СПОСОБ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ФЕРРОМАГНИТНОГО ОБЪЕКТА ОТ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ
METHOD FOR PROTECTING METALLIC FERROMAGNETIC OBJECT FROM MAGNETOMETRIC DETECTION

Изобретение относится к области противодействия средствам магнитометрического обнаружения ферромагнитных объектов и может быть использовано для защиты кораблей, машин и других технических объектов.
Для защиты металлических ферромагнитных объектов от магнитометрического обнаружения все известные технические решения сводятся либо к размагничиванию намагниченного объекта, либо к созданию компенсационного поля противоположного знака.
Известен способ размагничивания судна, основанный на электромагнитной обработке корпуса судна в скомпенсированном магнитном поле Земли посредством знакопеременного магнитного поля, создаваемого рабочей обмоткой при перемещении судна через нее или при перемещении рабочей обмотки вдоль продольной оси судна, при этом в процессе электромагнитной обработки перемещение судна через рабочую обмотку или перемещение рабочей обмотки вдоль продольной оси судна осуществляют на расстояние, не превышающее длину судна, перед началом перемещения интенсивность знакопеременного магнитного поля плавно повышают от нулевой до максимальной интенсивности, в процессе перемещения интенсивность знакопеременного магнитного поля поддерживают максимальной и неизменной, а после завершения перемещения интенсивность знакопеременного магнитного поля плавно снижают до нулевой интенсивности. В течение времени электромагнитной обработки компенсацию магнитного поля Земли осуществляют в объеме, размеры которого превышают основные размеры судна, а знакопеременное магнитное поле создают в рабочей обмотке, размер которой в направлении перемещения не превышает половины длины корпуса судна.
Способ обеспечивает уменьшение трудоемкости работ по размагничиванию судов с ферромагнитным корпусом и стоимости технологического оборудования, обеспечивающего процесс размагничивания (Патент RU 2583257 MПK B63G 9/06, H01F 13/00, опубликован 10.05.2016).
Известен способ защиты судов от неконтактных магнитных мин, реализуемый размагничивающим устройством судна путем создания компенсационного поля противоположного знака. Способ заключается в том, что сигналы с магнитометрических датчиков, закрепленных на корпусе судна, поступают в автоматический регулятор токов в обмотках размагничивающего устройства, который формирует управляющий сигнал, пропорциональный среднему значению намагниченности корпуса судна. Указанный сигнал управляет регулируемым источником электрического питания компенсационных секционированных обмоток размагничивающего устройства, в результате чего достигается непрерывная компенсация внешнего статического магнитного поля судна с высокой точностью. Технический результат - повышение не менее чем в 1,5 раза точности компенсации внешнего статического магнитного поля судна (Патент RU 2381139, МПК B63G 9/06, опубликован 10.02.2010).
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в расширении арсенала технических средств, обеспечивающих защиту объекта от магнитометрического обнаружения путем перевода ферромагнитного материала в кусочно-непрерывное знакопеременное периодическое намагниченное состояние.
Решение поставленной технической проблемы достигается способом защиты металлического ферромагнитного объекта от магнитометрического обнаружения путем перевода ферромагнитного материала, из которого изготовлен защищаемый объект, в знакопеременное периодическое намагниченное состояние, включающим установку на поверхности объекта элементов магнитной системы на постоянных магнитах с чередованием направления намагниченности с замыкающимся через корпус объекта магнитным потоком так, что напряженность магнитного поля, создаваемого элементами магнитной системы, обеспечивает значение намагниченности материала конструкции по меньшей мере в 2-3 раза выше, чем значение намагниченности, возникающей в материале объекта от воздействия внешнего магнитного поля, при этом суммарный магнитный момент установленной магнитной системы на постоянных магнитах минимален для данной конструкции объекта, а интегральный магнитный момент ферромагнитного объекта во внешнем магнитном поле с установленной магнитной системой по крайней мере в 3 раза ниже интегрального магнитного момента объекта без установленной магнитной системы, независимо от направления приложения внешнего магнитного поля. Внешнее магнитное поле представляет собой геомагнитное поле. Внешнее магнитное поле представляет поле, создаваемое электрической сетью объекта. Внешнее магнитное поле представляет собой поле, создаваемое магнитострикционной намагниченностью участков объекта, возникающей от механических нагрузок во время эксплуатации.
