极长波搜潜意味着美国海军潜艇优势不再

晨枫 · 发表于 2023-10-4 04:30:33

中国科学院福建物质结构研究所在《中国舰船研究》上发表《自然空化下潜艇感应电磁信号的演化》一文，指出潜艇空泡产生的电磁异常以极长波形式出现，可以在远距离被探测到。这可能成为反潜探测的突破。

在一战和二战中，潜艇绞杀战差点把英国打趴下，但那时的潜艇只是可潜水的鱼雷艇，潜航时间很有限。现在，核潜艇使得无限潜航成为可能，而且不仅速度快，静音也越来越好，几乎达到海洋背景噪声的水平。被动的水声探测越来越困难，主动的水声探测则受到复杂水声环境的影响，还容易打草惊蛇。

在中美对抗的大环境下，潜艇成为美国海军最后的优势领域，航母和大型水面战舰方面已经不占优了。

反潜首先要搜潜。一旦发现和精确定位，潜艇就死定了，但要发现和精确定位可真是不容易。

雷达无法穿透海水，光也很难穿透海水，只有声波还行。海洋里本来就有各种水流和生物噪声，加上远近船舶噪声，这是比空气中的雷达恶劣得多的探测环境。针对复杂的水声条件，也衍生出多种多样的声纳。

水面战舰是最传统的搜潜平台，舰上空间宽大，便于装载各式大型搜潜装备，口径为王，灵敏度高。问题是舰艇本身的机械和水流噪声较大，海面的波浪噪声也较大，影响声纳工作。主动声纳可以增加信噪比，但水温跃变层有近乎反射镜的作用，使得跃变层下的潜艇难以被探测到。

航空反潜在二战中发挥巨大作用，但靠的是潜艇潜航时间有限的漏洞，在上浮或者通气管状态下充电时用雷达捕获。在核潜艇时代，这个诀窍不管用了。红外、磁异都有用处，但探测距离和深度都有限，除非直接从潜艇上方飞过，很难可靠捕捉。

现代航空反潜一般用空投的声纳浮标搜潜。美国喜欢用被动声纳浮标，苏联喜欢用主动声纳浮标。在理论上，被动声纳浮标不易惊动潜艇，可以抓现行，在对方没有提防的时候就予以猎杀。实际上，投放入水时的“噗通”声可以被潜艇声纳可靠地捕获。要是距离和水声条件使得潜艇听不到声纳浮标入水的“噗通”声，声纳浮标也听不到潜艇的声音。潜艇声纳的口径可比声纳浮标大多了，灵敏度高多了，水声环境也更加安静。

主动声纳浮标肯定惊动对方潜艇，但探测可靠，也可能使得对方忙中出错，自投罗网。

直升机反潜则以变深声纳为主。到一个点，把声纳像吊篮一样放下，沉入海中一定深度，搜索完毕后收起，直升机再到下一个搜潜点重复这一过程。但声纳的口径受到限制，也需要多点搜索才能完成三角定位，很费时间，容易被潜艇在搜潜点的间隙中溜走。

一般认为，潜艇是最好的反潜平台，因为搜索与被搜索的潜艇处于同样的环境，谁都不占优势，但这是“三岔口”式的互相摸索。

很多年来，有各种远程搜潜的尝试，最主要的就是SOSUS。

这是在海床上固定布设的被动声纳装置，灵敏度高，可探测几百、上千公里外的潜艇活动。美国在60年代就开始建立，现在遍布北大西洋、北太平洋。中国也在建立，首先在南海。但这也是非常粗略的探测，并不精确，远远达不到可以引导攻击的精度，只是提供远程预警。

卫星据说可以“看到”水下潜艇的航迹，但并不可靠，而且对光线、海况、斜距等要求很高。与其说是有用的探测手段，不如说会偶尔撞上。

光在本质上是电磁波，水下没有多深就是漆黑一片，这意味着光线穿透海水的能力不强。所以激光搜潜在本质上也是有局限的。

但极长波是个例外。极长波和极低频是一回事。极长波可以在水下传播，这是战略核潜艇接收打击命令的基本手段。美苏都有极长波电台，还有专用的带有极长波设备的战略值班飞机。一旦最高统帅部决定启动海基核打击，就通过极长波系统发出预定指令。在水下的潜艇接收到后，要么按照约定上浮接收卫星通信发来的完整打击命令，要么按照对约定目标直接启动打击程序。

极长波的频率极低，所以数据率极低，只能发送非常简明的命令，一啰嗦就发不过来了。

但极长波能穿透海水这个特性，现在被中国人利用来揭示潜艇行踪了。

高温和低压都能导致水的气化，这是中学物理就知道的。游泳时，手划水，手掌推水形成压力，手背形成涡流，这是负压。负压强到一定程度，海水会局部气化，形成空泡。人手达不到这样的负压，但螺旋桨能。

螺旋桨在转动时，侧斜的桨叶在旋转中一面搅动水体，一面形成向船尾方向挤压的分量，桨叶背面就形成低压区和空泡。船的螺旋桨即使完全浸入水中，也会打起白沫，就是空泡的原因。潜艇螺旋桨也一样。

空泡形成的尾迹在船开过后很久还能看到，因为空泡比较稳定，要过一段时间才会破裂和被吸收。在水下，空泡破裂是潜艇非机械噪声的主要来源，一般用大侧斜、低转速桨叶来抑制，但不能消除。

空泡产生的湍流导致局部电磁异常，其信号可能比先进磁异探测器的灵敏度强3到6个数量级，完全在现有技术的探测范围内。不过磁异探测器的探测范围有限，如前所述，除非直接飞过潜艇上方或者相距很近，还是很难捕捉到。

