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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。
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/ K0 M% R: B0 m5 u( D" C }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。* g- @8 v0 Y+ N& m) N( w
( J1 e W! k9 M( b! D; S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。
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6 m8 v5 E" y* j" r) J3 a* Q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。3 J9 [, y! k x, x' l6 w
9 r# l9 p( F9 Y/ p+ t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。7 w \6 o3 x! Y4 {" W; B" b$ i8 Q% }/ a
, d& R: b' Q* T |0 W2 b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。4 L4 P! c8 s' F6 W
2 C9 n% ~0 b4 z! X) B- F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。
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4 @6 C+ K; G3 W+ ~7 s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。
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2 a/ n9 N" O0 S" L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。0 i. g1 p. f1 Z" ?/ ^/ v
, B' f- `( S! u+ }( `: y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。
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+ v( R% C4 d, X: Y# ]: U' s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。) u) \! d: `; P" [3 n2 | J
* x, f }" x8 m很多年来,有各种远程搜潜的尝试,最主要的就是SOSUS。
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, Y# i, z' N; Q- B/ ~4 s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。
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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。
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& R7 e( r% G( a$ m! }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。: w7 M1 h+ \3 S. Q# t4 Q: Y
4 k% Q, y5 q, n# V% a- S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。8 o- `2 O/ F, t( Y t& F
0 P& h* P6 }9 N: M/ J I0 M5 B! F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。
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, T) @0 E0 w5 c1 b; P2 A* A5 e1 Y8 v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。
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$ ]$ e. ~4 }8 L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。
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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。
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' U: ?6 L& ^; ^7 R, {" \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。" c: Z! {% @ B) L" f* G
/ J; q5 G% w8 W2 z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。; O8 R9 g- l* m% \% G+ Y
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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。& m+ A9 j: S2 a- p' }8 ` ~& g5 a
1 y( d* n5 q5 P* W' R- [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。) _! T |2 j E# V
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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。
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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。
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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。
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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。
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但极长波的本质不精确性没法解决。6 e& O. c+ O/ Y+ B
3 K9 e0 k$ J* y* G* l. W; |' v! q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。
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) [2 b6 }* `7 X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。
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0 ^' ]) o, Z" l0 r: Q) ?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。# k& S0 m* ^% O2 v% P
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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。
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/ M9 Y- d' o) @7 S1 e# H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。
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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。
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9 `" p) [! {% C2 [" {% |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。3 m; M" u( U: i7 O4 J
/ I. B- W+ d. d5 H9 f% Y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。
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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。( B8 K. C6 `) I, Q
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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。
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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。
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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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