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核潜艇的长波通讯(图)
送交者: 三把刀 2017年01月05日00:10:48 于 [军事天地] 发送悄悄话

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?

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,潜艇只要上浮次数多一些,停留久一些,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。

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。

极长波和超长波等,它们遇到电离层时会反射。

二是,这两种波不受磁暴、核爆炸和太阳黑子的影响,抗干扰能力强,通讯稳定。

弊端也挺明显

从陆地上就能对千里之外的水下核潜艇发送指令,这真是棒极了。不过,凡事有利必有弊,极长波和超长波发射台非常庞大,战时容易被攻击和破坏。

在上图红点处,印度海军建了一个长波电台。占地18210亩,合12.14平方公里。

印度的这个长波电台,其中心桅杆高301米,建成的时候,是当时印度第三高建筑。

2014年,印度又在这个长波发射台附近新建了两根杆子,471米高,终于,它成为了印度最高建筑,旧的长波电台为特长波(波长为100到1000千米),而2014年经过拓展后,为极长波电台。


如果有兴趣,你可以到谷歌地球上搜索并查看这个世界上目前最高的军事建筑。

除了容易被攻击外,长波电台的另一大缺点是传输速度慢。波长越长,频率就越低,而电磁波携带的信息跟频率有很大关系,比如大家使用的WiFi,其频率最高为5G赫兹,也就是1秒钟振荡50亿次,每秒传输的信息可达800兆以上。

而极长波的最低频率只有区区3赫兹,也就是1秒钟振荡3次,最慢的时候每分钟只能传输几个字符,当然,如果缩短波长以增加频率,则每分钟可传输十几个字符以上。

所以,长波电台只适合发送极其简短的经过加密的指令,要使用它与潜艇通话,那是不可能的,视频聊天更是妄想。

最后一个缺点是,核潜艇只能被动地接收长波信号,显然,在核潜艇上安装一个庞大的长波发射台是不可能的。

即使缺点不少,但它的作用也不言自明。想象这样一个场景,你有一个极其重要的快递,里面含有全部的答案,但你不知快递员何时到达。而你,身在一个生死考场中,为了得到这个快递,若你频繁请假上厕所(上浮),那么你铁定会被怀疑,继而被捉到,但是,如果快递员与你提前商量好,当他震动你手机一下,你就举手请假,厕所里见,一次搞定!

这种“震动一下”的作用就是长波电台的使命之一,它可以给核潜艇一个简短的信息——何时何地上浮,从而与卫星进行短暂的连接并获得大量信息。

显然,敌方根本就不知道你会在何时何地上浮,所以,他们要追踪到你将变得很难。

美国的长波电台

图为位于美国威斯康星州的长波电台。

美国的长波电台使用频率为45赫兹和76赫兹,埋在地下的线缆就长达9656公里,该设施于1989年开始运作,一直使用到2004年。

俄罗斯长波电台

俄罗斯的长波电台,其官方报道的不多,公开的信息极少,我们只知道,它叫ZEVS,以及它在地图上的位置。
俄罗斯的长波电台ZEVS,其在地图上显示的军事建筑。
根据国外资料显示,ZEVS的天线系统的跨度如上图所示。(图片作者Vakarel)

随着与潜艇通讯技术的发展,未来,也许长波电台会被替代,然而目前,它依然在一些国家使用着。


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