不过磁异导致的极长波信号就不一样了。这是34-50赫兹之间的极长波信号。但极长波会在电离层反射，在很远的地方也能接收到。这就是天波雷达（OTH雷达）的原理：用电离层反射的电磁波信号探测几千公里以外的目标。

OTH雷达有很多好处：隐身飞机对OTH雷达是现原形的，航母也一样会被抓个正着。OTH雷达有近界，襄樊建造面向太平洋的OTH雷达的话，近界在杭州到赣州一线，更近的看不到了；但远界差不多到关岛一线。

OTH雷达也有很多坏处。首先，天线阵巨大，像一个竖立的足球场，布满奇形怪状的金属框架和笼子。飞机上需要极长的天线才能捕获，极长波通信中继飞机是用几公里长的拖曳天线实现的，少量专用极长波反潜飞机在高空也这么拖一根几公里长的天线还行，一般反潜飞机以低空飞行为主，还要拖这样的天线不大现实。其次，OTH雷达非常不精确，不仅极长波本身就不可能有高分辨率，还有电离层风暴的问题。如果说电离层像海面，这个海面会不时有风暴。太阳黑子活动期间尤其风暴强烈，平静的电离层被搅成一锅沸腾的粥，使得反射路径不确定。OTH雷达的探测精度在几十到上百公里级。

在空间气象实时监测高度发达后，或许能全球监测电离层风暴，对OTH的路径实时矫正，但现在还做不到。做到了也不能解决极长波的本质不精确性问题。

以空泡电磁异常为基础的极长波搜潜也有一样的问题：电离层风暴导致探测的不精确性。

海洋里产生空泡的物体很多，快速海流都可能在水下礁石的下游方向形成空泡。但自然空泡的位置要么随机，要么固定，形成规则航迹的不多。鲸鱼游动则是不形成空泡的，其中的仿生原理现在人们还在摹仿中。通过先进数据处理和航迹追踪，应该可以鉴别潜艇空泡和自然空泡。水面舰船航行也形成空泡，但在不同的水压、水温环境下，空泡的电磁异常特征应该和水下空泡不一样，这也是区分的线索。

但极长波的本质不精确性没法解决。

好在潜艇的速度相对不快。隐身飞机有几十公里的探测误差的话，用作武器引导，那是一点戏也没有。打航母有几十公里探测误差的话，也需要赶紧派一个补充侦察手段去详查，精确定位，然后才谈得上发射远程导弹。

潜艇在理论上可以和航母一样飙30节的航速，但机械和水声噪声都极大增加，SOSUS老远就听到了。要是有就近的舰船、飞机，或者调集舰船、飞机靠拢，什么常规手段都能精确定位，然后潜艇就没有然后了。也就是说，根本不需要极长波探测。

但以低得多的“安静潜航速度”航行的话，没有引导，舰船和飞机泛泛的水声搜潜就很容易当作海洋自然噪声而漏过。有引导的话，仔细搜索，还是能捕捉到的。这和反隐身飞机一样，即使试图隐藏在环境噪声中，但被抓住蛛丝马脚的话，仔细凝视搜索，就难逃罗网。隐身不是不可见，潜艇也一样。

在这里极长波搜潜就是那个引导。而且可以保持相对连贯的监视，引导海上和空中的反潜力量靠拢目标，提高捕获概率。这和卫星的“惊鸿一瞥”不一样，后者可能在下一瞥之前的间隙中被目标溜掉。

有意思的是，通常被动探测只能侧向，不能测距。但在极长波搜潜方面，由于是基于电离层反射，测向肯定是可以的，还可以测俯仰角。入射角等于反射角，电离层、地球表面的相对关系和形状都已知，电离层反射的延长线与地球表面的相交点正好就是目标测距。当然，距离越远，角度越浅，误差越大。

在理论上，航速足够低的话，空泡几乎消失，也就是说，极长波也搜不到了。但海洋那么大，核潜艇要是这么慢慢蹭的话，一个太平洋走直线也够蹭个把月的，黄花菜都凉了。

而且低速潜航的话，核潜艇就丧失对常规潜艇的优势了。常规潜艇潜航时用电池动力，比核潜艇还要安静，但只能低速航行，否则电池电量一下子就用完了。核潜艇的“安静潜航速度”高于常规潜艇的电池巡航速度，可以围着常规潜艇打。潜艇对潜艇的战斗和一般战斗一样，在其他条件相同的时候，相对静止的一方只有挨打。

在这样的战斗中，常规潜艇尽管更安静，但核潜艇的声纳口径更大，双方并无太大的探测距离差别，机动和火力优势决定了战斗。常规潜艇要是提高速度，早早用尽电池，被迫上浮，就更是死路一条。

但要是只能低速潜航，核潜艇的手脚就捆住了，对常规潜艇也没有优势了。要是敢提高速度，形成空泡，敌人就不只是常规潜艇，还有被引导过来参加围殴的舰艇和飞机。

对于中美对抗的大设定而言，中国海军能在第一岛链以东建立反潜线，就是很大的战场优势。与中国航母、055、轰炸机、反舰弹道导弹、反舰高超音速导弹在一起，这也是可靠的反航母线。

有了这样的战场态势，台海战争就是完全不同的打法了。台海战争胜负落定的话，中美之争在军事层面上就大势已定了。

当然，现在发表的只是理论研究，离实用化还有距离。不过制造业超级大国的优势就在于产品化速度也超级。理论上的路走通了，实用化还会远吗？

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[武器展望] 极长波搜潜意味着美国海军潜艇优势不再

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