Nghiên cứu xác định dấu vết từ trường của một số mô hình vỏ tàu sắt từ

Bài viết sẽ tập trung vào tính toán và mô phỏng mô hình vỏ tàu hình cầu và hình cầu kéo dài, sử dụng kết hợp 3 phương pháp: giải tích, phần tử hữu hạn và bán giải tích, để đưa ra các nhận xét và đánh giá sơ bộ về đặc điểm, xu hướng dấu vết từ trường; đánh giá hiệu quả và khả năng vận dụng trong các nghiên cứu về phát hiện và tàng hình từ trường cho các tàu mặt nước và tàu ngầm.

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH DẤU VẾT TỪ TRƯỜNG CỦA MỘT SỐ MƠ HÌNH VỎ TÀU SẮT TỪ Trịnh Đình Cường1, Đỗ Đình Dương2, Vũ Lê Hà1, Đỗ Thị Hương Giang3, Phùng Anh Tuấn2* Tóm tắt: Ngày nay, tàu mặt nước tàu ngầm chế tạo vật liệu sắt từ, nên chúng dễ bị đối phương “nhìn thấy” dấu vết từ trường hoạt động biển Do đó, việc nghiên cứu phương pháp, kỹ thuật để phân tích, xác định khử dấu vết từ trường vấn đề cần thiết, cấp bách mang tính thời Tuy nhiên, việc xác định dấu vết từ trường cho tàu thực tế phức tạp yêu cầu khối lượng tính tốn lớn Chính vậy, người ta thường nghiên cứu mơ hình có cấu trúc tương đương với hình dạng vỏ tàu thực tế Với mục đích đó, báo tập trung vào tính tốn mơ mơ hình vỏ tàu hình cầu hình cầu kéo dài, sử dụng kết hợp phương pháp: giải tích, phần tử hữu hạn bán giải tích, để đưa nhận xét đánh giá sơ đặc điểm, xu hướng dấu vết từ trường; đánh giá hiệu khả vận dụng nghiên cứu phát tàng hình từ trường cho tàu mặt nước tàu ngầm Từ khóa: Trường điện từ; Mơ hình vỏ tàu sắt từ; Ansys Maxwell; Dấu vết từ trường; Bán giải tích; Phương pháp phần tử hữu hạn ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, tàu mặt nước tàu ngầm phát sớm hệ thống Phát từ trường dị thường đối phương thông qua việc đánh giá thay đổi từ trường cục từ trường ban đầu có xuất chúng [4, 5, 6] Tất thông tin liên quan đến từ trường bất thường tàu mặt nước tàu ngầm gọi chung dấu vết từ trường tàu Đây nguyên nhân làm cho tàu bị phát khoảng cách xa làm cho tàu phải đối diện với mối nguy hiểm từ đối phương Khi tác chiến biển, tàu quân thường sử dụng loại thiết bị chun dụng có tích hợp nhiều hệ thống cảm biến, có cảm biến từ trường với độ nhạy cao kết hợp với cơng nghệ điện tử tiên tiến để dị tìm, theo dõi nhận dạng tàu quân đối phương diện biển Do đó, để thực tốt việc xác định tàu đối phương đảm bảo an tồn, bí mật cho tàu qn mình, cần phải thực nghiên cứu, khảo sát, đo đạc, phân tích đánh giá dấu vết từ trường này, để làm sở cho nghiên cứu, thiết kế chế tạo tàu quân nước với khả khử từ trường tốt Trong thực tế, việc đo đạc, tính tốn đánh giá xác dấu vết từ trường tàu quân phương pháp giải tích khó thực cấu trúc phức tạp khả tàng hình từ tàu [3], đồng thời phụ thuộc nhiều vào nguyên nhân gây dấu vết [1] Thông thường, dấu vết từ trường tàu thường tính tốn dựa mơ hình vỏ tàu tương đương, mơ hình tỷ lệ vật lý, mơ hình số mơ hình giải tích, để giảm chi phí thời gian thực Thực tế cho thấy, [3] giai đoạn đầu nghiên cứu dấu vết từ trường tàu mặt nước tàu ngầm thường dựa mơ hình vỏ tàu hình cầu, hình