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
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?!(动图)
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。