0 引　言

隐身性能是舰船在执行作战时不可缺少的能力。如何在不影响舰船正常航行的同时，增强舰船的隐身性能（即降低舰船产生的静电场），一直以来都是研究的重点。因此，需要了解舰船静电场产生的原因，发现影响静电场大小的因素，探索快速、高效降低舰船静电场的方法，并以此为出发点进行舰船静电场控制技术的研究。本文从舰船电场隐身的结构工艺、外加电流补偿技术、阴极保护优化设计等方法入手，旨在降低舰船维修保养成本的同时，加强其作战的隐身性能。

1 舰船静电场产生的原因

舰船上不同部件是由不同的金属材料构成，例如船壳是由各种合金钢材建成，而船尾的螺旋桨由铜合金建成，当然其他部件的材料还包括轴系多为合金钢材料、计程仪楔形阀和管多为铜合金、回声测深仪振子壳为铜合金、侧推器螺旋桨、球鼻首导流罩由钛合金制成等。正是因为不同的金属在海水电解质中具有不同的化学性质，所以形成了不同的稳定电极电位，导致船体表面上不同电位分布。如果不同电位的金属之间发生电连接，那么就开始发生腐蚀。当舰船处于海水环境时，由于其钢制的船壳和铜制的螺旋桨存在电位差，再经由海水，大轴，舰船内部的一些器件及机械线路形成电气导通的状态。在海水中，可以将其看作是一个宏观复杂的腐蚀电池，腐蚀电流从正极的船壳出发，经海水流经负极的螺旋桨，再通过大轴和船内的机械设备及线路回到船壳，形成完整的腐蚀电流回路，从而形成具有一定电场强度的舰船水下静电场。

现实海洋环境中，舰船在海水中的腐蚀不可避免，所以防腐措施一直存在。目前使用较多的是外加电流的阴极保护和牺牲阳极的阴极保护方法。这2种方法都能有效地对船壳进行防腐保护，但是防腐蚀的同时却产生防腐蚀电流，无形中增强了舰船周围的电场强度，从而大大降低了舰船的隐身性能。当舰船采用牺牲阳极的阴极保护方法时，舰船周围的总电流最大可达到近百安培。而使用外加电流的阴极保护方法时，即使使用的辅助阳极少，但舰船周围的保护电流密度却明显高于牺牲阳极时的情况，所产生的静电场甚至会更大。所以，舰船水下静电场是由舰船电化学腐蚀电流和船壳阴极保护系统的防腐电流共同作用产生的。

1.1 舰船电化学腐蚀产生的电场

舰船的船壳由各种钢材建成，螺旋桨是青铜合金,管路、阀门等使用的则是铜材料，它们之间又通过焊接或者铆接的方式连接，处于电气连接状态。整个舰船在海上的状态可以近似看成一块钢板和一块铜板用导线连接处于海水环境中，如图1所示。

当开关K未闭合时，整个回路没有处于导通的状态。这时，钢板和铜板分别与海水界面建立如下的动态平衡：

${\rm{C}}{{\rm{u}}^{{\rm{2}} + }} \cdot {\rm{2e}} + n{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} \Leftrightarrow {\rm{C}}{{\rm{u}}^{{\rm{2}} + }} \cdot n{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} + {\rm{2e}}{\text{，}}$

${\rm{F}}{{\rm{e}}^{{\rm{2}} + }} \cdot {\rm{2e}} + n{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} \Leftrightarrow {\rm{F}}{{\rm{e}}^{{\rm{2}} + }} \cdot n{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} + {\rm{2e}} {\text{。}}$

图1是一个典型的腐蚀原电池示意图，图中钢板的电极电位低，成为阳极，而高电极电位的铜板则成为阴极。铜板和钢板在海水中形成了一定的电位差，当开关K闭合，回路导通，产生电流，即为腐蚀电流。回路中，由于铜板的电位相对于钢板而言较高，则在导线中的电流由铜板流向钢板，而海水中则由钢板流向铜板。这样，钢板上的电子不断通过导线流向铜板，这直接导致了铜板上的电子密度升高，电位逐渐变负；而钢板上电子密度降低，电位逐渐变正。钢板和铜板间的电位差不断降低，导致回路中的腐蚀电流不断减小。这种阳极和阴极电位差不断减小的现象在腐蚀原电池反应中被称为极化现象。

显然，极化现象使得电化学腐蚀程度得到减缓。但是由于海水中存在大量的氢离子和氧离子，氢氧离子在阴极铜板上会发生“去极化”反应，因此极化现象并不能消除不同金属间的电化学腐蚀。尤其在舰船航行时，舰船周围的海水流速加快，接触更加充分，氧含量更加充足，加快了“去极化”的过程。如果遇到海水升温的话，会导致电化学反应更快，船壳腐蚀加速。