cầu dài hình kết hợp, tương đồng hình dạng cấu trúc vỏ tàu sắt từ Hiện nay, nhiều công cụ chuyên dụng dùng để nghiên cứu dấu vết từ trường tàu như: Phần mềm phần tử hữu hạn OPERA với gói phân tích TOSCA [2], sử dụng rộng rãi để nghiên cứu dấu vết từ cảm ứng, biện pháp đối phó mìn cảm ứng từ; Phần mềm 80 T Đ Cường, …, P A Tuấn, “Nghiên cứu xác định dấu vết … mơ hình vỏ tàu sắt từ.” Nghiên cứu khoa học công nghệ phần tử hữu hạn FLUX2D&3D áp dụng để nghiên cứu dấu vết từ tàu khu trục lớp La Fayette hệ thống cuộn dây khử từ hệ thống DATASSIM Phịng thí nghiệm từ tính CETEB, Pháp [2]; Phần mềm ODMR nghiên cứu đo dấu vết từ khử từ trường Đức [4],… Trong phạm vi nghiên cứu này, báo thực việc tính tốn, mơ phân tích, đánh giá phân bố từ trường số hình dạng vỏ tàu sắt từ phương pháp giải tích, phương pháp phần tử hữu hạn phương pháp bán giải tích TÍNH TỐN TỪ TRƯỜNG CỦA MƠ HÌNH VỎ TÀU HÌNH CẦU VÀ HÌNH CẦU KÉO DÀI Tất các lý thuyết phương pháp mơ hình hóa liên quan từ trường bắt nguồn từ hệ phương trình Maxwell luật trạng thái Theo đó, giá trị từ trường thường biểu diễn thông qua gradient vô hướng từ , xác định cách giải phương trình Laplace [3] sau: (1) Đối với tốn mơ hình hóa vỏ tàu sắt từ, phương trình Laplace giải hệ tọa độ cầu hệ tọa độ cầu kéo dài 2.1 Tính tốn với mơ hình vỏ tàu hình cầu Xét vỏ tàu hình cầu hình 1, có bán kính ngồi a b, làm vật liệu sắt từ có độ từ thẩm μ (vùng II), môi trường bên (vùng I) bên ngồi (vùng III) vỏ tầu chân khơng Tồn vỏ tàu hình cầu đặt từ trường có hướng dọc theo trục z Hình Mơ hình vỏ tàu hình cầu Với hệ tọa độ cầu, [3] phương trình Laplace có dạng sau: (2) Giải phương trình Laplace tính cường độ từ trường theo trục bên ngồi mơ hình vỏ tàu hình cầu sau: (3) (4) (5) Trong đó: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020  '   / 0 81 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Thông thường, tính tốn đo lường dấu vết từ trường tàu, từ trường trái đất thường coi từ trường nền, nên thường bỏ tính toán, lúc này, dấu vết từ trường tàu phần dị thường từ trường thu Do đó, cơng thức (5) có số hạng cuối đại diện cho dấu vết từ trường tàu theo phương z 2.2 Tính tốn với mơ hình vỏ tàu hình cầu kéo dài Xét vỏ tàu hình cầu kéo dài hình 2, có kích thước mặt mặt 1  , bán kính trục dài a bán kính trục ngắn b Vỏ tàu làm vật liệu sắt từ có độ từ thẩm μ (vùng II), mơi trường bên (vùng I) bên (vùng III) vỏ tầu chân khơng Tồn vỏ tàu hình cầu đặt từ trường B0 có hướng dọc theo trục z Hình Mơ hình vỏ tàu hình cầu kéo dài Với hệ tọa độ cầu kéo dài, [3] phương trình Laplace có dạng sau: (6) Giải phương trình Laplace tính cường độ từ theo trục bên ngồi mơ hình vỏ tàu hình cầu kéo dài sau: (7) (8) (9) Trong đó: , , , a1, a2, a3, a4 tính theo điều kiện biên, cụ thể: , , , , ,  '   / 0 Tương tự mơ hình vỏ tàu hình cầu, số hạng cuối công thức (9) dấu vết từ trường tàu theo phương z mơ hình vỏ tàu hình cầu kéo dài 2.3 Tính tốn với mơ hình vỏ tàu kết hợp Trong thực tế, vỏ tàu có nhiều hình dạng cấu trúc khác nhau, nên tạo dấu vết từ trường không giống nhau, khác biệt vỏ tàu làm thay đổi hình dạng dấu vết 82 T Đ Cường, …, P A Tuấn, “Nghiên cứu xác định dấu vết … mô hình vỏ tàu sắt từ.