在列昂納多·達芬奇的奇思妙想中,他設想了一種“可以水下航行的船”。但是他認為這種想法是邪惡的,因此沒有把這個想法變為設計圖。進入16世紀,荷蘭裔英國人克尼利厄斯·雅布斯縱·戴博爾建成了世界上首艘潛艇,由人力搖櫓推進。很快,人們發現潛艇具有極高的軍事價值,於是在18世紀的美國獨立戰爭中,耶魯大學的的大衞·布希奈爾建成了第一艘戰爭用潛艇,名為海龜號,內部僅能容納一人操作方向舵和螺旋槳。後來到了19世紀,法國人首先使用儲存好的壓縮空氣代替人力,建成了第一艘非人力驅動的潛水艇。不久後英國人又發明了用蒸汽推進的第一艘熱機驅動潛水艇。
鸚鵡螺號圖紙(1800年)
進入到第一次世界大戰,潛水艇得到了大規模的軍事應用
德國的U型潛水艇四年間共擊沉了協約國艦船數百萬噸,立下了赫赫戰功。到了第二次世界大戰,英國發明瞭第一代“潛艇剋星”——聲納,給德國的潛艇艦隊帶來了巨大的損失,在三個月內擊沉了超過一百艘潛艇。而日本、美國和英國等國家也在二戰期間發展出了自己的潛艇,潛艇技術逐漸擴散到世界各個國家。
真理正在朝我們緩慢駛來
20世紀50年代-核動力潛艇
時間到了20世紀50年代,世界陷入冷戰。隨着核動力技術的發展,核動力潛艇逐漸開始替代傳統的柴電動力潛艇,而電解水技術也解決了潛艇的氧氣問題。這兩樣技術革新大大延長了潛艇的潛航能力——從以往的幾個小時延長到了數週,甚至數月。此外,由於潛艇可以發射帶核彈頭的彈道導彈,隨着蘇聯和美國的彈道導彈潛艇的相繼服役,以潛艇為主力的“第二次核反擊力量”誕生5。
隨着潛艇技術的發展,潛艇的作業深度越來越深,從原來的數米到現在的數百米,有時能達到數千米甚至上萬米(1995年日本“海溝”號潛入馬裏亞納海溝),潛艇的通訊難度也變得越來越高。
眾所周知,在水中聲波可以傳播到很遠的地方,
最早的潛艇通訊
就是通過
聲波
實現的。然而聲波通訊是一把雙刃劍——既然潛艇能通過聲波聯繫到陸地上的基地,那麼敵人也能通過聲波尋找到你的潛艇。最早的潛艇探測器就是利用聲波的傳播性製作的聲納,因此用聲波進行通訊非常容易暴露自身的位置。
海底地形勘探船船載聲納的工作原理:當船經過工作海域時,船載聲納會發出寬度四倍於海水深度的扇形聲納射線以掃描海牀。為了得到海底的連續照片,(勘探船)通常需要進行多輪掃描。(右邊黃字)射線抵達海牀後會反射產生回聲,由勘探船接收。
聲波不能用,那我們用什麼呢——顯而易見,答案是電
磁波
。然而由於無線電波在進入導體後會迅速衰減,潛伏在海水(導體)中的潛艇無法通過常規無線電波與外界通信。通過電動力學中的簡單計算可知,在導體中電磁波的趨膚深度(可以理解為傳播距離)為:
其中為介質的電導率,為電磁波的頻率,為介質的磁導率。在這裏我們可以看到,電導率越高的材料,電磁波的傳播距離越短;
頻率越低的電磁波在介質中的傳播距離越長。
光也是電磁波,所以海底是一片漆黑的
顯然我們只能利用較低頻率的電磁波和潛艇進行通訊。最早被用於潛艇通訊的電磁波波段為
VLF波
(Very Low Frequency,甚低頻,波長在10km到100km之間),該波段的電磁波能穿透到海平面以下20米左右。潛艇可以呆在較深處,然後釋放一個漂浮的天線接收信號,從而躲過敵軍的探測。
然而這麼做存在
兩個嚴重的問題
:
其一,由於該波段的電磁波穿透深度仍然較淺,潛艇只能冒着一定風險上浮到一定深度再釋放信號接收器,因此潛艇的接收信號時間窗口較短,且仍有一定風險被敵方的聲納發現;
其二,由於電磁波的波長較長,其發射信號塔往往需要佔地數平方公里,潛艇顯然不能攜帶這麼巨型的信號發射器,因此只能被動的接收信號,沒有辦法進行回覆。
怎麼辦呢?最直接的思路顯然就是繼續降低使用的電磁波的頻率,從而使電磁波可以傳播到更深的海水中,使得潛艇可以在其作業深度接收信號。進入到上世紀60年代末,隨着冷戰形勢變得愈發嚴峻,美國海軍提出了Sanguine計劃。計劃中提出使用
ELF波
(Extremely Low Frequency,極低頻,波長在10,000km到100,000km之間)來進行潛艇通信,然而這個計劃因為潛在的嚴重環保問題而擱淺。後來實際建成的ELF波段通信工程被稱為ELF計劃,於1969年開始建設,1989年開始正式運作,發射頻率為76Hz的極低頻電磁波。建成的計劃設施中包含兩個電磁波發射器,實際相當於長達135公里的地面線形天線。由於ELF波發射天線極難建設,當今世界上只有美國、中國、俄羅斯和印度擁有ELF波發射設備。
ELF計劃發射天線之一
天線總不能越建越大(不然環保工作者要找上門來了,而且也沒有錢錢了)。於是,進入到90年代,美國有科學家提出使用在軌衞星來實現ELF波的發射3。其原理也相當簡單粗暴,就是讓一顆衞星拖着一根長達300公里的金屬線繞着地球轉圈,這樣就相當於一根長達300公里的垂直天線了……
然而不管怎麼説,這隻解決了剛才提到的第一個問題,潛艇通信依然只是單向的——在不上浮的前提下依然無法進行雙向通信。一種可能的技術是將
等離子體
製作為電磁波的發射和接收天線。頻率越低的電磁波,其波長也就越長。而在電動力學中我們知道,要發射波長越長的電磁波,我們需要尺寸越大的天線(鍋蓋)。因此在潛艇通信的發展歷程中,人類就在不停地建造更大的天線,發射頻率更低的電磁波,從而穿透更深的海水。等離子體天線概念的出現一定程度上打破了這種困局。
因為傳統天線的工作頻率取決於天線的物理尺寸,而等離子體的振動頻率取決於等離子體的密度,
因此理論上可以大大縮小天線的尺寸,從而實現潛艇的雙向通信。
一個簡單的等離子體天線
由於等離子體天線的便攜性,一旦ELF波段等離子體天線被成功製造,潛艇通信將會迎來重大的革新——潛艇上笨重的垂直偶極天線、氣球懸掛的天線和低效率的水平電子偶極ELF天線將統統會被便攜的等離子體天線取代2。
此外等離子體天線還有一系列
特點和應用1,4
:
·
等離子體天線可以抵抗電磁武器的攻擊
·
在不使用的時候,等離子體天線極難被發現(相對於傳統天線)
·
等離子體天線的性質受一系列的參數調控(温度、密度、磁場、電場、壓力……),因此靈活性極強
·
等離子體天線有較低的熱噪音
·
……
因此等離子體天線具有相當大的應用潛力,或許在未來某日外星人入侵地球的時候,潛艇可以大顯身手,保衞地球!