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嘟嘟嘟……潜艇酱到底是怎么收到命令的呢?

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潜艇的构想最早出现于15世纪

在列昂纳多·达芬奇的奇思妙想中,他设想了一种“可以水下航行的船”。但是他认为这种想法是邪恶的,因此没有把这个想法变为设计图。进入16世纪,荷兰裔英国人克尼利厄斯·雅布斯纵·戴博尔建成了世界上首艘潜艇,由人力摇橹推进。很快,人们发现潜艇具有极高的军事价值,于是在18世纪的美国独立战争中,耶鲁大学的的大卫·布希奈尔建成了第一艘战争用潜艇,名为海龟号,内部仅能容纳一人操作方向舵和螺旋桨。后来到了19世纪,法国人首先使用储存好的压缩空气代替人力,建成了第一艘非人力驱动的潜水艇。不久后英国人又发明了用蒸汽推进的第一艘热机驱动潜水艇。


鹦鹉螺号图纸(1800年)

进入到第一次世界大战,潜水艇得到了大规模的军事应用

德国的U型潜水艇四年间共击沉了协约国舰船数百万吨,立下了赫赫战功。到了第二次世界大战,英国发明了第一代“潜艇克星”——声纳,给德国的潜艇舰队带来了巨大的损失,在三个月内击沉了超过一百艘潜艇。而日本、美国和英国等国家也在二战期间发展出了自己的潜艇,潜艇技术逐渐扩散到世界各个国家。


真理正在朝我们缓慢驶来

20世纪50年代-核动力潜艇

时间到了20世纪50年代,世界陷入冷战。随着核动力技术的发展,核动力潜艇逐渐开始替代传统的柴电动力潜艇,而电解水技术也解决了潜艇的氧气问题。这两样技术革新大大延长了潜艇的潜航能力——从以往的几个小时延长到了数周,甚至数月。此外,由于潜艇可以发射带核弹头的弹道导弹,随着苏联和美国的弹道导弹潜艇的相继服役,以潜艇为主力的“第二次核反击力量”诞生。 (Wikipedia 2020)


世界核平讲究一个我死你也得死

随着潜艇技术的发展,潜艇的作业深度越来越深,从原来的数米到现在的数百米,有时能达到数千米甚至上万米(1995年日本“海沟”号潜入马里亚纳海沟),潜艇的通讯难度也变得越来越高。

众所周知,在水中声波可以传播到很远的地方,最早的潜艇通讯就是通过声波实现的。然而声波通讯是一把双刃剑——既然潜艇能通过声波联系到陆地上的基地,那么敌人也能通过声波寻找到你的潜艇。最早的潜艇探测器就是利用声波的传播性制作的声纳,因此用声波进行通讯非常容易暴露自身的位置。


海底地形勘探船船载声纳的工作原理:当船经过工作海域时,船载声纳会发出宽度四倍于海水深度的扇形声纳射线以扫描海床。为了得到海底的连续照片,(勘探船)通常需要进行多轮扫描。(右边黄字)射线抵达海床后会反射产生回声,由勘探船接收。

声波不能用,那我们用什么呢——显而易见,答案是电磁波。然而由于无线电波在进入导体后会迅速衰减,潜伏在海水(导体)中的潜艇无法通过常规无线电波与外界通信。通过电动力学中的简单计算可知,在导体中电磁波的趋肤深度(可以理解为传播距离)为:

其中为介质的电导率,为电磁波的频率,为介质的磁导率。在这里我们可以看到,电导率越高的材料,电磁波的传播距离越短;频率越低的电磁波在介质中的传播距离越长。


光也是电磁波,所以海底是一片漆黑的

显然我们只能利用较低频率的电磁波和潜艇进行通讯。最早被用于潜艇通讯的电磁波波段为VLF波(Very Low Frequency,甚低频,波长在10km到100km之间),该波段的电磁波能穿透到海平面以下20米左右。潜艇可以呆在较深处,然后释放一个漂浮的天线接收信号,从而躲过敌军的探测。

然而这么做存在两个严重的问题

其一,由于该波段的电磁波穿透深度仍然较浅,潜艇只能冒着一定风险上浮到一定深度再释放信号接收器,因此潜艇的接收信号时间窗口较短,且仍有一定风险被敌方的声纳发现;

