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出品：科普中国 : k$ Q" i0 r' _8 ~% I( [* ~
制作：寒木钓萌
4 N# I' i( F" r# A7 E, C2 {, ~3 k 监制：中国科学院计算机网络信息中心 + G- H1 E9 `/ r% @& x, V: F
潜艇用哪种导航系统？GPS？北斗？还是牵星过洋术……
8 x+ M! n+ n( F- F$ f 答案是都不用，所以……
7 N# \0 Y$ M" f# \, q 它们撞了！很惨。
- J" C7 M3 E0 v7 q+ g5 p# t 撞上一座大山 1 o' N4 e8 ]8 n% @+ T9 t
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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( M( I, H8 Z# G “旧金山”号艇首撞成一团乱麻，所幸核反应堆没有受损。 1 C$ f5 |) u: r0 ~: {/ C7 b
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！ ( D3 n- d' b/ P1 [8 E; ~" C4 I
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……
. V8 t/ ^& |1 i3 Y% G4 l) Q 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。
8 T( i8 U9 L4 A% A4 ^2 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。
; D7 k4 B! L8 J& t- \ l& O2 Q: { 不是有主动声呐吗
3 t0 |8 h. \3 @0 g; x 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。 3 F$ G/ ~/ Z; U ^# f' j, m1 R
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。 - \/ X; T3 n" b
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。
# V! e1 g# l2 L3 F3 z) j 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。
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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……
4 V+ D! b* _5 d9 ^6 C4 K! Q 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。 4 U2 }; x [8 Y0 K( }/ \3 J% _2 b) V
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？ 6 H- H; B) B; X9 Z# W. V; r
这里，我们就需要用到一个高大上的仪器了，它就是陀螺仪。
: w7 A5 T. h% a1 {0 [% 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。 ( d. |, C6 x9 _8 p1 d- t
0 r' H3 O# k. g+ e 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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s! C% w+ K8 [, R2 \. ` 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。
# X2 b: I) G# i9 u 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。 0 ?0 i, N2 C" x M2 p( u/ l
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？ % W9 @9 S3 q) H/ a4 f1 S
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。
0 u8 y! c. _6 J; H/ O* M- ~ 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？ 2 V0 U* H; P. P
此时，我们又得使用另一个仪器——这就是“加速度计”。 ) D9 J5 p, u) p" ?* d8 n
, U: P6 |8 G( F" I( D9 \ W 加速度计大概原理。 * M* d& s! ^& v
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。 2 v5 e9 v# u4 X& m- {& ]* t
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。
2 |$ I4 ]2 R6 v) V( T+ D/ D- [2 s 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。
1 I1 D+ T2 y [" A" R& J( V" U 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。
' D3 x- Z, {+ V/ b1 F 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。 ' g; ^6 I/ j" o, e! a, ^, }
惯性导航的特点
1 Z. [1 W2 I- r, J 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。 9 F! @! m; K( ~" N
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。 3 j+ M, b6 G8 u+ E9 B5 O
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。 / d. X4 X- k k4 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。
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`2 O, Y; V w+ A, S6 p/ K 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。 ; p; {3 Y f( r4 f. b; v; q
0 j2 K0 Y- A& L/ A7 D1 h 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。
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