表1列举了部分金属材料的自然腐蚀电位表以及舰船制造常用金属电极电位表。

1.2 舰船阴极保护产生的电场 1.2.1 牺牲阳极法

牺牲阳极法的实质是用一种金属去保护另一种金属。用电位比较负的金属作为阳极，通过牺牲阳极产生的腐蚀电流来保护需要保护的阴极金属，这种方法被称作牺牲阳极法。此方法的原理与上文介绍的钢板和铜板的例子原理相似，所以，将此方法运用到舰船保护中，关键在于选用阳极材料的电化学性能好坏。一旦选择的阳极材料不能起到期望的作用，舰船便不能得到相应的保护，更有甚者会加速舰船的腐蚀。

目前，我国舰船普遍使用的牺牲阳极材料有3种，即镁合金、锌合金和铝合金牺牲阳极材料。作为牺牲阳极材料，必须能满足以下要求：

1）材料电位稳定且足够负；

2）材料自腐蚀均匀且腐蚀速率慢，但产生的电流稳定；

3）单位重量材料产生的电流量大；

4）材料腐蚀产物不污染环境，无公害；

5）材料易于获取，价格低廉，容易加工。

使用牺牲阳极法的特点有：不需要再外加电源，操作方便，安全可靠，而且平时无需管理，适用于中、小型舰船和无法提供可调电源的地方。但是为了保证防腐效果，需要的阳极块数量要足够多。

1.2.2 外加电流法

图2为外加电流法的原理图。由直流电源、参比电极、辅助阳极和相关的连接电缆所组成，通过外部的直流电源直接向需要被保护金属通以阴极电流，使其阴极极化，最终达到阴极保护的目的。

使用直流电源是因为其稳定可靠，适应不同环境，并且能够长期连续工作，实际工作中常使用恒电位仪。辅助阳极的作用是把电流送入电解质中，最终保护电流流到被保护体上。由于辅助阳极工作时始终处在电解状态，因此对辅助阳极有一定的要求：

1）导电性必须好；

2）耐腐蚀，使用寿命长；

3）具有一定的机械强度、耐磨、耐冲击震动；

4）材料易获取、价格便宜。

表3从外加电流、外部环境、保护体的表面覆盖层情况和经济学等方面对比了2种阴极保护方法的优缺点。

2 舰船静电场防护的方法

对舰船静电场的防护，一方面从舰船电场隐身设计的结构工艺出发，还有就是优化舰船的阴极保护设计和优化外加电流补偿技术。

2.1 舰船电场隐身的结构工艺

设计、施工、管理是控制腐蚀的3个重要环节，也是减小舰船腐蚀电场的最有效途径。

1）设计环节。这个环节中包括合理设计设备结构、选用耐腐蚀材料以及使用防腐蚀技术。设备必须根据防腐的需要考虑其结构设计的合理性。设计防腐方案时，除了考虑所选材料来源、施工性能及价格外，还需要考虑其在工作环境中的稳定性及使用寿命。

2）施工环节。严格的施工才能够使各种防腐蚀措施达到预期防腐蚀效果。只有防腐施工作做的好，才能够真正发挥防腐技术的保护作用，否则，再好的防腐蚀技术也不能取得预期的效果。

3）管理是最后一步，需要对设备进行维护管理，定期进行维护检修，建立设备防腐蚀技术档案等。

目前，从舰船结构工艺出发降低其静电场，能够取得进步和创新的主要是在设计环节。而在结构工艺的设计方面，主要是降低舰船电场源的强度及数量，对电场源材料之间进行电隔离等工艺，所采用的方法主要包括合理采用电介质材料及涂层、尽可能使用电位差小的金属及减少异种金属的数量、采用电隔离等方法增大电场源的回路电阻、合理屏蔽电场源等几种方法。而国外目前最新的方法还包括轴隔断等技术，该技术目前国内还未真正实现应用。

2.2 牺牲阳极阴极保护设计优化

国内在舰船设计时普遍采用阴极保护技术。对于采用牺牲阳极方式防腐的舰船，其优化方式主要是合理选择牺牲阳极材料、优化计算牺牲阳极块的大小、数量及安装位置。目的是通过牺牲阳极的保护，使对船体的保护电流分布更加均匀，来有效降低舰船的静电场信号。

1）牺牲阳极材料

牺牲阳极材料有铝合金、镁合金和锌合金，共3大类，在船舶上的牺牲阳极主要采用铝合金和锌合金。我国已有多种铝合金牺牲阳极和锌-铝-锡牺牲阳极可以用于船舶的阴极保护。从经济适用角度出发，很多大型船舶进行牺牲阳极阴极保护时多采用铝合金材料牺牲阳极，部分小型船舶则使用锌合金牺牲阳极材料进行阴极保护。

2）牺牲阳极块的大小、数量及安装说明

采用牺牲阳极阴极保护设计来进行舰船静电场防护，至少需要满足以下条件：牺牲阳极提供的保护电流能够使船体达到需要的保护电位，并且安装的牺牲阳极能够达到船体防腐蚀的有效年限。