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ từ trường đo Do đó, [3] việc tính toán dấu vết từ trường tàu thực phức tạp thời gian Để đơn giản tính tốn, người ta thường dựa kết nghiên cứu mơ hình vỏ tàu tương đương mơ hình vỏ tàu hình cầu mơ hình vỏ tàu hình cầu dài [3] Và việc xếp chồng hai mơ hình này, ta thu mơ hình vỏ tàu kết hợp có hình dạng giống với mơ hình vỏ tàu thực tế, chi tiết hình Hình Tính tốn mơ hình vỏ tàu kết hợp phương pháp bán giải tích Tuy nhiên, mơ hình tàu kích thước lớn cấu trúc phức tạp hơn, sử dụng phương pháp bán giải tích phương pháp phần tử hữu hạn để tính tốn mơ thường tốn nhiều thời gian mô chiếm dụng nhiều tài nguyên hệ thống mơ Vì vậy, để giảm thời gian sử dụng hiệu tài nguyên hệ thống, nhóm nghiên cứu đề xuất sử dụng phương pháp bán giải tích cho mơ hình Phương pháp sử dụng tốn giải tích nói chung, nhiên, nhiều lý khác nhau, phương pháp không đề cập đến tài liệu công bố liên quan đến tính tốn dấu vết từ trường loại tàu quân Trong phạm vi báo này, để tính tốn mơ dấu vết từ trường của mơ hình vỏ tàu kết hợp này, nhóm nghiên cứu tiến hành theo kịch sau: - Kịch thứ sử dụng hoàn toàn phương pháp phần tử hữu hạn cho mơ hình kết hợp Đây phương pháp sử dụng phổ biến nghiên cứu từ trường tàu - Kịch thứ hai sử dụng phương pháp bán giải tích, sử dụng kết hợp phương pháp giải tích phương pháp phần tử hữu hạn, cụ thể sau: + Dùng phương pháp giải tích để tính tốn riêng rẽ cho mơ hình vỏ tàu hình cầu mơ hình vỏ tàu hình cầu kéo dài Sau đó, dùng phương pháp phần tử hữu hạn mơ phần giao hai mơ hình + Kết mơ hình kết hợp thực theo phương pháp xếp chồng nghiệm: Lấy tổng kết thu từ phương pháp giải tích mơ hình cầu mơ hình cầu kéo dài trừ kết thu từ phương pháp phần tử hữu hạn phần giao hai mơ hình Trong phạm vi nghiên cứu, báo thực tính tốn mơ loại mơ hình kết hợp khác theo khoảng cách trục qua tâm mơ hình (như hình 3) là: trùng trục đối xứng (trùng tâm) có trục đối xứng lệch (lệch tâm) 10m 15m phía ĐIỀU KIỆN BIÊN, PHƯƠNG PHÁP VÀ CÁC THÔNG SỐ MÔ PHỎNG Điều kiện biên dùng mô phỏng: từ trường tàu từ trường tĩnh tự nhiên, phương trình Maxwell khơng phụ thuộc vào thời gian bỏ qua thành phần điện Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020 83 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử trường cảm ứng tàu Các điều kiện biên xác định bề mặt tiếp giáp vùng từ trường B0 liên tục qua bề mặt Giả định rằng, tồn khơng gian bên bên ngồi mơ hình vỏ tàu chân khơng có độ từ thẩm  = 4π×10-7 H/m; mơ hình vỏ tàu đặt từ trường khu vực miền Bắc Việt Nam B0 = 45.000nT [7] có hướng dọc theo chiều dương trục z Thơng số mơ mơ hình vỏ tàu sắt từ: - Độ từ thẩm tương đối vật liệu sắt từ μ=80 - Độ dày mơ hình vỏ tàu sắt từ: 0,02m - Mơ hình vỏ tàu hình cầu: bán kính a=4,98m, bán kính ngồi b=5,0m, đường kính ngồi D = 2b =10,0m - Mơ hình vỏ tàu hình cầu