潜艇潜航信号从哪来？没它可不行
2017/1/4 16:59:19 中国科普博览
早期的潜艇，其水下航行远小于水面航行时间，此时，与潜艇的通讯难度不大。然而，自从拥有无限续航的核潜艇出现后，与潜艇的通讯就不是那么好解决了。
核潜艇水下潜航数十个昼夜，茫茫大海，它们的精确位置不知晓，此时，如果需要它们发起攻击，又该如何指挥它们呢？
核潜艇的困境
战备值班时，若核潜艇三天两头浮出水面，那么，与核潜艇的联络将会很容易。可核潜艇若随意上浮，别说现在，就是在二战时，德国的潜艇就被盟国飞机上的雷达搞得不胜其烦，就像老鼠见了猫，损失惨重。目前，各大国的侦查卫星，以及各种电子侦查飞机是如此的先进，潜艇只要上浮，就会迅速被定位和发现。
所以，长时间潜航于深海，这才是核潜艇的核心战斗力所在，而十几天甚至一个月都不上浮，另一个棘手问题就会接踵而至——怎么去指挥调度它们？
用声波如何？
不到两千克的小炸弹，其爆炸声能传播4000多公里，这是我们了解到的一个事实。然而另一个事实是，海中地形复杂，在一些复杂海域，声波的传输会受到极大的限制。在哈尔滨工程大学的公开课上，时洁(博士生导师，副研究员)介绍了这么一个实验，在中沙和南沙群岛之间，炸弹声的传播距离为600公里左右，而在南沙一些复杂海底地形区，用同样的炸弹，其声音只能传播1到2公里。
用声波的另一个局限是，速度很慢，海水中，声波速度为每秒1500米左右，而地球周长4万多公里，如果我们与潜艇的通讯距离长达1万公里，则声信号需要接近两小时(111分钟)才能传到潜艇上。即使我们能忍受这种低速，另一个问题也难以解决，那就是声信号远距离传输后的严重失真。
声波不行，常规的无线电也靠不住，怎么办？
用极端的无线电。
波长10万公里
电磁波速度即光速，约每秒30万公里，计算公式就是简单的波长乘以频率，根据波长的不同，电磁波的种类可分为伽马射线、X射线、紫外线、红外线、微波和无线电波。
如果有一种波，它的波长高达10万公里，那么根据光速，可知其频率只有3赫兹。这样的波叫做极长波，如果是从频率上来命名，它叫做极低频。
▲在电影《功夫》中，周星驰问邪神先生：沙包大的拳头见过没？!
在这里，我们也可以问：10万公里长的波见过没？
答案是，都没见过!地球半径才6371公里呀!
极长波的波长在1万公里至10万公里之间，相应地，其频率在30赫兹至3赫兹之间。
比极长波的波长更短一些的，叫超长波，其波长在1千公里到1万公里之间。
实践表明，波长越长的电磁波，其对海水的穿透性越强，比如超长波对海水的穿透性可达100米以上。
而极长波就更不用说了，它可以穿透到200米深的海水里。早些年，国外曾做过实验，一艘潜行于120米深的潜艇，利用300米长的拖拽天线，成功地接收到了来自4600公里外发送的信息。
▲潜艇收到极长波信号示意图
对海水的穿透性不是超长波和极长波的唯一优点，实际上，它之所以被用作潜艇通讯，还有以下两个因素。
一是，这两种波的通讯距离非常远，而这主要是它们容易被大气层中电离层反射，从某地发射，向上碰到电离层时，可反射到数千公里远的海域。
▲极长波和超长波等，它们遇到电离层时会反射。
二是，这两种波不受磁暴、核爆炸和太阳黑子的影响，抗干扰能力强，通讯稳定。
别高兴太早!弊端也挺明显
从陆地上就能对千里之外的水下核潜艇发送指令，这真是棒极了。不过，凡事有利必有弊，极长波和超长波发射台非常庞大，战时容易被攻击和破坏。
▲在上图红点处，印度海军建了一个长波电台。占地18210亩，合12.14平方公里。
▲印度的这个长波电台，其中心桅杆高301米，建成的时候，是当时印度第三高建筑。
2014年，印度又在这个长波发射台附近新建了两根杆子，471米高，终于，它成为了印度最高建筑，旧的长波电台为特长波(波长为100到1000千米)，而2014年经过拓展后，为极长波电台。
▲如果有兴趣，你可以到谷歌地球上搜索并查看这个世界上目前最高的军事建筑。
除了容易被攻击外，长波电台的另一大缺点是传输速度慢。波长越长，频率就越低，而电磁波携带的信息跟频率有很大关系，比如大家使用的WiFi，其频率最高为5G赫兹，也就是1秒钟振荡50亿次，每秒传输的信息可达800兆以上。
而极长波的最低频率只有区区3赫兹，也就是1秒钟振荡3次，最慢的时候每分钟只能传输几个字符，当然，如果缩短波长以增加频率，则每分钟可传输十几个字符以上。
所以，长波电台只适合发送极其简短的经过加密的指令，要使用它与潜艇通话，那是不可能的，视频聊天更是妄想。
最后一个缺点是，核潜艇只能被动地接收长波信号，显然，在核潜艇上安装一个庞大的长波发射台是不可能的。
即使缺点不少，但它的作用也不言自明。想象这样一个场景：你有一个极其重要的快递，里面含有全部的答案，如果快递员与你提前商量好，当他震动你手机一下，你就出来，这样一次就能搞定。
长波电台就可以充当那种“震动一下”的作用，它可以给核潜艇一个简短的信息——何时何地上浮，与卫星进行短暂的连接并获得大量的信息。但敌方根本就不知道你会在何时何地上浮。
美国的长波电台
▲图为位于美国威斯康星州的长波电台。
美国的长波电台使用频率为45赫兹和76赫兹，埋在地下的线缆就长达9656公里，该设施于1989年开始运作，一直使用到2004年。
俄罗斯的长波电台
俄罗斯的长波电台，其官方报道的不多，公开的信息极少，我们只知道，它叫ZEVS，以及它地地图上的位置。
▲俄罗斯的长波电台ZEVS。，其在地图上显示的军事建筑。
▲ZEVS在地图上的位置如上面的红点所示。
▲根据国外资料显示，ZEVS的天线系统的跨度如上图所示。(图片作者Vakarel)
随着与潜艇通讯技术的发展，未来，也许长波电台会被替代，然而目前，它依然在一些国家使用着。
出品：科普中国
制作：寒木钓萌
监制：中国科学院计算机网络信息中心
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