船体牺牲阳极布置安装规则：

船体所需牺牲阳极应在两舷舭龙骨和舭龙骨前后的流线上均匀对称地布置；

螺旋桨所需牺牲阳极应布置在尾部船壳板；

牺牲阳极的长度方向沿流线方向安装；

全船牺牲阳极总量的1/4～1/3布置在船体尾部。

2.3 外加电流阴极保护设计优化

外加电流阴极保护技术由于具有电流可调节，对舰船的保护寿命长等优点，已经越来越广泛地运用到舰船的防腐蚀保护中。在舰船正常航行中，由于辅助阳极和参比电极安装完成之后位置不能变化，只能通过调节辅助阳极输出电流的大小来维持船体的最佳保护。因此，关键设备恒电位仪需要具有输出功率大、电流效率高、体积小、重量轻、多通道等优点，并且能够根据船体表面的电位，自动调节保护电流的大小。因此，智能化是恒电位仪的一个重要发展方向。

对于采用外加电流阴极保护系统（ICCP）的舰船，不仅要有效地保护船体，还需要能够使船体表面的电位更加均匀，来降低舰船水下静电场。优化设计的方法主要有合理选择辅助阳极和参比电极的位置和数量，优化辅助阳极输出电流的大小。参比电极提供的电信号代表船体的最低保护电位值，防护时根据参比电极采集的信息判断保护系统的保护程度和有效性。因此，参比电极必须具有较强稳定性，不易极化，电位随温度变化幅度小，具有一定机械强度且使用寿命长等特点，实际应用中常使用氯化银参比电极，安装位置需靠近船体表面。

辅助阳极的安装要求如下：

考虑电位分布的均匀性，将多组辅助阳极均匀、对称安装在船体表面；

每个辅助阳极区域设置阳极屏，防止附近涂层剥落；

辅助阳极安装在船体上时应与船体绝缘。

2.4 外加电流补偿技术

基于电流补偿的舰船水下静电场防护方法是通过在舰船上安装补偿电极，补偿电极发出补偿电流，而补偿电流的方向与舰船腐蚀电流的方向相反，大小近似相等，从而在海水中产生与腐蚀电场大小接近，方向相反的电场，最终来降低海水中的舰船水下静电场。实际上就是通过补偿电极不断向海水中输出电流，使得船壳表面的电位趋近于自平衡电位。通过材料的极化曲线可以发现，材料的自平衡电位附件，此时材料表面的电流密度最小。具体原理如图3所示。图中，实线代表腐蚀电流，虚线代表补偿电流。

通过外加补偿电流来减小舰船水下静电场，实质上就是减小等效偶极矩（电偶极矩附近场点的电场强度基本公式为 ${{E = }}{\left( {{\rm{4}}{\text{π}}\partial } \right)^{{\rm{ - 1}}}}{\rm{2QK}}\left( {r,p} \right)$ ，其中Q为电偶极矩，K（r, p）为场点r与电荷q之间的距离函数，由此可知电偶极矩和电场强度成正比）。当没有外加补偿电流时，船体-海水-螺旋桨-船体间形成的腐蚀电流回路中，船壳为阳极，螺旋桨为阴极。近似认为阴极的等效电荷中心在螺旋桨上，而阳极的等效电荷中心在船体的中后部分。此时的等效偶极矩Q=IL，其中I为腐蚀电流（腐蚀电流不易测量，所以以轴桨电流近似等效为腐蚀电流），L为阳极和阴极等效电荷中心的纵向距离（L为1/3～1/2的船长）。

1）当输出一定补偿电流时：此时补偿电流远小于腐蚀电流，且定义补偿电极输出的电流为负值。当螺旋桨（阴极）不断吸收补偿电流时，电位降低，使得螺旋桨与船体的电位差不断缩小，因此船体的输出电流减小，即负电荷中心向螺旋桨移动，从而减小舰船水下静电场。

2）当输出的补偿电流不断增大时：螺旋桨不断吸收电流，继续阴极极化，而船体也吸收电流，使得船体由阳极逐渐向阴极过度，而阳极的等效电荷中心也逐渐向船尾移动。当船体的电位趋近于其自身材料的自平衡电位时，此时I趋于零，所以Q=IL趋于零。此时的阳极电荷中心假定与补偿电极相重合，而阴极电荷中心依旧在螺旋桨上，这样就形成新的电偶极矩Q₁，即此时的舰船水下静电场信号主要由Q₁来决定。Q₁=I₁L₁，其中I₁为此时的补偿电流，L₁为补偿电极和螺旋桨（阴极）的距离。虽然I₁大于I，但是L₁远小于L，所以最终Q₁明显小于Q，从而达到了减小舰船水下静电场的目的。

实验证明，补偿电流法能最大限度降低舰船水下静电场。

3 结　语

在舰船静电场防护方面，外加电流阴极保护在进行舰船防腐的同时易产生较大的静电场，牺牲阳极阴极保护存在使用后难以调节控制的问题，遇到突发情况无法进行调节。而舰船实际航行时的海域环境（海水的盐度、温度、电导率、含氧量）是不断变化的，舰船的状态（航速、吃水面积、涂层情况）也在不断变化，这就要求舰船的水下静电场防护系统必须具备能够实时调整的能力。相比而言，外加电流补偿技术可以通过调节补偿电流随时调控，在降低舰船静电场信号方面更加有效可靠。所以今后的研究重点是如何快速、高效地调整补偿电极输出电流的大小，使舰船在不同航行状态下都能达到有效的静电场抑制效果。