Изобретение решает проблему снижения интегрального магнитного момента металлических ферромагнитных объектов (конструкций) и не преследует цель размагнитить корпус объекта. Заявленный способ воздействует на ферромагнитный материал корпуса таким образом, чтобы свести к минимуму его магнитную восприимчивость к воздействию магнитных полей Земли, бортовых источников, магнитных полей, возникающих в материале в процессе движения и механических нагрузок.
Сущность изобретения заключается в периодическом намагничивании объекта из магнитомягкого материала (стали) с помощью постоянных магнитов для уменьшения его интегрального магнитного момента и затруднения обнаружения магнитометрическими методами.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где
на фиг. 1 схематично представлено распределение силовых линий магнитного поля в поперечной плоскости под воздействием поля земли,
на фиг. 2 - условное распределение силовых линий магнитного поля в поперечной плоскости при установленных в знакопеременном порядке постоянных магнитах,
на фиг 3 представлена схема эксперимента по намагничиванию стального куба при компенсирующем магнитном поле, приложенном перпендикулярно направлению намагничивания, где 1 - источник внешнего магнитного поля, 2 и 3 - источники перпендикулярно приложенного компенсирующего магнитного поля, 4 - объект эксперимента,
на фиг. 4 представлена схема эксперимента по изучению влияния установленных на внутреннюю поверхность ферромагнитного объекта постоянных магнитов на значение интегрального магнитного момента данного объекта во внешних магнитных полях, где 5 - измерительная обмотка катушки Гельмгольца, 6 - намагничивающая обмотка катушки Гельмгольца, 7 - ферромагнитный объект, 8 - микровеберметр Ф-192, 9 - источник постоянного тока,
на фиг. 5 представлен объект исследования, где 10 - цилиндрический стальной корпус, 11 - съемные стальные крышки, 12 - постоянные магниты,
на фиг. 6 - график экспериментальной зависимости интегрального магнитного момента объекта исследования от внешнего намагничивающего поля, направленного вдоль оси вращения объекта,
на фиг. 7 - график экспериментальной зависимости интегрального магнитного момента объекта исследования от внешнего намагничивающего поля, направленного перпендикулярно оси вращения объекта.
Схематично процесс намагничивания массивного ферромагнитного объекта представлен на фиг. 1. В случае, когда объект намагничивается вдоль наибольшего линейного размера полем Земли, тогда на одном торце концентрируется северный полюс, а на другом южный. Распределение силовых линий вокруг объекта носит бочкообразный характер.
Объект приобретает большой магнитный момент. Возмущение геомагнитного поля регистрируется на расстояниях, превосходящих размеры самого объекта.
При установке вдоль корпуса объекта постоянных магнитов со знакопеременным направлением намагничивания (фиг. 2), учитывая, что намагниченность является векторной величиной, интеграл магнитного момента по объему корпуса стремится к нулю.
Силовые линии магнитного поля прижмутся к поверхности корпуса. Возмущения магнитного поля при этом будут регистрироваться только на расстояниях, сравнимых с размерами участков с различной намагниченностью, что составляет тысячные доли от линейных размеров самого объекта. На значительных удалениях, порядка 0.1-1 от линейных размеров, собственное магнитное поле объекта так же стремится к нулю. Кроме того, если уровень намагниченности каждого локального участка близок к значениям насыщения, то магнитная восприимчивость материала стремится к нулю. Соответственно, ни геомагнитное поле, ни другие внешние источники с уровнем поля, меньшим, чем то, которое обеспечивают установленные магниты, не сможет оказать какого-либо ощутимого воздействия на намагниченность корпуса. Намагниченность корпуса знакопеременным полем тем самым сделает его квазинемагнитным. Причем направление воздействия внешнего поля при таком расположении постоянных магнитов не имеет значения.
На фиг. 3 приведена схема эксперимента, иллюстрирующего заявленный эффект слабой восприимчивости к внешнему магнитному полю от источника 1. Исследовано влияние компенсирующего магнитного поля, создаваемого вдоль оси X постоянными магнитами 2 и 3, приложенными непосредственно к образцу 4, на возможность намагничивания образца из стали 10864 ГОСТ 11036-75 внешним магнитным полем от источника вдоль оси Y для двух различных значений напряженности внешнего магнитного поля Н. Различные значения напряженности внешнего магнитного поля достигались за счет изменения расстояния до источника внешнего магнитного поля. Эксперимент проводился для двух значений расстояния, равными 102 и 72 мм, которым соответствовали напряженности внешнего магнитного поля вдоль оси Y 160 и 290 Э.
