潛艇分艙分區(qū)域總體電磁兼容性設(shè)計(jì)

熊 勇，臧 濤

(1. 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064；2. 海軍駐中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心軍事代表室，湖北 武漢 430064)

潛艇分艙分區(qū)域總體電磁兼容性設(shè)計(jì)

熊 勇1，臧 濤2

(1. 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064；2. 海軍駐中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心軍事代表室，湖北 武漢 430064)

總體電磁兼容性設(shè)計(jì)是潛艇總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接決定了潛艇總體設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。以往潛艇的總體電磁兼容性設(shè)計(jì)主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)，一方面容易導(dǎo)致潛艇平臺(tái)總體電磁兼容性的欠設(shè)計(jì)或者過(guò)設(shè)計(jì)；另一方面無(wú)法針對(duì)性的指導(dǎo)潛艇平臺(tái)指定區(qū)域新系統(tǒng)、設(shè)備的研制。相對(duì)于其他艦船平臺(tái)而言，潛艇平臺(tái)的電磁環(huán)境具有獨(dú)特的區(qū)域化分布特點(diǎn)。針對(duì)潛艇平臺(tái)這一特性，提出了潛艇分艙分區(qū)域總體電磁兼容性設(shè)計(jì)體系和流程，以及分艙分區(qū)域設(shè)計(jì)和控制程序，可為今后潛艇開展總體電磁兼容性設(shè)計(jì)提供參考。

電磁兼容；潛艇；分艙；分區(qū)域

0 引 言

電磁兼容性（EMC）是設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能夠一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。包括 2 個(gè)方面：一是設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，可按規(guī)定的安全裕度實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的工作性能，且不因電磁干擾而受損或產(chǎn)生不可接受的降級(jí)；二是設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中正常工作且不會(huì)給環(huán)境（或其他設(shè)備）帶來(lái)不可接受的電磁干擾[1]。

電磁兼容性是潛艇重要的總體性能指標(biāo)之一，其性能的好壞直接影響潛艇的作戰(zhàn)效能。在潛艇總體設(shè)計(jì)中，一方面要求減小電磁干擾，使?jié)撏е械碾姶鸥蓴_消除或者抑制到最低程度；另一方面是加強(qiáng)潛艇上各系統(tǒng)設(shè)備抵御外界影響、適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境的能力[2]。要達(dá)到這一目標(biāo)必須要有一個(gè)良好的總體電磁兼容性設(shè)計(jì)方法，可以說(shuō)總體電磁兼容性設(shè)計(jì)是潛艇總體設(shè)計(jì)重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其設(shè)計(jì)成敗直接決定了潛艇總體設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。

1 潛艇總體電磁兼容性設(shè)計(jì)

1.1 國(guó)內(nèi)潛艇總體電磁兼容性設(shè)計(jì)的發(fā)展概況

我國(guó)系統(tǒng)地開展?jié)撏Э傮w電磁兼容性設(shè)計(jì)始于 20世紀(jì) 90 年代，通過(guò)在型號(hào)工程中逐步開展電磁兼容性研究和總體設(shè)計(jì)工作，我國(guó)潛艇總體電磁兼容性設(shè)計(jì)技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，已經(jīng)跨過(guò)了“問題解決法”，完成了“標(biāo)準(zhǔn)控制法”，并在“系統(tǒng)分析法”的實(shí)踐基礎(chǔ)上提出了針對(duì)于潛艇平臺(tái)的“分艙分區(qū)域控制法”，保障了我國(guó)潛艇全壽命期的電磁兼容性。

然而我國(guó)潛艇總體電磁兼容性設(shè)計(jì)技術(shù)在理論研究、試驗(yàn)測(cè)試、標(biāo)準(zhǔn)制定、設(shè)計(jì)精度等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定差距。為使我國(guó)潛艇總體電磁兼容性設(shè)計(jì)技術(shù)達(dá)到甚至超越美、俄等發(fā)達(dá)國(guó)家水平，還需要開展大量的研究實(shí)踐工作。

