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出品：科普中国 ! D, |( f# `& L0 E$ s- J
制作：寒木钓萌 - o$ G. Q( n7 R' t) U7 s/ W
监制：中国科学院计算机网络信息中心
* a4 c) [# V1 ?) f8 v' A' k% c2 M 潜艇用哪种导航系统？GPS？北斗？还是牵星过洋术…… , I' p/ [; A( e
答案是都不用，所以…… % d! Q- d- a8 w" `: t' i
它们撞了！很惨。
7 F' ]9 ^1 H0 A! N2 R 撞上一座大山
# \/ c' |; i* s; o% i4 d 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。 ; D6 F) j$ H9 L$ z: m
$ _4 E* Q7 y ~5 X% {( e3 M, r “旧金山”号艇首撞成一团乱麻，所幸核反应堆没有受损。 % L" |, ?% l( O, c9 h
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！
6 D. g1 M% V+ ?, e) N, E 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……
6 U; i( `' ~: v 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。
# b/ m% e' K& l: C 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。 % `3 l: w) U7 P. Y
不是有主动声呐吗
* f5 q3 u8 y/ h* b! T6 y 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。 . ?( v" B. p4 q* G7 V! k
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。
: f1 R# W% G" [. B- y 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。 $ J4 ~/ K5 Y0 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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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 O: N7 T2 n! x* }: 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。
2 }5 \2 p. }3 ]+ 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？
3 O4 F0 t( T4 q 这里，我们就需要用到一个高大上的仪器了，它就是陀螺仪。
. S" O! D) P7 [3 q$ g& } 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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! {" L& o2 _" n! H% Z 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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. i, v( \* \! z- n- U 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。 * O; [9 }3 M: z/ a8 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。 & u: { L* q a! }& e k2 ?
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？
' h% S% @* R1 H, w# j 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。 3 C' @1 D4 S5 G8 E! U7 }2 V% n
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？ % l1 T0 o# ^, B1 A# q- O
此时，我们又得使用另一个仪器——这就是“加速度计”。
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3 p6 j. x9 C" F7 h6 b& u3 O# m 加速度计大概原理。
7 s, U8 p1 q4 E 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。 8 N, I& g* j8 o, E
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 g, C$ z4 [$ o$ O) U' e 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。 * F) l! \, y4 k- n, T: a$ s" 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。
# k, @+ R, x, _* t# Z' A5 M6 E 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。
/ S- i/ n2 I( j0 A( k! T8 M0 y9 ~ 惯性导航的特点
* H6 d# n% }$ o$ J5 ?5 A; ?, y4 P 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。 7 Z0 ~8 Y( T# j/ O
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。 4 X: @0 r; v9 P0 J3 t
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。
" b( [9 F% q" F, b# U) Y( O8 J 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。 ( i, |/ ]* s2 b* N+ b9 {: x/ I
/ |$ H2 K: d5 a 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。 % k% r" a2 S, h8 o a6 {1 @% r
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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。 ! j/ p- O% x' k9 A6 m. g/ L
4 T" f. R- t% D& b/ n" F “科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。 8 {8 n- x/ F3 `# U/ \$ g1 Q
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