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& Y8 @5 Y5 `( W W9 f" B 出品：科普中国 # a) m" `9 \0 H# C8 p
制作：寒木钓萌
+ R y% F; N' [5 _* M6 M 监制：中国科学院计算机网络信息中心
: h4 F, l% @2 G5 e- s' r( _# e 潜艇用哪种导航系统？GPS？北斗？还是牵星过洋术……
4 \( P% q c+ @9 P 答案是都不用，所以…… c8 V8 V1 v* Q
它们撞了！很惨。
# e& ]+ I% z5 D3 @ 撞上一座大山 * m# D3 \' M: {. }8 W: w
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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“旧金山”号艇首撞成一团乱麻，所幸核反应堆没有受损。
+ W. @( m; ]# K 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！ 7 X# s# D6 R' T1 [8 Q {
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……
) U9 f* ?* Y. i1 e 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。 " _7 ]$ s8 y5 v$ ?
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。 : n' p D1 x. H/ G" U/ L
不是有主动声呐吗
) |" A: M5 Y3 [# {* T. `4 K) M 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。
, a! ]3 t+ m. L9 c" w 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; P/ R( g4 R& E' @
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。 4 h/ j/ ~& s( ]$ j/ h. 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。 + I/ x3 n5 }/ \
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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……
, S+ D- [8 \3 L S2 L 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。 $ j7 L& v; G0 t! x6 ^ P9 X- M
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？ / C" c5 ?4 s3 Z& j- E5 ]5 H: U8 C
这里，我们就需要用到一个高大上的仪器了，它就是陀螺仪。
7 W% }) y' u# V 陀螺仪 % h- q3 L+ f5 | T2 l' f9 R
$ v5 |& S3 X Q$ s 陀螺仪有一个非常重要的特性，这就是定轴性。 g7 \# d# N: h) P, j F
' f9 H2 O `( u3 W 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。 ; p+ e b$ M! ^4 p% L
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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* C& E3 c5 b1 O: x' F
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。 1 F' ?3 H p6 D' ~7 q1 H
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？ w4 B: D' J' U: B. ~8 Z( g: _. i
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。
. h& E3 N$ u, B 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？
8 D5 H4 W1 R% j) E& { 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。
1 a# ]% W5 m3 W* X 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。
6 ^( B. E( ~1 J 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。 - V# e: }: i Y+ z" j/ r) q
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。
|% [7 K) e m1 M 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。
8 O! c% c P6 {9 K! w 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。
) e8 Z3 v4 g- n F, D7 [9 a' O 惯性导航的特点
7 s. s& A# A* B 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。
% ~1 s. K. K( d0 i! r 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。
, W8 Y9 Q2 }1 O' U$ X8 o7 n: Q 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。
4 k; e3 b$ w- ?- `% C- x0 t1 e 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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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。 # ?( ]1 v7 D* R6 R0 f
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