1.2 存在的有關(guān)問題

以往潛艇的總體電磁兼容性設(shè)計(jì)以“標(biāo)準(zhǔn)控制法”為核心，即根據(jù)研制時(shí)所采用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，嚴(yán)格控制裝艇設(shè)備的電磁兼容性性能，這種方法較“問題解決法”先進(jìn)，大大降低了全工程的電磁兼容性風(fēng)險(xiǎn)。然而隨著技術(shù)的發(fā)展和工程的深化，這種方法的不足之處也逐漸顯現(xiàn)。

1）標(biāo)準(zhǔn)是從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中綜合提煉而提出的一種普遍性指標(biāo)，容易導(dǎo)致特定平臺(tái)電磁兼容性的欠設(shè)計(jì)或者過(guò)設(shè)計(jì)，降低全工程的效費(fèi)比。通過(guò)對(duì)型號(hào)工程中裝艇設(shè)備電磁兼容性檢測(cè)超標(biāo)問題處理情況的分析表明：裝艇設(shè)備個(gè)別檢測(cè)項(xiàng)目超標(biāo)不一定會(huì)導(dǎo)致總體電磁兼容性問題，而即使是全部檢測(cè)項(xiàng)目均達(dá)標(biāo)的裝艇設(shè)備也可能引發(fā)電磁干擾問題。

2）基于“標(biāo)準(zhǔn)控制法”的設(shè)計(jì)是一種共性化的設(shè)計(jì)，往往會(huì)忽視具體平臺(tái)、特定區(qū)域的電磁環(huán)境特性，針對(duì)性不夠強(qiáng)，無(wú)法針對(duì)性的指導(dǎo)該特定平臺(tái)或者指定區(qū)域的新系統(tǒng)和設(shè)備的研制。

1.3 潛艇平臺(tái)的電磁環(huán)境特點(diǎn)

由于鋼結(jié)構(gòu)對(duì)于電磁能量具有良好的屏蔽效果，所以對(duì)于潛艇平臺(tái)而言，耐壓殼體結(jié)構(gòu)可以極大地衰減電磁能量，對(duì)其內(nèi)外的電磁環(huán)境起到隔離作用，使得潛艇的艦面區(qū)域（耐壓殼體外部區(qū)域）和艙內(nèi)區(qū)域（耐壓殼體內(nèi)部區(qū)域）的電磁環(huán)境相對(duì)獨(dú)立；同時(shí)潛艇艙內(nèi)普遍采用隔斷分艙分層的設(shè)置，各種縱橫隔壁、平臺(tái)板以及周圍的耐壓殼體結(jié)構(gòu)的屏蔽作用使得各個(gè)隔斷艙、各個(gè)封閉艙室也形成了相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域電磁小環(huán)境。綜上所述，相對(duì)于其他艦船平臺(tái)而言，潛艇平臺(tái)的電磁環(huán)境具有區(qū)域化分布的特點(diǎn)。

潛艇平臺(tái)的區(qū)域電磁環(huán)境特點(diǎn)如下[2]：

1）艦面區(qū)域：各種射頻天線集中布置。區(qū)域內(nèi)輻射型電磁環(huán)境十分惡劣，需重點(diǎn)解決區(qū)域內(nèi)電子設(shè)備的輻射型電磁干擾問題，并有效控制區(qū)域內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)的射頻輻射電場(chǎng)環(huán)境。

2）艙內(nèi)動(dòng)力系統(tǒng)/發(fā)電變電設(shè)備布置區(qū)域：各種大功率電力電子變換設(shè)備集中布置。區(qū)域內(nèi)傳導(dǎo)型電磁環(huán)境十分惡劣，需重點(diǎn)保障區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)設(shè)備的自兼容，并有效控制傳導(dǎo)型電磁干擾通過(guò)電纜傳導(dǎo)耦合和地電流傳導(dǎo)耦合方式對(duì)其他區(qū)域設(shè)備的影響。

