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i3 Q( _! ~. I# E6 G, p 出品：科普中国
8 v3 @3 \6 S9 T) | 制作：寒木钓萌
/ }+ N* I! q' g3 x4 }/ F5 X 监制：中国科学院计算机网络信息中心
& C. |$ ~! d/ Q7 M0 Z# V 潜艇用哪种导航系统？GPS？北斗？还是牵星过洋术……
& c; m7 J7 N! L 答案是都不用，所以…… 0 h0 k9 w8 o$ t6 w
它们撞了！很惨。 / |; p# p. f# U7 X; P. `1 S
撞上一座大山
- d. j6 q, ^/ m 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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! J3 t' _ Y' D “旧金山”号艇首撞成一团乱麻，所幸核反应堆没有受损。 + w9 s) t& D c7 c( w/ k* B) M" w
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！ ; L0 f6 E. X$ H. a8 N" }, l
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……
* h9 W6 J0 c4 f2 z+ U 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 M3 S* e+ W; p1 |, r( o
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。 $ r1 ]/ ~& K6 p" F8 J3 U9 f
不是有主动声呐吗 ( q4 N* V% t4 r5 Z/ E
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。 5 v m) O/ R' u3 t
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。 8 Z, D) b: g/ ]+ t6 [! 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。
5 d6 f; X# z2 @" G: B7 I 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。 1 \3 p* S8 m h5 B) x5 F
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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…… 3 | Q* Z) }+ R# M* i+ ]/ S7 s P$ h3 z
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。 # w. I4 h8 _- w; l
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？
1 t/ u% m9 \9 S8 Z% N 这里，我们就需要用到一个高大上的仪器了，它就是陀螺仪。 9 G( v# L" ~8 H3 n- S
陀螺仪
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) R4 v$ {; n5 Y- Y- u. { 陀螺仪有一个非常重要的特性，这就是定轴性。 0 A2 W( B X, Y% b* B7 h
J3 I2 E R1 F. [5 m# Q9 H; g9 A 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。 8 i8 E& }# E2 S% C
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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。 + b) p* A5 t. }+ [2 T$ ~1 \
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。 + b. q7 d ?& O
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？
- W7 H: g! O; S% A 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。
_; ?4 n) `# }6 z& K4 s 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？ / A+ S5 v8 i1 Q% F) A
此时，我们又得使用另一个仪器——这就是“加速度计”。 ' ^( V3 O- Z& U. @" M+ M- G% o
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加速度计大概原理。 # v6 h- }3 P* B9 S' V# `" Y' ]5 {
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 o( G( q$ [/ [
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。 4 J# t6 ], A6 B# E' m0 {0 X
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。 ! G. P9 d' I" x3 F4 X* G
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。 + b" U" L7 k ^ h# @
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。
$ d4 Q; {) Q/ m$ N# o0 s/ o 惯性导航的特点
7 @; g% j# \7 I1 q% p; t C 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。 $ E' e2 j* m; Z7 B9 P, Y
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。
5 p% w( O; U5 d 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。 ' V" \" w$ { s5 W# a7 U; L1 y
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 ?0 G$ J# j 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。 / F; ~: W4 o% _6 K: U: {
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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。 , B: q: F* h& A! W# t8 q1 t, ~( S+ ~
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