичные (собственные) и вторичные (вызванные).
Первичными (собственными) полями кораблей называются поля, источники излучения которых находятся непосредственно на самом корабле или в сравнительно тонком слое воды, омывающем его корпус.
Вторичным (вызванным), полем корабля, называется отраженное (искаженное) поле корабля, источники излучения которого расположены вне корабля (в пространстве, на другом корабле и т. д.).
Поля, которые имеют искусственную природу, т.е. формируются при помощи специальных устройств, (радио-, гидролокационных станций, оптических приборов) называются активными физическими полями.
Поля, которые создаются естественным образом кораблем в целом как конструктивным сооружением, называются пассивными физическими полями корабля.
По функциональной зависимости параметров физических полей от времени их также можно подразделить еще на статические и динамические поля.
Статическими полями считаются такие физические поля, интенсивность (уровень или мощность) источников которых остается в течении времени воздействия полей на неконтактную систему постоянной.
Динамическими (переменными во времени) физическими полями называются такие поля, интенсивность источников которых изменяется в течении времени воздействия поля на неконтактную систему.
Основные виды физических полей корабля
В настоящее время современная наука выделяет более 30 различных физических полей корабля. Степень применения свойств физических полей в проектировании технических средств обнаружения, средств слежения за кораблями, а также в неконтактных системах оружия различна. Самыми главными, на данный момент, физическими полями кораблей и подводных лодок, на основании знаний о которых ведется разработка специальных приборов, считаются: акустическое, гидроакустическое, магнитное, электромагнитное, электрическое, тепловое, гидродинамическое, гравитационное.
С учетом развития различных направлений физики и приборостроения, постоянно определяются новые физические поля морских объектов, например, ведутся исследования в области оптических, радиационных физических полей.
Главной задачей, которую решают инженеры, занимающиеся изучением свойств физических полей, является поиск и обнаружен кораблей и подводных лодок противника, наведения на них боевых средств (торпед, мин, ракет и др), а также детонация их безконтактных взрывателей. Во время Второй Мировой Войны широко использовались мины с электромагнитными, акустическими, гидродинамическими и комбинированными взрывателями, а также часто применялась гидроакустическая аппаратура обнаружения подводных лодок.
Акустическое поле корабля
Схема работы гидроакустических станций надводного корабля:
1 - преобразователь эхолота; 2 - пост гидроакустиков; 3 - преобразователь гидролокатора; 4 - обнаруженная мина; 5 - обнаруженная подводная лодка.
Акустическое поле корабля - область пространства, в которой распределяются акустические волны, образованные самим кораблем или отражающиеся от поверхности его корпуса.
Любой корабль, находящийся в движении, служит излучателем самых разнообразных по значению и характеру акустических колебаний, комплексное действие которых на окружающую водную среду создает достаточно интенсивный подводный шум в диапазоне от инфра- до ультразвуковых частот. Данное явление еще называют первичным акустическим полем корабля. Характер излучения первичного поля и его распространения определяются, как правило следующими параметрами корабля: водоизмещением, обводами (обтекаемостью формы) корпуса и скоростью хода корабля, типом главных и вспомогательных механизмов.
Поток воды при обхождении корпуса корабля определяет гидродинамическую составляющую акустического поля. Главные и вспомогательные механизмы корабля определяют вибрационную составляющую, гребные винти - кавитационную (кавитация на гребном винте - это образование на его быстро вращающихся лопастях в водной среде разряженных газовых полостей, последующее сжатие которых резко увеличивает шумность).
В итоге, первичное гидроакустическое поле корабля(ГАПК) представляет собой совокупность наложенных друг на друга полей, создаваемых различными источниками, основные из которых являются:
1. Шумы, создаваемые движителями (винтами) при их вращении. Подводный шум корабля от работ гребных винтов разделяется на следующие составляющие:
Шум вращение гребного винта,
Вихревой шум,
Шум вибрации кромок лопастей винтов («пение»),
Кавитационный шум.
2. Шумы, излучаемые корпусом корабля на ходу и на стоянке как результат его вибрации от работы механизмов.
3. Шумы, создаваемые обтеканием корпуса корабля водой при его движении.
Уровень подводного шума зависит еще от скорости хода корабля, а также от глубины погружения (для ПЛ). Если корабль движется со скоростью выше критической. то в этом случае начинается процесс интенсивного шумообразования.
В процессе эксплуатации корабля, по мере износа основных узлов, шумность его может меняться. При выработке технического ресурса корабельных механизмов, происходит их расцентровка, расбалансировка и увеличение вибрации. Колебательная энергия изношенных механизмов провоцирует. в свою очередь, вибрации корпуса, что приводит к возмущениям в прилегающей водной поверхности.
