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“海狼撞山”,真是因为主动声纳没开吗?

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出品:科普中国

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制作:大晖

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监制:中国科学院计算机网络信息中心

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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”。

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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)

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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?

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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。

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没开主动声纳,是撞山的原因吗?

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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。

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但是,“海狼撞海山”这个锅真的要由主动声纳来背吗?

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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。

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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。

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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。

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潜艇水下航行声呐探测示意图(图片来源:凤凰网)

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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。

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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。

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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)

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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。

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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”。

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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;

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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。

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为了保持隐蔽性,潜艇声纳系统主要以被动工作方式为主。

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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。

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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。

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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。

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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。

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所以,别再说“海狼”撞山是因为主动声纳没打开啦!

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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?

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在水下航行的潜艇,究竟如何导航定位?

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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。

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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。

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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?

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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、重力场定位系统海底地形/图像匹配系统等。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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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蕙兰心质
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