Измеренное значение напряженности магнитного поля в центре зазора между магнитами 2 и 3 в отсутствии источника внешнего магнитного поля и объекта составляет 2660 Э.
Контроль результатов осуществлялся путем измерения с помощью миллитесламетра ТПУ (зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под № 28134-04) значения составляющей вектора магнитной индукции вдоль оси Y на верхней грани образца в центре поверхности.
Измеренное значение индукции в контрольной точке на поверхности образца складывается из внешнего магнитного поля и составляющей от намагниченности образца во внешнем поле. Так, при значении напряженности внешнего магнитного поля 160 Э приращение значения магнитной индукции в контрольной точке составило 25-16=9 мТл (56%), а для значения напряженности внешнего магнитного поля 290 Э приращение значения магнитной индукции в контрольной точке составило 47-29=18 мТл (62%).
При приложении к образцу магнитного поля напряженностью 2660 Э в поперечном к внешнему полю направлении составляющая магнитной индукции от намагниченности образца исчезла, причем, для обоих рассматриваемых значений напряженности внешнего поля. Образец не намагнитился в направлении внешнего поля. Магнитный момент образца в направлении внешнего поля стал равен нулю.
Пример реализации изобретения проиллюстрирован экспериментом, проведенным на измерительной установке (фиг. 4). Установка представляет собой катушку Гельмгольца средним радиусом 200 мм, имеющую на одном каркасе как намагничивающие обмотки 6, подключенные к источнику постоянного тока 9 и создающие внешнее магнитное поле (по 60 витков медного провода), так и измерительные обмотки 5 (по 100 витков медного провода), подключенные к микровеберметру Ф-192 8. Намагничивающие и измерительные обмотки соосны. При проведении измерений объект исследования 7 размещался в центре катушки Гельмгольца. Измерения проводились как при параллельном положении оси вращения объекта геометрической оси катушки, так и при перпендикулярном.
Объект исследования (фиг. 5) изготовлен из стали 3 ГОСТ 1050-88 и представляет собой цилиндрический корпус 10 внешним диаметром 48 мм и толщиной стенки 2 мм, по обоим торцам которого крепятся съемные плоские крышки 11 толщиной 2 мм.
2
Геомагнитное поле напряженностью 0,4 Э, направленное вдоль оси объекта из стали 3, имеющего геометрические параметры, близкие к реальному (диаметр 8 м, длина 120 м, толщина стенки 14 мм), без установленных магнитов способно намагнитить стенки цилиндра до значений индукции в них 0,02 Тл (расчетное значение). Для достижения такого же значения намагниченности стенок нашего объекта последний был намагничен в постоянном электромагните. Контроль достигнутого уровня постоянной намагниченности производился с помощью измерительной установки путем измерения значения магнитного момента объекта, который должен соответствовать достигнутому уровню намагниченности и равен для нашего объекта 12 А*м (расчетное значение).
Для уменьшения магнитного момента объекта на внутреннюю поверхность цилиндра устанавливались постоянные магниты 12, имеющие типоразмер Д 5×3, изготовленные из редкоземельного материала КС-25ДЦ190 в количестве 60 штук (12 штук по окружности, 5 штук в ряд вдоль стенки), обеспечивающие в стенке цилиндра периодическое знакопеременное магнитное поле с расчетным уровнем индукции 0,06 Тл.
Как видно из результатов измерений, установка постоянных магнитов на внутреннюю поверхность объекта позволила как в случае приложенного вдоль оси вращения объекта внешнего магнитного поля (фиг. 6), так и в случае приложенного перпендикулярно оси вращения объекта внешнего магнитного поля (фиг. 7), уменьшить магнитный момент объекта более чем в 5 раз. При этом для достижения значения магнитного момента объекта в геомагнитном поле без установленных магнитов необходимо приложить внешнее поле напряженностью более чем уровень напряженности геомагнитного поля в 10 раз.
Таким образом, заявленная совокупность признаков обеспечивает защиту металлического ферромагнитного объекта от магнитометрического обнаружения путем перевода ферромагнитного материала, из которого изготовлен защищаемый объект, в знакопеременное периодическое намагниченное состояние.