Индикаторные картины ГАК МГК-400ЭМ. Режим шумопеленгования
Вибрации механизмов передаются на корпус в основном через: опорные связи механизмов с корпусом (фундаменты); неопорные связи механизмов с корпусом (трубопроводы, водопроводы, кабели); через воздух в отсеках и помещениях НК.
Корпус корабля, сам по себе, способен отражать акустические волны, которые излучает какой-либо другой источник. Это излучение при отражении от корпуса, превращается во вторичное акустическое поле корабля и, может быть обнаружено приемным устройством. Использование вторичного акустического поля позволяет не только определить направление нахождения корабля, но также позволяет вычислить дистанцию до него путем замера времени прохождения сигнала (скорость звука в воде составляет 1500 м/с). Дополнительно на скорость распространения звука в воде влияет ее физическое состояние(соленость, которая повышается с увеличением температуры, и гидростатическое давление).
Атака подводной лодки на основании ложного акустического поля корабля
Главными направлениями уменьшения акустического поля корабля являются: снижение шума гребных винтов (подбором форм лопастей, частоты вращения винта, увеличением числа лопастей), снижение шумности механизмов и корпуса (звукоизолирующая амортизация, акустические покрытия, звукопоглощающие фундаменты).
Индикаторные картины ГАК МГК-400ЭМ. Режим LOFAR
Гидроакустический комплекс «Скат» атомной подводной лодки «Щука»
Шумность корабля влияет не только на его скрытность от различных средств обнаружения и степень защищенности от минно-торпедного вооружения вероятного противника, но также и влияет на условия работы собственных гидроакустических средств обнаружения и целеуказания, создавая помехи в работе этих приборов.
Шумность имеет колоссальное значение для незаметности подводных лодок (ПЛ) так как именно она во многом определяет этот параметр выживания. По этому на подводных лодках контроль за шумностью и ее снижение - одна из главных задач всего личного состава.
Основные мероприятиям обеспечения акустической защиты корабля:
Улучшение виброакустических характеристик механизмов;
Удаление механизмов от конструкций наружного корпуса, излучающего подводный шум, путём их установки на палубы, платформы и переборки;
Виброизоляция механизмов и систем от основного корпуса с помощью звукоизолирующих амортизаторов, гибких вставок, муфт, амортизирующих подвесок трубопроводов и специальных шумозащищающих фундаментов;
Вибропоглащение и звукоизоляция звуковых вибраций фундаментных и корпусных конструкций, систем трубопроводов с помощью звукоизолирующих и вибродемфирующих покрытий;
Звукоизоляция и звукопоглащение воздушного шума механизмов за счет применения покрытий, кожухов, экранов, глушителей в воздуховодах;
Применение в системах забортной воды глушителей гидродинамического шума.
Отдельно кавитационный шум понижается за счет следующих работ:
Использование малошумных гребных винтов;
Использование низкооборотных винтов;
Повышение числа лопастей;
Балансировка гребного винта и линии вала.
Совокупность инженерных разработок, а также соответствующих действий личного состава, позволяют серьезно снизить уровень гидроакустического поля корабля.
Тепловое (инфракрасное) поле корабля
Тепловое поле корабля
Тепловое поле - поле, которое появляется при излучении кораблем инфракрасных лучей. Самыми мощными источниками излучения тепловых полей являются: дымовые трубы и газовые факелы от корабельной энергетической установки; корпус и надстройки в районе машинного отделения; факелы огня при артиллерийской стрельбе и запуске ракет. При использовании инфракрасной аппаратуры тепловое поле позволяет обнаружить корабль на достаточно большом расстоянии.
Главными источниками теплового поля корабля (инфракрасного излучения) являются:
Поверхности надводной части корпуса, надстроек, палуб, кожухов дымовых труб;
Поверхности газоходов и газовыхлопных устройств отработавших газов;
Газовый факел;
Поверхности корабельных конструкций (мачт, антенн, палуб и т. д.), находящихся в зоне действия газового факела, газовых струй ракет и летательных аппаратов при запуске;
Бурун и кильваторный след корабля.
Корабль в объективе тепловизора
Обнаружение надводных кораблей и подводных лодок по их тепловому полю и выдача целеуказания оружию производится с помощью специальной теплопеленгаторной аппаратуры. Такая аппаратура обычно устанавливается на надводных кораблях и подводных лодках, самолетах, спутниках, береговых постах.
Дополнительно тепловыми (инфракрасными) устройствами самонаведения снабжаются также различные типы ракет и торпеды. Современные тепловые устройства самонаведения позволяют осуществить захват цели на расстоянии до 30 км.
