Nghiên cứu, tính toán từ trường Trái Đất để ứng dụng cho thiết bị tiêu từ trên tàu quân sự

Bài viết trình bày phương pháp tính toán từ trường Trái Đất để ứng dụng cho hệ thống tiêu từ trên tàu quân sự. Xây dựng chương trình phần mềm tính toán từ trường Trái Đất cho hệ thống tiêu từ trên tàu. Tập trung nghiên cứu sâu về cách thức tính toán đang được áp dụng rộng rãi hiện nay để tính toán từ trường cho hệ thống tiêu từ. Từ những nghiên cứu này là cơ sở quan trọng để thiết kế hệ thống tiêu từ cho tàu quân sự.

Thơng tin khoa học cơng nghệ Nghiên cứu, tính tốn từ trường Trái Đất để ứng dụng cho thiết bị tiêu từ tàu quân Hà Hồng Quang* Viện Cơng nghệ/Tổng cục Cơng nghiệp Quốc phịng *Email: hhq82vn@gmail.com Nhận ngày 10/12/2021; Hoàn thiện ngày 27/01/2022; Chấp nhận đăng ngày 14/02/2022 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.77.2022.180-184 TĨM TẮT Bài báo trình bày phương pháp tính tốn từ trường Trái Đất để ứng dụng cho hệ thống tiêu từ tàu quân Xây dựng chương trình phần mềm tính tốn từ trường Trái Đất cho hệ thống tiêu từ tàu Tập trung nghiên cứu sâu cách thức tính tốn áp dụng rộng rãi để tính tốn từ trường cho hệ thống tiêu từ Từ nghiên cứu sở quan trọng để thiết kế hệ thống tiêu từ cho tàu quân Từ khóa: Từ trường Trái Đất; Thiết bị tiêu từ cho tàu; Tính tốn từ trường Trái Đất MỞ ĐẦU Để đảm bảo an toàn cho tàu quân hoạt động vùng có bố trí thủy lơi bãi vật cản trang bị ngòi từ trường cảm biến dò từ trường phải khử từ cho tàu để giảm từ trường môi trường xung quanh tàu so mơi trường vị trí khơng có tàu Việc bố trí thiết bị tiêu từ tàu để khử từ trường cảm ứng tàu để giảm nguy phát nổ thủy lôi tránh phát đầu dị từ trường ngư lơi vơ quan trọng việc bảo đảm an tồn cho tàu quân Mục đích báo giới thiệu mơ hình tính tốn từ trường Trái Đất nhằm chuẩn bị cho phân tích kĩ phương pháp khử từ cho tàu quân NỘI DUNG Có thể nói từ trường Trái Đất trường từ xuất tính chất từ vật chất Trái Đất hợp thành tạo Từ trường Trái Đất tồn từ lòng Trái Đất đến không gian rộng lớn bao quanh Trái Đất Từ trường Trái Đất coi lưỡng cực từ trường, với cực gần cực bắc địa lý cực gần cực nam địa lý Có thể coi đường thẳng nối hai cực tạo thành góc khoảng 11,3° so với trục quay Trái Đất dao động khoảng 0,2 độ/năm Về mặt tổng thể từ trường Trái Đất mô từ trường xung quanh cầu nhiễm từ, lưỡng cực nghiêng hình Hình Cực tính từ trường Trái Đất Cường độ cảm ứng từ bề mặt Trái Đất thay đổi từ xấp xỉ 30000 nT gần xích đạo đến 60000 nT gần hai cực Đặc biệt, có vùng cường độ thấp trải dài vĩ độ 50 độ Nam đến đường Xích đạo kinh độ từ 90 độ Tây đến 45 độ Đông biết đến Vùng Dị thường Nam 180 Hà Hồng Quang, “Nghiên cứu, tính tốn từ trường Trái Đất để ứng dụng … tàu quân sự.” Thông tin khoa học công nghệ Đại Tây Dương Một vùng Dị thường cao 10 độ Bắc 100 độ Đông, hai vùng cho thấy khơng trục từ bị nghiêng, mà cịn không hẳn xuyên qua tâm Trái Đất [1] Hiện nay, giới sử dụng phổ biến hai mơ hình tính từ trường, là: ❖ Mơ hình trường quốc tế (IGRF- international Geophysical Reference Field) Hội Địa từ Cao không quốc tế (IAGA) thông qua ❖ Mô hình trường tồn cầu (WMM-World Magnctic Model) Cục Địa chất Mỹ Cục địa chất Anh xây dựng 2.1 Tính thành phần trường từ Trái đất Tương tự phương pháp phân tích điều hồ cầu, kể tới phần trường có nguồn gốc bên ngồi Trái đất, biểu thức có dạng gây sau: Kint  RE  V (r , , ) = RE   k =0 m =0  r  k  nk ( m ) +1 ( Pnmk ( m ) (cos ) g kmi cos ( m ) + hkmi sin ( m ) ) (1) nk ( m )  r  m me me + RE Pnk ( m ) (cos ) g k cos ( m ) + hk sin ( m )   k =1 m =  RE  Trong biểu diễn chuỗi thứ ứng với phần trường nguồn gốc bên trong, số thứ hai ứng với phần trường có nguồn gốc bên ngồi, nghĩa K int bậc khai triển ứng với nguồn bên K ext bậc khai triển ứng với nguồn bên Các thành phần trường từ xác định từ biểu thức V qua đạo hàm tương ứng Thành phần bắc X, đông Y thành phần thẳng đứng Z, thành phần nằm ngang H xác định sau: Kext ( k  k int V (r , , )  RE  X =− = RE   r  k =1 m =  r  K   r  + RE   k =1 m =1  RE  K ext k  nk ( m ) −1 dPnmk ( m ) (cos ) d nk ( m ) + (g K   r  + RE   k =1 m =1  RE  k  Z =− nk ( m ) −1 V (r , ,  ) r  r  + RE    k =1 m =1  RE  K ext k mPnmk ( m ) (cos ) sin  = RE K int  m nk ( m ) P ( (cos  ) g me k (g mPnmk ( m ) (cos ) sin  me k mi k cos ( m ) + hkmi sin ( m ) cos ( m ) + hkme sin ( m ) (g mi k nk ( m ) + ( ) ) ) (3) ) Pnm( m ) (cos  ) g kmi cos ( m ) + hkmi sin ( m ) k (2) cos ( m ) − hkmi sin ( m ) cos ( m ) − hkme cos ( m )  RE    r  (nk (m) + 1)  k =1 m = nk ( m ) −1 me k nk ( m ) + (g k dPnmk ( m ) (cos ) d k int V (r , ,  )  RE  Y= = RE   r sin   k =1 m =  r  K ext ) ) (4) cos ( m ) + h sin ( m ) me k H = X +Y2 ) (5) với gkmi , hkmi , g kme , hkme hệ số khai triển chỏm cầu tương ứng với thành phần trường nguồn gốc bên bên Từ thành phần trực giao (X, Y, Z) hồn tồn tính thành phần trường tổng T, độ từ thiên D độ từ khuynh I Bậc cực đại chuỗi khai triển K int xác định bước sóng quan sát bề mặt Trái Đất biểu diễn mơ hình với hài điều hồ bậc n hiểu đơn giản tỷ số chu Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 77, 02 - 2022 181 Thông tin khoa học công nghệ vi Trái Đất bậc hài điều hồ Độ dài bước sóng phương pháp phân tích điều hồ cầu bậc n xác định  = 3600 n hay bề mặt Trái Đất 40.000km/n Khi đó, bước sóng nhỏ mơ hình min giá trị cực đại K int xác định sau: Kint = 0  3600  + −  900  min  2.2 Cơ sở khử từ trường tác động lên tàu quân Sắt thép tàu gồm sắt từ cứng sắt từ mềm Vật liệu sắt thép tàu bị từ hóa từ trường trái đất tạo nên từ trường tàu Từ trường tàu làm thay đổi từ trường trái đất xung quanh tàu Các nhà khoa học người Anh nghiên cứu phát triển ngịi nổ cho thủy lơi dựa thay đổi từ trường tàu qua để kích nổ từ trước chiến tranh giới lần thứ sau phát xít Đức lại người phát triển ứng dụng thành cơng ngịi từ trường cho thủy lơi Phát xít Đức đánh đắm nhiều tàu Hải quân Pháp Hồng gia Anh thủy lơi có ngịi cảm ứng từ trường Những thiết bị tiêu từ cho tàu đời từ nghiên cứu bảo vệ tàu khỏi thủy lơi ngư lơi có ngịi cảm ứng từ trường nhà khoa học А.