3）艙內(nèi)電子敏感設(shè)備布置區(qū)域：各種敏感的電子設(shè)備集中布置。區(qū)域內(nèi)電磁環(huán)境較好，需重點(diǎn)保障區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)設(shè)備的自兼容，并有效控制外部產(chǎn)生的傳導(dǎo)型電磁干擾通過(guò)電纜傳導(dǎo)耦合和地電流傳導(dǎo)耦合方式對(duì)該區(qū)域設(shè)備的影響。

2 潛艇分艙分區(qū)域總體電磁兼容性設(shè)計(jì)

在總結(jié)潛艇總體電磁兼容性設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)潛艇平臺(tái)電磁環(huán)境區(qū)域化分布的特點(diǎn)，提出了一種個(gè)性化的分艙分區(qū)域總體電磁兼容性設(shè)計(jì)方案，并形成了初步的分艙分區(qū)域總體電磁兼容性設(shè)計(jì)體系和流程，以及設(shè)計(jì)程序和控制指南，同時(shí)借助于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、半實(shí)物仿真技術(shù)和模實(shí)試驗(yàn)技術(shù)，在總體設(shè)計(jì)階段對(duì)電磁兼容性設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證、評(píng)估和迭代，可以有效提升潛艇總體電磁兼容性設(shè)計(jì)的精度和效率，也可為今后潛艇開展總體電磁兼容性設(shè)計(jì)工作提供參考。

2.1 分艙分區(qū)域總體電磁兼容性設(shè)計(jì)體系和流程

在潛艇立項(xiàng)論證階段對(duì)其作戰(zhàn)需求和設(shè)備配置情況進(jìn)行充分論證，提出該型潛艇總體電磁兼容性指標(biāo)和要求。

在總體設(shè)計(jì)初期即開展電磁兼容性設(shè)計(jì)與控制工作，做好頂層規(guī)劃，并制定總體電磁兼容性控制措施。根據(jù)總布置中的艙室劃分和相關(guān)設(shè)備的電磁兼容特性，對(duì)艙室電磁環(huán)境進(jìn)行預(yù)估，從而對(duì)總體電磁兼容性設(shè)計(jì)區(qū)域進(jìn)行初步劃分，并隨著設(shè)計(jì)階段的深入，不斷調(diào)整和優(yōu)化。

在開始進(jìn)行總體設(shè)計(jì)時(shí)就進(jìn)行系統(tǒng)的精細(xì)化控制，將總體電磁兼容性指標(biāo)進(jìn)行逐級(jí)分解，將總體電磁環(huán)境指標(biāo)要求分解到全艇劃分好的各個(gè)設(shè)備布置區(qū)域，分配到這些設(shè)備布置區(qū)域中的有關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備。

在有關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備的研制中開展電磁兼容性設(shè)計(jì)，確定系統(tǒng)和設(shè)備的電磁兼容性指標(biāo)，并在系統(tǒng)、設(shè)備的技術(shù)規(guī)格書中予以明確，作為出廠檢驗(yàn)的一項(xiàng)考核指標(biāo)。

將電磁兼容性控制落實(shí)到設(shè)計(jì)和建造的各個(gè)階段以及潛艇總體設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，從總布置、電氣設(shè)備和電子武備等方面系統(tǒng)的控制全艇的電磁兼容性。

潛艇分艙分區(qū)域總體電磁兼容性設(shè)計(jì)體系和流程如圖1 所示。

圖1 分艙分區(qū)域總體電磁兼容性設(shè)計(jì)體系和流程圖Fig. 1 Flow chart of general design of electromagnetic compatibility utilizing subdivision and zoning

2.2 分艙分區(qū)域總體電磁兼容性設(shè)計(jì)和控制程序

潛艇的總體電磁兼容性涉及到總布置、電氣設(shè)備、電子武備以及施工工藝等諸多方面。在總體設(shè)計(jì)中，應(yīng)體現(xiàn)電磁兼容性設(shè)計(jì)的要求，并將總體電磁兼容性控制措施融入到每個(gè)階段的設(shè)計(jì)中。

