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出品：科普中国
% _0 B: b8 K+ G. Z 制作：寒木钓萌 # |8 l; w$ R# y. I$ w5 ~7 ~$ k+ z) V0 c
监制：中国科学院计算机网络信息中心 0 z/ u! x7 S) N U
潜艇用哪种导航系统？GPS？北斗？还是牵星过洋术…… % l' \$ z. y5 E% G3 g" h: o$ v
答案是都不用，所以……
0 ? Z. `0 g# v- x 它们撞了！很惨。 ) E+ l3 }9 J# S8 f/ Y
撞上一座大山
9 H; V s# H4 }! o: B 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。 9 I. @' e( k0 X" Z, Q
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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。 4 J% B( A& o: d" E. R, u9 T2 |
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！
$ v; J0 ~- x) u 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…… m* C- Z9 V; b- I5 m' M
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。 ; K9 B- B; a# z# n3 P, T
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。 4 [+ Y' b' P' i5 I( {
不是有主动声呐吗
: D; f; I* f5 P3 l2 }6 c- v 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。
( Z7 h- X- s1 G 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。
- O) _3 r3 G6 ^/ 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。
6 ^8 G' o1 e0 C3 E1 |8 M/ Y 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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7 O2 f$ l& _* R b! a9 [ 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……
* E) j* s' E2 P9 M& \ 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。 * r) B; A8 l1 Q% h* L
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？ - M3 P' r& }! }9 ?( ^
这里，我们就需要用到一个高大上的仪器了，它就是陀螺仪。
' ~8 f& E* u! J. z 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。
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' G! U1 o# {5 Z4 h+ t! j G+ 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。 ! z& ~) v1 L5 I( C. V
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。 / [+ y C, H- D
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？ " p9 o( w7 M1 \4 }6 |2 u
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。
( R9 S! D# S& s0 v4 w( b! @7 M 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？ 6 m) A' [( \9 t# B, S8 f: r1 U3 j
此时，我们又得使用另一个仪器——这就是“加速度计”。 z% Q+ g+ r0 t9 ~- F& E
) l: |6 o' H8 q' |4 i& M2 I' c 加速度计大概原理。 # k( n. p* m) m$ r3 \7 P
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。 3 {" `# {% }6 t. P D: U
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。
: O! {' V9 z/ j+ B( ~) H; F4 Q( I- u- ~ 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。 8 s: u7 t, C! U5 L
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。 ; [ X7 K' u- b( f* w B
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。 & N7 J$ h5 t" f% }
惯性导航的特点
- ]( M( ]/ j% i6 A' s9 w 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。 % O8 m {; w, X" q
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; k$ A7 B9 }+ V& p. Z 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。
* h c! n/ _+ F5 U2 C 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。 . L0 v1 Z( b' Z3 X
0 b. N0 F( H. P1 }- j9 z 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。
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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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