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出品：科普中国 ' z; _+ Q, @6 m
制作：大晖 4 M: a' O4 X- k% Z+ m; H f/ P' F
监制：中国科学院计算机网络信息中心 1 W8 V$ s3 ?( ]0 m. ?
2021年10月2日，美国“海狼”级攻击型核潜艇“康涅狄格”号发生水下碰撞事故后，美军对事故原因一直遮遮掩掩。直到11月1日，美第7舰队才发表事故调查声明称，该潜艇在南海水域相撞的物体是“未知的海底山”。 $ ~$ |) V- ^- b( H2 G0 s4 ?# }5 l9 \0 [. j: O
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拍摄于10月20日的“康涅狄格”号核潜艇卫星照片 （图片来源：美国The Drive网站“战区”栏目）
/ ~. E" n4 Y. o! n, v* T 为什么最先进的“海狼”级核攻击潜艇会撞“海山”呢？类似的“海狼撞海山”的事故是否可以避免？潜艇水下航行时，又是如何避免碰撞等航行事故的呢？
8 o& E K. | e 今天，我们就借着“海狼撞山”这件事，根据公开的信息，聊一聊潜艇水下航行导航定位和避碰的手段。 ! Y7 G8 [( _! C& W4 b$ g
没开主动声纳，是撞山的原因吗？ - c$ m& H7 h' P
碰撞事故发生后，许多分析认为：核潜艇为隐蔽行动，主动声纳未开机是导致撞击事件发生的主要原因。 ; ]; f! r+ f0 \
但是，“海狼撞海山”这个锅真的要由主动声纳来背吗？
% ~+ z0 o: J9 @5 ]6 c1 q 众所周知，声波是目前唯一可以在海水中有效远距离传递信息的载体。现在潜艇导航定位的主要设备声纳，就是利用声音实现水下导航、测量和定位的。
* Z2 N- m& Y4 b 声纳一词“SONAR”的来源，其实就是英文“Sound Navigation And Ranging”（声音导航和测距）的首字母缩写。 " h7 j9 T7 g& ~' f9 g$ t
现代先进潜艇通常在艇艏装备球型声纳基阵、舷侧装备舷侧阵列声纳、艇艉装备拖曳式线列阵声纳等。特别是核动力攻击潜艇，可装备多达15部左右的声纳。 $ g' B/ `. t& D; v1 @
5 ~, }% W- P* `# W 潜艇水下航行声呐探测示意图（图片来源：凤凰网） 3 z1 G/ S( I' A I6 Y$ K# D
这些声纳按功能可分为警戒声纳、攻击声纳、探雷声纳、通信声纳、识别声纳、被动测距声纳和环境噪声记录分析、声速测量、声线轨迹测算声纳等。 ! V' s' M6 v r& C
它们在潜艇上以基站的形式系统整合，用于对舰船等水面目标和潜艇、水雷、鱼雷以及冰山、海底障碍物等水下活动或固定目标进行搜索、识别、跟踪、警戒、探测、定位和水声通信等。 / Y$ e- ^0 ?0 @ m8 z G
! z ^: B7 [7 n0 u 潜艇与水面舰艇、飞机水声对抗示意图（图片来源：参考文献1） * J+ m e. Q( E3 Y- G1 ?