潛艇分艙分區(qū)域總體電磁兼容性設(shè)計(jì)一般應(yīng)經(jīng)歷以下幾個(gè)階段，如圖2 所示。

1）在方案論證階段，開展總體電磁兼容性頂層研究，確定總體電磁兼容性指標(biāo)。

全艇電磁兼容性指標(biāo)主要依據(jù)潛艇的作戰(zhàn)使用性能、母型艇的電磁兼容特性以及電磁兼容新技術(shù)的應(yīng)用情況等統(tǒng)籌考慮確定。

2）在方案設(shè)計(jì)階段，確定分艙分區(qū)域總體電磁兼容性設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行控制指標(biāo)的分解和分配。

結(jié)合方案設(shè)計(jì)階段的總布置情況以及相關(guān)設(shè)備的電磁兼容特性制定總體電磁兼容性控制方案，重點(diǎn)利用計(jì)算機(jī)仿真等方法對(duì)各艙室或特定區(qū)域的電磁環(huán)境進(jìn)行預(yù)估，初步劃分設(shè)計(jì)區(qū)域，進(jìn)行電磁兼容性要求的分解，完成各艙室或特定區(qū)域布置設(shè)備電磁兼容性指標(biāo)的分配。

3）在技術(shù)設(shè)計(jì)階段，通過(guò)設(shè)計(jì)驗(yàn)證手段，固化總體電磁兼容性設(shè)計(jì)方案。

重點(diǎn)利用半實(shí)物仿真和模實(shí)試驗(yàn)等技術(shù)手段對(duì)總體電磁兼容性設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估，通過(guò)不斷優(yōu)化調(diào)整方案，最終形成總體電磁兼容性設(shè)計(jì)方案，完成各艙室或特定區(qū)域布置設(shè)備電磁兼容性要求的制定，并落實(shí)到系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)。

4）在施工設(shè)計(jì)階段，編制相應(yīng)的施工圖紙、文件，將各項(xiàng)電磁兼容性控制措施落實(shí)到施工文件中。

5）在施工配建階段，提出總體電磁兼容性施工工藝要求，控制電磁兼容性施工質(zhì)量。

主要針對(duì)船廠的施工建造提出電磁兼容性施工工藝要求，確?？傮w電磁兼容性設(shè)計(jì)方案中的各種措施、技術(shù)手段落實(shí)在船廠的施工建造中。

6）在試驗(yàn)試航階段，開展系泊、航行試驗(yàn)檢測(cè)，考核設(shè)計(jì)結(jié)果，進(jìn)行技術(shù)總結(jié)分析。

2.3 艙室/區(qū)域電磁兼容性指標(biāo)的分解

區(qū)域電磁環(huán)境的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于特定區(qū)域（特別是相似的區(qū)域）給出了選用和裁剪的技術(shù)依據(jù)。各艙室/特定區(qū)域安裝布置的電子、電氣設(shè)備的電磁兼容性指標(biāo)應(yīng)在全艇總體電磁兼容性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合母型艇各特定區(qū)域的實(shí)測(cè)電磁環(huán)境數(shù)據(jù)、相關(guān)的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及該區(qū)域電磁環(huán)境的仿真結(jié)果，從設(shè)備布置位置、配電方式等方面綜合分析合理剪裁，針對(duì)性地選擇發(fā)射類和敏感類檢測(cè)項(xiàng)目，針對(duì)性地選擇維持、放寬、或者加嚴(yán)相關(guān)考核限值。

2.4 計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真

隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用仿真技術(shù)對(duì)潛艇平臺(tái)各艙室/特定區(qū)域的電磁環(huán)境進(jìn)行數(shù)值仿真得以實(shí)現(xiàn)。區(qū)域電磁環(huán)境的計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真作為獲取潛艇平臺(tái)艙室電磁環(huán)境特性數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)方案可行性的重要工具，是潛艇總體電磁兼容性設(shè)計(jì)的重要技術(shù)手段之一，能在總體設(shè)計(jì)前期以較小的成本實(shí)現(xiàn)對(duì)總體電磁兼容性初步設(shè)計(jì)方案的評(píng)估，能對(duì)潛艇電磁兼容性風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，有針對(duì)性的為總體電磁兼容性設(shè)計(jì)方案提供調(diào)整的依據(jù)。根據(jù)潛艇平臺(tái)的電尺寸范圍和電磁環(huán)境特點(diǎn)，目前計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真方法通常采用全波方法和傳輸線法相結(jié)合的方式進(jìn)行。