П Александров Bài toán đặt nhà khoa học Liên Xô lúc phải bảo vệ tàu hạm đội khỏi thủy lôi ngư lơi đó, thí nghiệm thực từ năm 1936 phịng thí nghiệm.[2] Các nghiên cứu để khử từ trường vĩnh cửu tàu sử dụng dịng điện xoay chiều tần số cao có cường độ giảm dần theo hàm số mũ để khử từ trường cảm ứng tàu sử dụng dịng điện chiều cuộn dây tiêu từ tạo từ trường ngược với từ trường bị nhiễm Từ hai phương pháp đời hai dòng thiết bị tiêu từ cho tàu quân gồm: Trạm khử từ bờ thiết bị tiêu từ tàu 2.3 Phương pháp khử từ trường cảm ứng cho tàu Để khử từ trường cảm ứng cho tàu người ta bố trí thiết bị khử từ tàu để cung cấp dòng điện chiều có giá trị dấu phù hợp cho cuộn dây tiêu từ tàu Trên tàu bố trí cuộn dây tiêu từ cuộn dây hướng sườn, cuộn dây hướng mặt cắt dọc cuộn dây hướng mặt phẳng nằm ngang tàu Hình Bố trí cuộn I dạng từ trường khử từ Hình Bố trí cuộn II dạng từ trường khử từ 182 Hà Hồng Quang, “Nghiên cứu, tính tốn từ trường Trái Đất để ứng dụng … tàu quân sự.” Thông tin khoa học cơng nghệ Hình Bố trí cuộn III dạng từ trường khử từ Về mặt cấu trúc, cuộn dây hướng mặt phẳng nằm ngang (Cuộn dây III) bố trí theo phương nằm ngang, song song với mặt nước Đây cuộn dây dùng để khử thành phần từ → trường thẳng đứng tàu ZT Giá trị từ trường điều chỉnh nhờ điều chỉnh dòng điện chạy cuộn dây, phù hợp với vị trí tàu theo vĩ độ trái đất, không phụ thuộc vào hướng di chuyển tàu Cuộn dây thứ hai cuộn dây hướng mặt cắt dọc (Cuộn dây II) bố trí song song với → mạn tàu để khử thành phần từ trường X T từ trường tàu Giá trị từ trường điều chỉnh nhờ điều chỉnh dòng điện chạy cuộn dây, phù hợp theo hướng đi, vị trí toạ độ tàu độ nghiêng lệch Cuộn dây thứ ba cuộn dây hướng sườn (Cuộn dây I) bố trí song song với sườn tàu → dùng để khử thành phần từ trường YT từ trường tàu Giá trị từ trường điều chỉnh nhờ điều chỉnh dòng điện chạy cuộn dây, phù hợp theo hướng đi, vị trí toạ độ tàu độ nghiêng lệch Các cuộn dây tiêu từ thường chia thành nhiều phần nối tiếp dọc theo tàu Mỗi phần thường có từ đến vịng dây đấu nối tiếp thơng qua hộp đấu dây bố trí vách ngăn kín nước tàu nhằm làm tăng hiệu khử từ tàu CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT Trong việc nghiên cứu tính tốn, chế tạo hệ thống tiêu từ cho tàu quân việc nghiên cứu viết phần mềm tính tốn từ trường trái đất cho hệ thống tiêu từ quan trọng Hiện có số chương trình mẫu để tham khảo việc viết chương trình tối ưu hóa cần phải có nghiên cứu thử nghiệm nhiều Trong phạm vi báo tác giả viết chương trình tối ưu hóa chương trình trình soạn thảo biên dịch qt để chương trình chạy nhiều tảng khác để ứng dụng cụ thể vào việc nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống tiêu từ cho tàu quân Hình Giao diện phần mềm tính tốn từ trường Trái Đất Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 77, 02 - 2022 183 Thông tin khoa học công nghệ Nghiên cứu đưa kết giới hạn kinh tuyến từ 900E đến 1300E theo vĩ tuyến từ 