同时，潜艇声纳系统还能持续对活动海域声传播条件、本艇和环境噪声等进行监测和分析，以便选择最佳的战术机动和声纳使用方式。 2 x* A) ~0 m# g. j
需要着重指出的是，目前大多潜艇、包括核动力攻击潜艇，除在艇艏装备“主动声纳”外，舷侧阵列和艇艉拖曳阵列声纳等大多为“被动声纳”。 + R5 ?9 p3 n8 A, x B+ n
所谓主动声纳，就是主动发射声波进行水下目标探测和通信等； 0 R3 E8 E, K- {. w
被动声纳，就是不发射声波，以被动监听方式、收集目标声响信息进行探测、定向和跟踪等。 9 J6 a+ H/ p8 ~/ T5 a
为了保持隐蔽性，潜艇声纳系统主要以被动工作方式为主。
) I9 k4 v6 y+ w6 q( Z 主动工作方式只是在鱼雷射击前，用以对目标定位，为鱼雷武器射击指挥系统提供目标精确坐标数据。
/ w3 b2 G1 u3 I; u- Y 可以这么说，主动声纳主要不是用来保障潜艇航行，而是用来实施鱼雷攻击的。 . w9 r: [% v+ o2 E; b b' V
根据公开可查的消息，“海狼”级核潜艇装备的是AN/BQQ-10 ARCI V5声纳系统。其中，艇艏为BQS-13DNA型主/被动声纳，舷侧为六个（每侧三个）BQG-5型宽孔径阵列声纳，艇艉为两部拖曳声纳阵列（TB-16D粗线阵和TB-29A细线阵）。另外，还装备有BQR-20噪声测向声纳、BQS-24探雷避碰声纳、WLR-9A侦察声纳和WQC-2通信声纳。 1 ~ p$ i2 ^" [; d
特别要强调指出的是：“海狼”级声纳系统极其先进，达到了攻击型核潜艇的最高水准，可以在本艇机动中使用被动声纳精确测量目标舷角等，精准解算远距离目标的运动要素，并自动生成火控诸元。 % _, w- }8 i) S- O3 I% n1 ^9 U+ G
所以，别再说“海狼”撞山是因为主动声纳没打开啦！ - R6 L& }- j/ Y2 y4 ]* D/ t( L
那么，除声纳之外，为潜艇水下航行导航定位的手段还有哪些呢？ 5 m- M5 K$ j8 h- A2 R
在水下航行的潜艇，究竟如何导航定位？ ! e* c4 c, _. a
大家可能对水面舰船、汽车等的导航定位比较熟悉，只要有详尽的海图或地图，再有海上航标或公路指示牌等，就能安全、便捷地上路并准确到达目标的。
0 Z6 ]6 ` z, O, g1 g/ t 但是，潜艇水下航行，既无法看到航行标志、也无法接收GPS信号、更不能有效接收无线电信号，甚至连接收指令信息都要求在规定的时限完成。特别是核潜艇等执行水下隐蔽航行任务时，艇上连过大的声响都不允许发出。 7 o2 s1 H& D8 O5 A2 |4 B
这种情况下，潜艇导航、定位和避碰是如何实现的呢？是不是只有声纳这一种手段呢？ , C2 x; l. W! M5 a
实际上，现代潜艇还普遍装备有先进的电子海图系统、惯性导航系统、地磁场定位系统、重力场定位系统和海底地形/图像匹配系统等。 5 S/ K- n" ?# O; ]/ U1 r0 T
其中，惯性导航系统是确保水下潜艇确定并保持航向的先进导航设备。该系统的主要元器件是陀螺仪和加速度计，它根据陀螺的输出建立导航坐标系、根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置。
! C% n' v9 b6 L 而且，惯性导航系统是自主式导航系统，抗干扰性能强，既不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量。非常适合需要长时间在水下隐蔽航行的潜艇。
! _0 w* {+ j j" T. L! A 该系统装载在潜艇上，通过测量潜艇的加速度，自动进行积分运算，获得潜艇瞬时速度和瞬时位置数据，并显示在导航坐标系中，从而得到潜艇航行的航向、速度、偏航角和位置等信息。
- G" v) Q1 `6 h7 l 潜艇的航向、速度感知问题经惯性导航系统解决后，还要解决好潜艇自身位置、潜艇与水下各种航行障碍物（碍航物）相对位置和与水下其他运动目标之间的位置感知关系，建立起全方位的相对运动态势，才能有效地避免碰撞，确保安全航行。 8 l5 X, Q7 P! E! T' c* C
此时，就需要综合运用地磁场、重力场定位系统和海底地形/图像匹配系统等，与声纳系统一道，将潜艇自身的位置、航向、航速等信息，潜艇周边海洋环境信息，不明潜艇、水雷、冰山和海底碍航物等信息，通过电子海图系统，以综合态势图的形式呈现出来。潜艇指挥员据此操纵潜艇规避危险并对敌实施攻击等。 4 N2 }4 t! ~5 Y& ^
可以说，现代潜艇除了声纳系统外，还依靠多种系统相互补充与印证，并通过智能化显示技术，及时发现碍航物、准确规避各类航行危险，确保水下航行的潜艇在既定航向、深度安全航行。
7 S& B' H. Y0 X8 s, @ 潜艇航行安全问题一直牵动人心，此次“海狼撞山”事件也再度引发了各方对于潜艇航行安全的关注。因此，正如我国外交部发言人汪文斌所说的，只有详细说明事故相关情况，才能充分回应各界的关切和疑虑。 % q9 V* B3 A; {6 E9 q& f
参考文献： 杜召平等著《国外声呐技术发展综述》，载《舰船科学技术》2019.41-1.
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