Основные технические средства тепловой защиты кораблей:
Охладители отработавших газов корабельной энергетической установки (камера смешения, внешний кожух, жалюзийные окна приёма воздуха, насадки, системы водовпрыска и т. д.);
Теплоутилизационные контуры (ТУК) корабельной энергетической установки;
Бортовые (надводные и подводные) и кормовые газовыхлопные устройства;
Экраны инфракрасного излучения от внутренних и наружных поверхностей газоходов (двухслойные экраны, профильные экраны с водяным или воздушным охлаждением, экранирующие тела и т. д.);
Система универсальной водяной защиты;
Покрытия для корпуса и надстроек корабля, в том числе и лакокрасочные, с пониженной излучающей способностью;
Тепловая изоляция высокотемпературных корабельных помещений.
Тепловую заметность надводного корабля можно также уменьшить применением следующих тактических приемов:
Применение маскирующего воздействия тумана, дождя и снега;
Применение в качестве фона предметов и явлений с мощным инфракрасным излучением;
Применение носовых курсовых углов по отношению к носителю теплопеленгаторной аппаратуры.
Для подводных лодок тепловая заметность снижается при увеличении глубины их погружения.
Гидродинамическое поле корабля
Гидродинамическое поле корабля
В районе оконечностей образуются зоны повышенного давления, а в средней части по длине корпуса - область пониженного давления.
Гидродинамического поле - поле возникающее в следствии движения корабля, за счет изменения гидростатического давления воды под корпусом корабля. По физической сущности гидродинамического поле - это возмущение движущимся кораблем естественного гидродинамического поля Мирового океана.
Если в каждом месте Мирового океана параметры его гидродинамического поля обусловлены, главным образом, случайными явлениями, учесть которые заранее очень трудно, то движущийся корабль вносит не случайные, а вполне закономерные изменения в эти параметры, учесть которые можно с необходимой для практики точностью.
При движении корабля в воде частицы жидкости, находящиеся на определенных расстояниях от его корпуса, приходят в состояние возмущенного движения. При движении этих частиц изменяется величина гидростатического давления в месте движения корабля, т.е. образуется гидродинамическое поле корабля определенных параметров.
При движении подводной лодки под водой область изменения давления распространяется на поверхность воды так же, как и на грунт. Если подводная лодка движется на небольшой глубине, то на поверхности воды можно визуально фиксировать хорошо заметный волновой гидродинамический след.
Свойства гидродинамического поля корабля часто используются при разработке неконтактных гидродинамических взрывателей донных мин.
До настоящего времени значимых эффективных средств гидродинамической защиты корабля не разработано. Частичное снижение гидродинамического поля достигается за счет расчета баланса между оптимальным водоизмещением корабля и формы его корпуса. Основным тактическим приемом гидродинамической защиты корабля является выбор безопасной скорости хода. Безопасной считается такая скорость, при которой либо величина понижения давления под кораблём не превысит установленного порога срабатывания взрывателя мины, либо время воздействия на взрыватель области пониженного давления окажется меньше, чем установлено во взрывателе.
Существуют специальные графики безопасных скоростей корабля и правила пользования, которые даются в специальной инструкции по выбору безопасных скоростей корабля при плавании в районах возможной постановки гидродинамических мин.
Электромагнитное поле корабля - поле переменных по времени электрических токов, создаваемых кораблем в окружающем пространстве. Главными излучателями электромагнитного поля корабля являются: переменные гальванические токи в цепи «гребной винт - корпус», вибрация ферромагнитных масс корпуса в магнитном поле Земли, работа корабельного электрооборудования. Электромагнитное поле имеет ярко выраженный максимум в районе гребных винтов, а на расстоянии в несколько десятков метров от корпуса практически затухает.
Электромагнитная защита корабля осуществляется за счет выбора неметаллического материала для гребных винтов:
Применения для них не электропроводных покрытий, применения на валопроводе контактно-щёточных устройств;
Шунтирующих переменное сопротивление масляного зазора в подшипниках;
Поддержания сопротивления изоляции вала от корпуса в пределах установленных норм.
На кораблях с немагнитными и маломагнитными корпусами главное внимание уделяется вопросам снижения электромагнитного поля элементов электрооборудования.
Магнитное поле корабля
Магнитное поле корабля
Магнитное поле корабля - область пространства, в пределах которой обнаруживаются изменения магнитного поля Земли, обусловленные присутствием или движением намагниченного корабля.
Магнитное поле корабля представляет собой результирующую величину наложения нескольких полей: постоянного (статического) и индуктивного (динамического) намагничивания.
Постоянное намагничивание формируется у корабля в основном в период постройки под воздействием земного магнитного поля, и зависит от:
Расположения корабля относительно направления и величины линий напряженности магнитного поля Земли в месте постройки;
Магнитных свойств самих материалов, из которых строится корабль (остаточная намагниченность);
Соотношения главных размерений корабля, распределения и форм железных масс на корабле;
Технологий, с помощью которых осуществлялась постройка корабля (числа клепаных и сварных соединений).