kéo dài: bán kính trục dài a=20,0m, bán kính trục ngắn b=5,0m, đường kính trục ngắn: B = 2b=10,0m Phương pháp mô phỏng: Sử dụng kết hợp phương pháp: phương pháp giải tích, phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Ansy Maxwell) phương pháp bán giải tích Cách thức mơ phỏng: - Mơ hình vỏ tàu hình cầu hình cầu kéo dài: mơ vị trí khác nằm trục y cách vỏ tàu 10m (1D 1B), 20m (2D 2B) 40m (4D 4B) [4] - Mơ hình vỏ tàu kết hợp: mơ vị trí nằm trục y cách vỏ tàu 20m trường hợp: trục đối xứng lệch trục đối xứng 10m 15m Cấu hình máy tính dùng mơ phỏng: Hp z420 Workstation, gồm: Chip Intel® Xeron® CPU E5-2643 v2, SSD 240Gb, HDD 2Tb, 32Gb DDR3, NVIDIA Quadro K2200 4G DDR5, Window Ultimate 64bit SP1 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Kết phân tích dấu vết từ trường mơ hình vỏ tàu hình cầu Với từ trường ngồi đặt dọc trục z, thành phần từ trường theo trục y có giá trị tính chất trực giao hệ tọa độ cầu Các giá trị từ trường mơ hình vỏ tàu hình cầu tính phương pháp giải tích phương pháp phần tử hữu hạn thể hình hình Hình Dấu vết từ trường mơ hình hình cầu tính phương pháp giải tích Từ kết thấy rằng: - Khi tiến bên mơ hình vỏ tàu, giá trị từ trường thu có thay đổi theo quy luật là: Tại gốc tọa độ O, thành phần Bx 0, thành phần Bz đạt cực đại Khi 84 T Đ Cường, …, P A Tuấn, “Nghiên cứu xác định dấu vết … mơ hình vỏ tàu sắt từ.” Nghiên cứu khoa học công nghệ tiến bên, Bx có xu hướng tăng nhanh đến cực đại, sau giảm dần 0, Bz có xu hướng ngược lại, giảm dần Hình Dấu vết từ trường mơ hình hình cầu tính phương pháp số - Khi tiến xa vỏ tàu theo hướng trục y, giá trị từ trường giảm đi, suy giảm rõ rệt đo vị trí 2D, đến vị trí 4D từ trường gần Hay nói cách khác, tiến xa vỏ tàu theo chiều trục y dấu vết từ trường thu nhỏ, đó, giảm khả phát dấu vết tàu - Các kết phương pháp giải tích phương pháp phần tử hữu hạn mơ hình vỏ tàu hình cầu tương tự 4.2 Kết phân tích dấu vết từ trường mơ hình vỏ tàu hình cầu kéo dài Với từ trường ngồi đặt dọc trục z, thành phần từ trường theo trục y có giá trị tính chất trực giao hệ tọa độ cầu kéo dài Các giá trị từ trường mơ hình hình vỏ tàu cầu kéo dài tính phương pháp giải tích phương pháp phần tử hữu hạn thể hình hình Từ hai hình thấy rằng, xu hướng từ trường thu mô hình vỏ tàu hình cầu kéo dài tương tự xu hướng từ trường thu mơ hình vỏ tàu hình cầu, cụ thể sau: Hình Dấu vết từ trường mơ hình cầu kéo dài tính phương pháp giải tích - Khi tiến bên trục z, thành phần Bx có xu hướng tăng nhanh đến cực đại, sau đó, giảm dần 0, Bz có xu hướng ngược lại, giảm dần Tại gốc tọa độ O, thành phần Bx 0, thành phần Bz lại đạt cực đại Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020 85 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Hình Dấu vết từ trường mơ hình cầu kéo dài tính phương pháp phần tử hữu hạn - Khi tiến xa vỏ tàu theo hướng trục y, giá trị từ trường giảm dần, suy giảm rõ rệt vị trí 2D, đến vị trí 4D gần Do đó, tiến xa vỏ tàu theo chiều trục y dấu vết từ trường thu nhỏ giảm khả phát tàu - Kích