2.5 半實(shí)物仿真和模實(shí)試驗(yàn)

對(duì)于潛艇平臺(tái)而言，大量的電子電氣設(shè)備密集布置、不同類型和用途的電纜集中敷設(shè)，僅僅采用理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真的設(shè)計(jì)驗(yàn)證手段在總體電磁兼容性控制上存在一定的不足之處，而試驗(yàn)驗(yàn)證則是最好的設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法。

全實(shí)物試驗(yàn)代價(jià)比較高昂，而且往往無(wú)法滿足設(shè)計(jì)進(jìn)度的要求，而半實(shí)物仿真試驗(yàn)只模擬設(shè)備的電磁兼容特性，無(wú)需模擬設(shè)備的功能特性，可以大大降低試驗(yàn)成本，縮短試驗(yàn)周期。

模實(shí)試驗(yàn)，通過(guò)干擾模擬及系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)調(diào)，掌握潛艇特定艙室內(nèi)各設(shè)備安裝情況下的干擾特性，預(yù)報(bào)可能出現(xiàn)的電磁兼容問題，并對(duì)干擾抑制措施進(jìn)行驗(yàn)證。

半實(shí)物仿真試驗(yàn)和模實(shí)試驗(yàn)方法可以應(yīng)用于潛艇的總體電磁兼容性設(shè)計(jì)驗(yàn)證中，對(duì)各設(shè)計(jì)階段不斷進(jìn)行迭代驗(yàn)證，以化解總體電磁兼容性風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 分艙分區(qū)域總體電磁兼容性設(shè)計(jì)和控制流程圖Fig. 2 Flow chart of design and control of electromagnetic compatibility utilizing subdivision and zoning

3 結(jié) 語(yǔ)

潛艇的總體電磁兼容性設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它貫穿于總體設(shè)計(jì)、設(shè)備研制生產(chǎn)、陸上聯(lián)調(diào)對(duì)接、船廠建造總裝、試驗(yàn)試航服役的全過(guò)程。

分艙分區(qū)域電磁兼容性設(shè)計(jì)方法是一種針對(duì)潛艇平臺(tái)電磁環(huán)境區(qū)域化分布特點(diǎn)而提出的一種個(gè)性化總體電磁兼容性設(shè)計(jì)方案，能夠用于指導(dǎo)潛艇的總體電磁兼容性設(shè)計(jì)，有效提升潛艇總體電磁兼容性設(shè)計(jì)的精度和效率，從而極大地降低總體電磁兼容性風(fēng)險(xiǎn)，確保設(shè)計(jì)成功。

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General design of electromagnetic compatibility utilizing subdivision and zoning for submarine

XIONG Yong1, ZANG Tao2
(1. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2. Navalmilitary Representative Office in China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

The general design of electromagnetic compatibility isacore stage in the overall design of submarine, and the design quality determines the overall performance. In the past, the general design of electromagnetic compatibility for submarine is based on standard and experience, whichmay caused over design or under design, and failed to well-targeted guided the developing of new systems and equipment in certain platforms or given areas. Compared with other platforms of warship, the platformof submarine has the unique characteristic of regional distribution of electromagnetic environment, the author puts forwardasystemof electromagnetic compatibility design of submarine utilizing subdivision and zoning andadetailed electromagnetic compatibility design procedure,meanwhile this articlemay serve asareference for subsequent submarine design.

electromagnetic compatibility；submarine；subdivision；zoning

TM15

：A

1672 - 7619(2016)10 - 0121 - 04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.010.024

2016 - 01 - 14；

2016 - 07 - 08

熊勇(1982 - )，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)闈撏Э傮w電磁兼容性設(shè)計(jì)。