其二,由于电磁波的波长较长,其发射信号塔往往需要占地数平方公里,潜艇显然不能携带这么巨型的信号发射器,因此只能被动的接收信号,没有办法进行回复。


美国的VLF发射设备地理位置

怎么办呢?最直接的思路显然就是继续降低使用的电磁波的频率,从而使电磁波可以传播到更深的海水中,使得潜艇可以在其作业深度接收信号。

进入到上世纪60年代末,随着冷战形势变得愈发严峻,美国海军提出了Sanguine计划。计划中提出使用ELF波(Extremely Low Frequency,极低频,波长在10,000km到100,000km之间)来进行潜艇通信,然而这个计划因为潜在的严重环保问题而搁浅。后来实际建成的ELF波段通信工程被称为ELF计划,于1969年开始建设,1989年开始正式运作,发射频率为76Hz的极低频电磁波。建成的计划设施中包含两个电磁波发射器,实际相当于长达135公里的地面线形天线。由于ELF波发射天线极难建设,当今世界上只有美国、中国、俄罗斯和印度拥有ELF波发射设备。


ELF计划发射天线之一

天线总不能越建越大(不然环保工作者要找上门来了,而且也没有钱钱了)。于是,进入到90年代,美国有科学家提出使用在轨卫星来实现ELF波的发射 (Bannister, et al. 1993)。其原理也相当简单粗暴,就是让一颗卫星拖着一根长达300公里的金属线绕着地球转圈,这样就相当于一根长达300公里的垂直天线了……


然而不管怎么说,这只解决了刚才提到的第一个问题,潜艇通信依然只是单向的——在不上浮的前提下依然无法进行双向通信。一种可能的技术是将等离子体制作为电磁波的发射和接收天线。频率越低的电磁波,其波长也就越长。而在电动力学中我们知道,要发射波长越长的电磁波,我们需要尺寸越大的天线(锅盖)。因此在潜艇通信的发展历程中,人类就在不停地建造更大的天线,发射频率更低的电磁波,从而穿透更深的海水。等离子体天线概念的出现一定程度上打破了这种困局。因为传统天线的工作频率取决于天线的物理尺寸,而等离子体的振动频率取决于等离子体的密度,因此理论上可以大大缩小天线的尺寸,从而实现潜艇的双向通信。


一个简单的等离子体天线

由于等离子体天线的便携性,一旦ELF波段等离子体天线被成功制造,潜艇通信将会迎来重大的革新——潜艇上笨重的垂直偶极天线、气球悬挂的天线和低效率的水平电子偶极ELF天线将统统会被便携的等离子体天线取代。 (Anderson 1997)

此外等离子体天线还有一系列特点和应用: (Abdul Samad 2015) (Plasma Antenna 2020)

·等离子体天线可以抵抗电磁武器的攻击

·在不使用的时候,等离子体天线极难被发现(相对于传统天线)

·等离子体天线的性质受一系列的参数调控(温度、密度、磁场、电场、压力……),因此灵活性极强

·等离子体天线有较低的热噪音

·……

因此等离子体天线具有相当大的应用潜力,或许在未来某日外星人入侵地球的时候,我们可以看到这样的场景……


参考文献:

[1] Abdul Samad, Kashif Azim, Shahzada Alamgir Khan. 2015. "Comparative Analysis of Plasma Antenna with Metal Antenna." International Journal of Computer Applications.

[2] Anderson, Theodore R. 1997. "ELF Plasma Antenna." https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a637098.pdf.

[3] Bannister, P. R., J. K. Harrison, C. C. Rupp, R. W. P. King, M. L. Cosmo, E. C. Lorenzini, C. J. Dyer, and M. D. Grossi. 1993. "Orbiting transmitter and antenna for spaceborne communications at ELF/VLF to submerged submarines." In AGARD, ELF/VLF/LF Radio Propagation and Systems Aspects 14 p (SEE N93-30727 11-32).

[4] 2020. Plasma Antenna. Accessed 2020.

https://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_antenna.

[5] 2020. Wikipedia. Accessed 2020. https://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E6%BD%9B%E8%89%87.

部分图片来自网络

撰稿:黄泽森

插画:zunzun

美编:李莹


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