thước mơ hình vỏ tàu tăng lên (chiều dài hình cầu dài tăng lên so với hình cầu) giá trị từ trường cực đại thu tăng lên Do đó, nói rằng, vỏ tàu sắt từ có kích thước lớn dễ bị phát so với vỏ tàu nhỏ sử dụng loại vật liệu từ - Các kết phương pháp giải tích phương pháp số mơ hình vỏ tàu hình cầu kéo dài tương tự 4.3 Kết phân tích dấu vết từ trường mơ hình vỏ tàu kết hợp Với từ trường đặt dọc trục z, thành phần từ trường theo trục y có giá trị tính chất trực giao hệ tọa độ cầu cầu kéo dài Các giá trị từ trường tính phương pháp bán giải tích phương pháp phần tử hữu hạn theo trục x trục z vị trí 20m ghép trùng trục đối xứng lệch trục đối xứng 10m, 15m thể hình Hình Dấu vết từ trường mơ hình vỏ tàu kết hợp tính phương pháp bán giải tích Từ kết thấy rằng: - Xu hướng từ trường mơ hình vỏ tàu kết hợp tương tự xu hướng từ trường mơ hình vỏ tàu hình cầu hình cầu kéo dài Do tính khơng đồng khơng đối xứng, từ trường mơ hình kết hợp bị lệch dần phía có khối cầu bên trên, giá trị lệch tăng dần khoảng cách lệch tâm tăng lên 86 T Đ Cường, …, P A Tuấn, “Nghiên cứu xác định dấu vết … mơ hình vỏ tàu sắt từ.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Dấu vết từ trường mơ hình vỏ tàu kết hợp tính phương pháp phần tử hữu hạn - Phương pháp bán giải tích phương pháp phần tử hữu hạn cho kết tính tốn mơ tương tự cho thấy có phù hợp tốt phương pháp tính, sai số phương pháp vào khoảng 15%, sai số mức chấp nhận mơ đánh giá nhanh số nghiên cứu ban đầu dấu vết từ trường tàu - Khi sử dụng phương pháp bán giải tích, thời gian chạy mơ mơ hình vỏ tàu kết hợp giảm nhiều so với chạy hoàn toàn phương pháp phần tử hữu hạn, cụ thể từ 30 phút xuống 10 phút mơ hình kết hợp trùng trục đối xứng từ 20 phút xuống 05 phút mơ hình kết hợp lệch trục đối xứng KẾT LUẬN Từ kết tính tốn mơ dấu vết từ trường số mơ hình vỏ tàu sắt từ cho thấy: - Trong khuôn khổ báo này, phương pháp phần tử hữu hạn, giải tích bán giải tích dùng để đánh giá dấu vết từ trường số mơ hình vỏ tàu sắt từ Các dấu vết từ trường thu giá trị từ trường dị thường loại bỏ thành phần từ trường trái đất, giá trị, xu hướng từ trường dùng làm sở cho nghiên cứu chuyên sâu khác dấu vết từ trường tàu mặt nước tàu ngầm -Phương pháp phần tử hữu hạn cho kết tương tự với phương pháp giải tích truyền thống, với sai số nhỏ số liệu có tin cậy cao Do đó, hồn tồn vận dụng qua lại lẫn phương pháp cho nghiên cứu dấu vết từ trường nói chung - Đối với mơ hình vỏ tàu kết hợp, phương pháp bán giải tích cho kết xác hình dạng dấu vết từ trường số liệu xu hướng theo trục mơ hình, giống thực phương pháp phần tử hữu hạn, với sai số chấp nhận giảm đáng kể thời gian tính tốn mơ so với phương pháp phần tử hữu hạn Do đó, sử dụng phương pháp bán giải tích để tính tốn mơ nhanh mơ hình vỏ tàu có cấu trúc phức tạp thực tế, mà cho kết có độ tin cậy cao Lời cảm ơn: Cơng trình thực với tài trợ Đề tài nghiên cứu cấp nhà nước Mã số ĐTĐL.CN - 02/17 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phung Anh Tuan, Trinh Dinh Cuong, “Magnetic signature