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# L, e7 w% V( ^! ]) U1 z 出品：科普中国 $ G8 b+ c1 Z n' F- z
制作：寒木钓萌
! r) k+ n1 o4 C8 ?5 ? [" x/ I 监制：中国科学院计算机网络信息中心
1 y& L+ b' j6 Q9 I5 _8 d% C 潜艇用哪种导航系统？GPS？北斗？还是牵星过洋术……
8 y0 |) s4 X9 l1 p8 X* V9 b 答案是都不用，所以……
; J5 M" T+ c, p2 ]8 c I 它们撞了！很惨。
; R) \. {" M& h2 V4 Q7 y' c2 G. S1 a5 z; Y 撞上一座大山
5 e& f/ Q5 g7 I# v 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。 2 N6 \' V- H$ _
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“旧金山”号艇首撞成一团乱麻，所幸核反应堆没有受损。
0 P9 J( P4 I; [& b 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！ % }1 [. O8 p0 `
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…… # h: Z- {9 ?9 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。 0 J, s+ a: _0 j; J! E7 m
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。 1 T/ h* A4 m% `) T! R5 }3 G2 l
不是有主动声呐吗 0 A' Z0 L& Q- r6 |4 I9 F
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。 8 ] e8 U* K' x( ^+ a
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。 & P9 S* _- t2 @9 s' f" G4 O
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。
& u5 @) q9 }; e2 H' ?- z6 S% ^ 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。 - y* H& z' E, V3 ^/ a
# e% ^* |& w: F% G2 x& n 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……
- g1 C; r6 ^ m. }) Q2 u2 L 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。 8 Y6 s5 k& `+ Q* E9 R& T' f
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？
S3 N A1 Y& o% F( M" {" H 这里，我们就需要用到一个高大上的仪器了，它就是陀螺仪。
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陀螺仪有一个非常重要的特性，这就是定轴性。 % P( M9 ^8 D/ i1 c+ \; M
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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。
- [! N/ M/ H' H8 f 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。
' P( E1 Z! ~, l0 V7 n4 j 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？ c1 s' I( u1 K4 a% Z" ]
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。 , ?! b) N* M. H. W4 E6 T
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？ 2 }% \3 \. ^2 S% _9 O
此时，我们又得使用另一个仪器——这就是“加速度计”。 3 X, c& R9 N( U& p6 t
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加速度计大概原理。
+ s; i" r8 z j1 y( @( i, n; e4 \ 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。 $ b% z# o) ^, i! t+ t. A
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。 3 [2 ^( ?8 D' n' I6 Y5 g
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。
; e: }1 K, A) W( w1 _ 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。
, {, t# x2 p% U# p- p" G 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。 6 B$ r2 _8 ]/ H4 v+ z
惯性导航的特点
5 v/ d; j& a6 S 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。
9 X3 W7 P* r. o E k 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。 V# p* V6 f! s2 v- V1 a
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。
% D4 t1 O( X( v0 l5 G 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。 7 i" m+ z, A$ R$ ~1 F ^3 H
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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。 5 L% c5 }5 u3 b) K8 b( Z( v h5 R+ F
) z$ F2 e0 T0 A 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。
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