Для количественной характеристики магнитного поля используется специальная физическая величина - напряженность магнитного поля Н.
Другой физической величиной, определяющей в первую очередь магнитные свойства материала является интенсивность намагничивания I. Кроме того существуют понятия остаточного намагничивания и индуктивного намагничивания.
Применения маломагнитных и немагнитных материалов при строительстве корабля позволяет в значительной степени снизить его магнитное поле. Поэтому при строительстве специальных кораблей (тральщиков, минных заградителей) широко используются такие материалы как стеклопластик, пластмассы, алюминиевые сплавы и т. д., а при строительстве некоторых проектов атомных подводных лодок применяется титан и его сплавы, который наряду с высокой прочностью является маломагнитным материалом. Однако прочность и другие механические и экономические показатели маломагнитных материалов позволяют применять их при строительстве боевых кораблей в ограниченных пределах. Существуют также и сильномагнитные материалы, к ним относятся: железо, никель, кобальт и некоторые сплавы. Вещества, способные сильно намагничиваться, получили название ферромагнетиков.
Принцип работы магнитной мины
Кроме того, если даже корпусные конструкции кораблей выполнять из маломагнитных материалов, то целый ряд корабельных механизмов остается выполненным из ферромагнитных металлов, которые также создают магнитное поле. Поэтому для кораблей, периодически осуществляется контроль уровня их магнитного поля и, при превышении допустимого значения, проводится размагничивание корпуса. Существует безобмоточное и обмоточное размагничивание. Первое осуществляется при помощи специальных кораблей или на станциях безобмоточного размагничивания, второе предусматривает наличие на самом корабле стационарных обметок (кабелей) и специальных генераторов постоянного Тока, которые вместе с аппаратурой управления и контроля составляют размагничивающее устройство корабля.
Магнитное поле корабля (МПК) широко используется в неконтактных взрывателях минно-торпедного оружия, а также в стационарных и авиационных системах магнитометрического обнаружения ПЛ.
Примером экспериментов по снижению магнитного поля, является так называемый Филадельфийский эксперимент , который и по сей день остается предметом многих домыслов, поскольку документальных подтверждений результатом эксперимента, публично так и не было обнародовано.
Электрическое поле корабля
Электрическое поле корабля
Электрическое поле корабля (ЭПК) - область пространства, в которой протекают постоянные электрические токи.
Основными причинами образования электрического поля корабля являются:
Электрохимические процессы протекающие между деталями корабля, изготовленными из разнородных металлов и находящимися в подводной части корпуса(гребные винты и валы, рулевые устройства, донно-забортная арматура, системы протекторной и катодной защиты корпуса и т. д.).
Процессы, порождаемые явлением электромагнитной индукции, суть которых заключаются в том, что корпус корабля во время своего движения пересекает силовые линии магнитного поля Земли, в результате чего в корпусе и прилегающих к нему массах воды возникают электрические токи. Аналогичные токи формируются в корабельных винтах при их вращении. Как правило корпус корабля изготавливается из стали, винты и донная арматура из бронзы или латуни, обтекатели гидроакустических станций из нержавеющей стали, а протекторы коррозии из цинка. В результате в подводной части корабля образуются гальванические пары и в морской воде, как в электролите, возникают стационарные электрические токи.
Процессы, связанные с утечкой токов корабельного электрооборудования на корпус корабля и в воду.
Главной причиной формирования ЭПК являются электрохимические процессы между разнородными металлами. Около 99 % от максимальной величины ЭПК приходится именно на электрохимические процессы. Поэтому для снижения уровня ЭПК стремятся устранить эту причину.
Электрическое поле корабля серьезно превосходит естественное электрическое поле Мирового океана, это позволяет его использовать при разработке неконтактного морского оружия и средств обнаружения подводных лодок.
Снижение уровня электрического поля достигается: - путем применения неметаллических материалов при изготовления корпуса и деталей, соприкасающихся с морской водой;
Путем подбора металлов по близости значений их электродных потенциалов для корпуса и деталей, соприкасающихся с морской водой;
При помощи экранирования источников ЭПК;
Путем разъединение внутренней электрической цепи источников ЭПК;
С помощью применения специальных покрытий источников ЭПК электроизолирующими материалами.
Области применения
Физические поля корабля в настоящее время широко используются по трем направлениям:
В неконтактных системах различных видов оружия;
В системах обнаружения и классификации;
В системах самонаведения.
Ссылки и источники
Литература
1. Свердлин Г. М. Гидроакустические преобразователи и антенны. . - Ленинград: Судостроение, 1980.
2. Урик Р.Дж.(Robert J. Urick). Основы гидроакустики (Principles of Underwater Sound). . - Ленинград: Судостроение, 1978.
3. Яковлев А.Н Гидролокаторы ближнего действия. . - Ленинград: Судостроение, 1983.