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出品：科普中国 4 c: j% W$ a3 Z# g
制作：寒木钓萌 * Z' @1 C7 m* {) z" ]1 |
监制：中国科学院计算机网络信息中心
7 n/ h# W, o. u* T5 A2 g; A 潜艇用哪种导航系统？GPS？北斗？还是牵星过洋术……
# p. D* ]. H* T) A5 W+ P# ~ 答案是都不用，所以……
: E( C2 ~! u' S. e9 z 它们撞了！很惨。 ; c) |! z2 ~' v8 _7 v
撞上一座大山 * l$ u& B: O/ S% }+ X& Z3 I% n
2005年1月8日，美国洛杉矶级核潜艇“旧金山”号在水下航行时，以每小时46公里的速度撞上了一座海底山，98名船员受伤，1人死亡。
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- h9 x/ n: d5 Y' W “旧金山”号艇首撞成一团乱麻，所幸核反应堆没有受损。 # L6 Y9 q" h" R' |
事后，艇长摩尼上校被解除职务，并遭到处分。而他在听证会上则解释，海图上并没有标明出事海域有任何海底山！ . i' S+ X7 y& d" a4 g$ ?
海图是由美国国家地理空间情报局提供的，他们说，那座山是新“长”出来的…… ; E3 H% Q7 X9 Z
而另一次大众较为熟知的核潜艇撞击事件则是2009年，英法潜艇深海相撞，撞了后双方都不知道撞了啥，都以为是什么不明物体。直到回港查看伤势后，几番周折，两国才知道，那个所谓的不明物体原来是对方的战略核潜艇。 ) \) G" S% g2 _: q) |! s
以上两例都是2000年以来的潜艇撞击事件，如果时间往前推，那案例多得都可以写一本书了。 " b. D3 z, u& ^: V
不是有主动声呐吗 }. F) Q b" u% V
水面舰艇航行时有各种导航手段，即使失去一切手段，大不了还可以目视。然而，潜艇则不然，它们的导航手段屈指可数。首先是各种卫星导航不能用，因为你首先得浮上水面才可以，而如果随时上浮，那就不叫潜艇了。 ) V6 l! t8 d2 I: ]' j9 a; f& ]( ?
不是还有主动声呐吗？你为什么不开，怕费电还是怎么的？不开的原因也很简单，容易暴露行踪。战略核潜艇的使命是确保相互毁灭，确保具有第二次核打击的机会，你若是在海下开着声呐到处畅游，追鲸鱼逗鲨鱼，这确实洒脱得很，但你已经失去作为核潜艇的意义。
! k' W4 l3 k' t# y6 @ 这就不好玩了，潜艇深海潜航，如果不开主动声呐，那岂不是像瞎子一般？大体差不多。 5 k9 q; V, `- m) g$ r
这样的潜艇谁敢去驾驶？别急，因为潜艇，尤其是核潜艇，它们每次执行任务时是这样的：出行前，就提前制定好一条预先的航路。 % ?0 p2 F1 G, E$ h) s* y. ^# G
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比如这样，这只是随手举的例子，如有雷同，也不可能有雷同呀……
; j4 ]* U" M/ u, O9 U) u 在这条预先的航路上，负责导航的军官会把航路上各种要素详细地标出来：那里有岛屿，这里有暗礁，还有这儿有沉船，水深是多少？海流情况怎样？等等，各种要素都会一一标出来。
5 [, l/ W( {' B [+ } 问题又来了，你是给我提前预定了航路。然而，水下航行时不知道指南针好不好使，即使可用，它也不靠谱呀，万一我偏离了航向岂不是麻烦？ ) _5 G+ r* t8 L5 p! m7 w h
这里，我们就需要用到一个高大上的仪器了，它就是陀螺仪。 # ~8 @8 U7 z8 E0 ?6 l
陀螺仪
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陀螺仪有一个非常重要的特性，这就是定轴性。
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8 P4 f5 g3 l& q2 e) f3 x& P 上图中，外面两个框架在动，它们所代表的轴也在不断改变方向，而最里面的框架，虽然也动，但它的轴始终不变，这就是陀螺仪的定轴性，它就像指南针一样，永远指着一个方向，但比指南针靠谱。