numerical modeling of a naval vessel,” Journal of Military Science and Technology, No.54A, 2018 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020 87 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử [2] G J C Aird, “Modelling the Induced Magnetic Signature of Naval Vessels,” Thesis for the degree of Doctor of Philosophy (2000) [3] J J Holmes, "Modeling a ship’s ferromagnetic signatures", vol 16 (2007) [4] J J Holmes, "Exploitation of A Ship’s Magnetic Field Signatures", no Morgan & Claypool Publishers (2006) [5] Octavian Baltag, "Analitical and physical modelling of the naval magnetic signature", The Bulletin of the Polytechnic Institute of Jassy, Construction Architecture Section vol 16 (2016) [6] Mahdi Che Isa, "An overview of ship magnetic signature and silencing technologies", Defence S and T Technical Bulletin vol 12 (2019), pp 176-192 [7] http://www.magnetic-declination.com/Vietnam/Hanoi/2921957.html ABSTRACT MAGNETIC SIGNATURE MODEL OF SOME IRON-HULLED VESSELS Today, surface ships and submarines are made of ferromagnetic material, so they are easily being "seen" by the enemy while operating on the sea Therefore, the study of methods and techniques for analyzing, identifying and eliminating magnetic traces is a top urgent mission The determination of the magnetic traces for ships is actually a complicated task and consumes large computational resource Consequently, equivalent models with structures reflecting to the shape of the actual hull are studied For that purpose, the paper will focus on spherical hull models using combination of three methods: analytic, finite element and semi-analytic calculus The obtained results give preliminary assessments on magnetic characteristics and trends; evaluate effectiveness and applicability in magnetic detection and magnetic silencing studies for surface ships and submarines Keywords: Electromagnetic field; Vessel Models; Ansys Maxwell; Magnetic Signature; Semi Analytical Nhận ngày 08 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 26 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 03 tháng năm 2020 Địa chỉ: Viện Điện tử, Viện KH-CN quân sự; Viện Điện, Đại học Bách khoa Hà Nội; Khoa Vật lý kỹ thuật & Công nghệ Nano, Đại học Công nghệ * Email: tuan.phunganh1@hust.edu.vn 88 T Đ Cường, …, P A Tuấn, “Nghiên cứu xác định dấu vết … mơ hình vỏ tàu sắt từ.” ... biệt vỏ tàu làm thay đổi hình dạng dấu vết 82 T Đ Cường, …, P A Tuấn, ? ?Nghiên cứu xác định dấu vết … mơ hình vỏ tàu sắt từ. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ từ trường đo Do đó, [3] việc tính tốn dấu. .. (9) dấu vết từ trường tàu theo phương z mô hình vỏ tàu hình cầu kéo dài 2.3 Tính tốn với mơ hình vỏ tàu kết hợp Trong thực tế, vỏ tàu có nhiều hình dạng cấu trúc khác nhau, nên tạo dấu vết từ trường. .. tính tốn dấu vết từ trường tàu thực phức tạp thời gian Để đơn giản tính tốn, người ta thường dựa kết nghiên cứu mô hình vỏ tàu tương đương mơ hình vỏ tàu hình cầu mơ hình vỏ tàu hình cầu dài