150S đến 250N, với diện tích bao gồm tồn phần đất liền vùng biển Việt Nam nước lân cận Thái Lan, Malaysia, Philipin, Indonesia,… Nhóm nghiên cứu so sánh kết tính tốn với kết có cơng bố từ trang web tính từ trường online Cơ quan khảo sát địa chất Anh từ trang web tính từ trường online tính trạm đo từ trường Moscow Và thấy phần mềm tính tốn nhóm nghiên cứu viết trung khớp kết với kết công bố Trên sở tính tốn từ trường Trái Đất vị trí tàu làm sở để tính tốn cấp dịng điện cho cuộn dây tiêu từ Cấp dòng điện chiều cho cuộn dây tiêu từ phụ thuộc nhiều yếu tố phân thành nhóm yếu tố Nhóm phụ thuộc vào vị trí tàu, hướng chuyển động tàu độ nghiêng lắc tàu Nhóm yếu tố kết cấu tàu, trang thiết bị vũ khí khí tài bố trí tàu Nhóm nghiên cứu tập trung nghiên cứu hai nhóm tàu tàu TT400-TP tàu M có trang bị để so sánh khác việc cấp dòng cho cuộn dây tiêu từ để khử từ KẾT LUẬN Khi tính tốn từ trường Trái Đất dựa theo mơ hình IGRF làm sở để đưa vào tính toán cho thiết bị tiêu từ nhận thấy kết tính tốn nhóm nghiên cứu kết tính tốn trực tuyến cơng bố mạng internet tương đồng Bài báo đưa mơ hình khả thi để tính tốn từ trường Trái đất cho hệ thống tiêu từ để từ đưa phương án tính tốn dịng cho cuộn dây tiêu từ để giảm từ trường tàu làm cho tàu an toàn di chuyển vùng có bố trí thủy lơi thiết bị nổ có ngịi từ trường TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kristin L Makovec “A nonlinear magnetic controller for three-axis stability of nanosatellites” Master’s thesis, Virginia Tech, July 201 [2] В Н Пархоменко Военно-морской инженерный институт (филиал) ВУНЦ ВМФ «Военноморская академия», 2012 ABSTRACT Research and calculation of the Earth's magnetic field for degaussing systems on military ships The article highlights computational methods of the Earth’s magnetic field for the degaussing systems on military ships A software system is designed for measuring the Earth’s magnetic field for aboard magnetic emission systems Concentrating on in-depth studies about calculation methods that are widely being applied for determining magnetic field for degaussing systems These researches are the most vital foundation for a degaussing system design on military ships Keywords: Earth's magnetic field; The degaussing system for ships; Calculate Earth's magnetic field 184 Hà Hồng Quang, “Nghiên cứu, tính tốn từ trường Trái Đất để ứng dụng … tàu quân sự.” ... gồm sắt từ cứng sắt từ mềm Vật liệu sắt thép tàu bị từ hóa từ trường trái đất tạo nên từ trường tàu Từ trường tàu làm thay đổi từ trường trái đất xung quanh tàu Các nhà khoa học người Anh nghiên. .. mũ để khử từ trường cảm ứng tàu sử dụng dòng điện chiều cuộn dây tiêu từ tạo từ trường ngược với từ trường bị nhiễm Từ hai phương pháp đời hai dòng thiết bị tiêu từ cho tàu quân gồm: Trạm khử từ. .. bờ thiết bị tiêu từ tàu 2.3 Phương pháp khử từ trường cảm ứng cho tàu Để khử từ trường cảm ứng cho tàu người ta bố trí thiết bị khử từ tàu để cung cấp dịng điện chiều có giá trị dấu phù hợp cho