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出品：科普中国
9 f" A) @) Q* B. C# \; Q M: V) q 制作：寒木钓萌 ! K1 o6 y4 _7 C- P% i4 W( d# B9 o% q
监制：中国科学院计算机网络信息中心
( W1 K* x9 B6 k/ [: g8 u 潜艇用哪种导航系统？GPS？北斗？还是牵星过洋术……
# \0 M& d6 z9 }6 b! D 答案是都不用，所以……
' L8 M2 ]! L8 R! I 它们撞了！很惨。 2 V+ k- B- J' b& i
撞上一座大山 & R8 ?% @7 S: ^$ |/ j1 L, A
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。 & D2 ?- B& d' `1 G; Y( a. N
8 d/ p6 i, k- o# a “旧金山”号艇首撞成一团乱麻，所幸核反应堆没有受损。 ! q$ `- g" W- x; z; v( X
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！
2 k$ ~ ~; d8 U9 x" 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…… & G5 a- P' H2 ^, j) _# M+ C. p
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; D0 O9 H2 u: \ 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。 7 {4 a9 i& u" G7 l$ k. W6 L( e
不是有主动声呐吗 $ |3 b! g* @7 t8 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。 7 x8 x4 ~) P- F; v$ m
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。 9 t7 {- b. f9 K* k* g8 E! Z
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。 , N6 \; {* \3 u
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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8 i3 k6 [" M$ r5 r 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…… # |7 L d5 M' c h+ ~9 X/ N
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。 $ H, S; O; o. ^, P8 ?6 Z: ?5 x
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？ + q6 G2 h/ K8 |: t5 m C* f
这里，我们就需要用到一个高大上的仪器了，它就是陀螺仪。
5 B, m0 R& ]9 f% {3 C 陀螺仪 - I% \3 G# `5 Z4 X3 c) Z/ E
' r/ o! |& R6 j6 k/ x, f 陀螺仪有一个非常重要的特性，这就是定轴性。 : ^, Y3 B/ p" x: h5 W# \% B- ?
: y' h' l% Z5 d: S4 G 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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% _/ g2 Z9 u4 \) Q6 Y; E/ p 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。 & E# L4 G& h) [
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。
, D1 D' Q. y* ~( P6 j% D2 P! } X9 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？ . ]9 K2 z9 F' ~! g+ J1 {$ 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。
+ n3 s1 Q' n+ [ v8 F+ q+ n( 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？ ' J) z3 u: l O8 ?; K S; i
此时，我们又得使用另一个仪器——这就是“加速度计”。
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加速度计大概原理。
. ]& d" X# A3 t3 R/ C 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。 $ l8 @( ?9 [3 t5 g
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。
* l1 J( h4 o8 n5 Q0 e* u8 t 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。 * E4 D4 N6 h- n% G; P1 t! t
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。
( o) t0 ]! F1 Q, @; L! ` 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。
# q7 [5 L* o0 b0 R N 惯性导航的特点 2 @$ Z4 P+ c+ U* X+ \/ q
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。
) k! T' `; m/ [3 ~8 Y! R$ h; 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。 - v1 \) _9 O4 f
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。
# Z2 Z: F% d' s+ ?2 i0 k7 m. n 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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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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4 z' j- Y: u, Y3 S0 o 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。 : |0 S3 z$ L" R4 g% K
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