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3 E5 c2 G; p8 t; n9 Z- U4 C 定轴性提供了一个参考系，所以陀螺仪可以给飞机和潜艇等提供各种航行姿态的信息。 " K% w' z$ \) T5 M
有了陀螺仪，我们就能确定，何时偏离了航向，偏离了多少等等。现代的陀螺仪已经发展到好几代了，最新的是激光陀螺仪和光纤陀螺仪，在这样的陀螺仪中，已经没有转子存在，精确性大大提高。
S; X+ d: \, _4 K' f1 o! n 显然，仅仅是知道航向还远远不够，到了那座暗礁旁，我就应该往左45度开，但我怎么知道到了那座暗礁了？ 2 R( W+ K# n6 }: o* `9 \
这也不难。首先，核潜艇出发前，就已经知晓了自己初始位置的精确坐标，它距离那座暗礁有多少公里也是精确可知的，所以，只要行驶了多少公里后，就知道是不是已经到了那个地方，或者距离那个地方还有多远。
$ {% S) r5 j( x1 W$ [* ~$ q 然而，潜艇并非从头到尾都以一个固定的速度航行，有时加速了，有时减速了，我们又怎么断定到底行驶了多少公里呢？ 0 L n' A8 g* {0 `+ L9 h
此时，我们又得使用另一个仪器——这就是“加速度计”。 4 W* D& A# o2 E* p* ~
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加速度计大概原理。
- S' F4 c. G/ H5 q" p( {" L$ ^# F 乘车时，当司机突然加速，我们就会往后靠，突然减速，我们就会往前扑。根据这个原理制成的加速度计，配合各种复杂的计算，就能实时地知道当前速度，以及行驶了多少里程等。
- B) q K) |, K+ N4 g& Z5 U 陀螺仪和加速度计配合使用，它就是传说中的惯性导航，其为潜艇最最主要的导航方式。
& x2 e" D7 `4 { 核潜艇没有驾驶窗，即使有也没用，几百米深的海漆黑一片，看美人鱼那是不可能的。所以，潜艇的水下潜航，其导航方式有点儿类似于，你在黑夜里行走，而却精确地知道每一步跨过的距离，往正南方向走15步，就会到达墙的拐角，再往右23步，前方有个井，它没有井盖，必须停住，再往左30步……然后就到家了。 % [6 I; j5 N/ l) O/ [9 v
此时，如果有位盲人也在这条路上，那么你俩就可能相撞了。就像英法核潜艇相撞一样，当时，英法两潜艇低速行驶，噪音极低，双方的被动声呐都没有听见（也许是寂寞的声呐兵在看照片也说不准），总之是撞上了。
* Y( g$ j5 ]4 d5 M- \+ V3 I) ]. a 还有，如果你的前进道路上，前两天突然坠落一块大石头但你不知道，或者是该有的井盖结果被偷了，那么你也只能认栽。就像是美国的旧金山号核潜艇一样。 ' |- u+ b% j5 r- E" I+ \9 N, Q
惯性导航的特点 4 v# Y: U, G/ z
惯性导航，其误差会随着时间累积，误差大到一定程度就得上浮校正位置。而现在的惯性导航已经很先进，误差很小。目前比较先进的舰船惯导系统，可以实现航行三天三夜只误差370米左右，随着技术的进步，误差只会越来越小。
6 b: J, C! s: z: W& n0 p% g 惯导之所以成为潜艇最主要，甚至说是唯一的导航方式，是因为它有两大优点。 O* `$ w. H- T7 @& h3 y0 S
一是，惯导无须接收外部任何信息。无论是卫星导航还是无线电导航或者是天文导航，它们都需要浮出水面或者是靠近水面，这容易暴露目标。而惯导天不靠地不靠，只靠牛顿——惯性定律是他弄出来的。
; I# y: }: q1 S* R+ O/ r 二是，惯导不会向外辐射能量，从而也不会暴露自己，这种不声不响的品质跟核潜艇最般配。 % y/ t2 W$ G0 [
& W; f# b; K2 n9 ^5 [, V/ [9 i 惯导不但用在潜艇上，它还用在导弹上。有人甚至说，弹道导弹打得准不准，70%依靠惯导的精度。
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因此，人们常把核动力、导弹和惯性导航称为战略武器的三大关键技术。 ) I, m& U. _1 h- D2 G! x
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