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出品：科普中国 2 M! G0 G2 X8 s1 ^9 W
制作：寒木钓萌 % }2 k( n1 ~; T0 n. `
监制：中国科学院计算机网络信息中心 & ` B8 W' @: |" y
潜艇用哪种导航系统？GPS？北斗？还是牵星过洋术…… 6 R* C0 A+ i4 k5 O; u. w @+ A
答案是都不用，所以……
+ V0 e' o: }8 b1 u" f5 g2 N; N- t 它们撞了！很惨。
( A8 b, T0 ?6 V+ _ 撞上一座大山
" }9 v z, D! s L/ U) A2 Z 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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5 p0 ?, m" q. J8 c% W0 n “旧金山”号艇首撞成一团乱麻，所幸核反应堆没有受损。 # f7 g3 t) I6 |, o
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！ C; _$ ?( i; R
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……
+ z7 t! z3 j' o N6 E- I8 Y 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 C! k" H a7 s& 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。 9 u) x3 M# Y, \+ K" ]# L7 A8 Y0 B1 z
不是有主动声呐吗 * F; P9 v Z( l8 q
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。 * d. W4 [' q7 Z# z+ r
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。
3 x3 D, G3 p. l4 M8 G8 K 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。 0 H( M. M* l7 ^0 ^- ^
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…… / }( B1 z* L9 N1 n7 X0 [
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。 * l1 `, T. ]9 o8 l8 k4 G
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 b6 M) z/ O% q2 u W0 s! }0 j' B 这里，我们就需要用到一个高大上的仪器了，它就是陀螺仪。
1 x9 ]8 ?+ b+ ~+ L 陀螺仪 ( v9 W1 S" J. [( J, |+ q5 c
' V% O1 v* k+ v9 f! X& t- X" }* U' S 陀螺仪有一个非常重要的特性，这就是定轴性。
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4 |8 H3 S: D) g! J/ v$ U: j: 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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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. |. Y5 F2 T! A' X) V% P% h& e- q 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。 0 s1 f2 D" ?- e, {3 a9 l
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？ . e: X* Q7 Z; b7 ~
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。 6 o" h# V! l. C2 \( P. J9 P& a
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？ : S2 M. H8 z& Y* l' Z0 T7 F0 m4 }( H
此时，我们又得使用另一个仪器——这就是“加速度计”。
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+ V+ Z$ S6 o3 B$ [% F u 加速度计大概原理。
9 t: j. d# l! u* H& ? 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。 , t' {+ ^+ z* S! U* y
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。 " @8 L0 G% l' x: k+ z; ~
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。
: J3 y y1 v* H+ j8 } 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。
4 M" t$ w5 z/ i a; n 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。
2 N" g: x: {6 A6 _5 ~1 r' \1 {+ l0 K 惯性导航的特点 7 W2 S$ W' d9 n3 a5 h1 J f
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。 8 @/ `; w) O5 g3 \* k) [7 Y" E
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。 ( E# C8 {# Q! c9 ?. B0 {
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。
+ B5 Q3 R/ K4 Y7 U- o" ^ 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。 4 M% E1 E. G4 u
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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。 7 |; q9 O7 u! u
& S. C! R4 }* p1 t1 w( K: ` 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。 2 e9 x8 R; f3 h) l) E, F6 j
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