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龙之声军事观察:大洋黑洞——潜艇最恐惧的梦魇

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发表于 2017-12-8 13:19:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
  阿根廷潜艇失联已经超过一个月,可以预见艇上已经没有幸存者。幽暗深邃的大洋,看似平静,其实处处涉险。

  复杂的全球海洋水下环境

  从太空中看,由于蔚蓝色的海洋占据了地球的大部分表面积,因此,地球又有“蓝星”的美誉。根据统计,地球表面海洋面积约为3.62亿平方千米,是陆地面积的两倍有余(陆地面积约为1.5亿平方千米)。地球海洋的平均深度约为3800米,最深处为马里亚纳海沟——11034米。正是由于海洋的广大深邃,所以迄今为止人类虽然已经可以观测到约150亿光年外的星辰,但对于身边的海洋却是知之甚少。

  自1897年,美国人霍兰发明现代潜艇以来,借助海洋的天然隐蔽性,潜艇作为一种海战利器获得了极大的发展。其特有的隐蔽性、灵活性在两次世界大战中大放异彩。而二战以后,随着具备几乎无限续航能力的核潜艇的出现,让潜艇从此无须再暴露于水面,成为了真正的海中蛟龙。

  然而,人类对海洋的认识还相当肤浅,潜艇虽然可以避开水面的惊涛骇浪,但却不像一般的文学、影视作品中描述的那样,在水下“稳如泰山”。实际上,海洋环境极为复杂,除了波涛汹涌的海面外,在水面下也存在着温跃层、密跃层、海流和内波等暗流。也正是由于这些看不见的暗流存在,使得潜艇的水下活动甚至比水面舰艇更具危险性。

  海流

  海流是海水受外界影响,沿着一定方向的大规模流动。海洋表面的海流活动主要起源于风,大洋中表层的风漂流层深度可达200-300米。海洋内部深海的海流则主要源自热效应、盐效应所造成的海水密度分布不均,再加上地球自转的偏向力坐拥,便形成了海流既有水平方向上的流动,也有垂直方向上的流动。由于海岸和海底的阻挡及摩擦坐拥,海流在近岸和接近海底的敌方表现形式和在开阔的大洋上相比有很大差别。

  由于海流的流幅远大于潜艇的尺度,流速一般也比较大,因此对于水下低速航行的潜艇而言,会产生明显的影响。潜艇在有海流存在的海域航行时,由于海流的扰动,其实际航向与计划航向会发生偏离,而实际航行距离也难以精确测量,如不能及时修正航向、航速,很快就会扰乱计划航线,甚至迷航。潜艇在水下航行缺乏参照物,也缺乏主动探测手段,只能依靠惯性导航系统实施导航,这就更加重了水下航行控制的南都。即使有现代高精度陀螺仪的导航,由于难以修正偏差,潜艇水下惯性导航的偏差依然很大,即使是可以全程潜伏的核潜艇,也必须定期上浮到潜望镜深度,进行天文导航修正。

  当然,海流对潜艇的航行的影响不一定全是负面。如果掌握了详细的海流特性,海军也可以很好的利用海流。例如,在某些海区,海流方向可能恰好和潜艇计划航线一致,这样,潜艇就可以以最小发动机功率甚至关闭发动机,只需要在海流的带动下,即可悄无声息的越过敌人的防线。例如,在二战时,驻扎洛里昂的德国潜艇就利用大西洋和地中海因为盐度不同,导致表层大西洋海水经直布罗陀海峡流入地中海,底层地中海海水经海峡流入大西洋,这样一个地理特性,关闭发动机后,通过英军的海底监听网,进出地中海。

  1962年4月,美国长尾鲨号攻击核潜艇就是因为遭遇海底“断崖”导致沉默,全部129名艇员全部遇难

  跃层

  跃层是海水分层的表现。在垂直方向上,由于温度、盐度、密度等海洋水温参数在特定层次上出现剧烈变化,会导致上下层海水参数明显不同,进而产生“跃层”。跃层的形成和存在可能阻碍其上、下层之间的热、盐等物理参量的交换,对水下通信和监测影响显著,也会影响潜艇的生浮和沉降。根据环境参数的不同,跃层可以分为温度跃层、盐度跃层和密度跃层这三个主要类型。这样分类只是为了方便归纳,通常情况下,由于温度、盐度和密度三者是互相关联的,因此一个跃层往往带有多重性质。换句话说,水温越高,海水的盐度和密度就越小;反之亦然。

  在潜艇作战中,温跃层的影响最大,也最早应用于实战。一般来说,温跃层主要源自太阳辐射,导致表层海水水温上升,下层海水水温梯度增加,并最终形成温度的梯度变化。由于地球存在四季变化,因此温跃层的季节性很强,在太阳辐射强烈的春夏季节,温跃层容易大面积产生,而在秋冬季节,温跃层会缩小甚至消失。在某些较深的海域(比如中国南海),会存在局部地区的全年性温跃层。在海水状态简单的区域,一般只有一个温跃层,而在复杂海区,则可能出现两个甚至多个温跃层。

  温跃层形成后,由于两层海水之间的密度实际上发生了跃变,所以声波的传播速度也会跟着发生变化,有此即形成声跃层。声乐层的存在使得声纳发出的声波被束缚在声道和近海面区域,无法穿透跃层。这就为潜艇躲避水面舰艇提供了绝佳的天然屏障。早在二战期间,美国海军就率先利用了温跃层的声屏障效应,当时的美军潜艇都在指挥塔围壳上装一个水温探测器,并设置有记录仪,这样潜艇指挥官不但可以通过平时巡航监测来了解防区内的温跃层大致分布情况,以便在作战时逃避敌人的声纳探测;也可以利用水温探测器来判断当前温跃层的位置,从而潜入温跃层以下,逃离敌人的跟踪。

  另外,深海跃层带来的水下声道可产生汇聚效应,能够将声纳的作用距离扩大至几个汇聚区的距离上,潜艇声纳可以利用声传播过程中的汇聚区增大探测距离,做到先敌发现。

  通常情况下,水温越高密度越低,而盐度升高则密度增大。海水密度与水温、盐度和压力有关系,如今已经可以比较精确的计算出来,但这只是理论,实际上由于密度和温度、盐度的关系极为复杂,密度跃层的确切分布情况依然难以统计。目前已知在大江大河入海口通常存在稳定的密度跃层,而在深海大洋上通常存在季节性密度跃层。

  海水密度跃层能阻止其上下的海水对流,进而使得密度跃层可以稳定的维持存在。密度跃层对于潜艇的上浮下潜有重大影响。潜艇下潜后总体计算密度必须等于艇外海水的密度,才能维持稳定的水下航行状态。在密度上小下大的正密度跃层中,由于下方海水的浮力明显增大,潜艇在部分艇体位于密度跃层上方时,能保持相对稳定的悬浮状态,如同坐沉海底,这种情况在海军中叫做“液体海底”。“液体海底”可以让潜艇停坐其上,关闭主机和绝大部分可能发出噪声的机器,悄无声息的等待敌人到来,从而达到突然袭击的目的。

  从报道上看,372艇的历险中遭遇的是另外一种密度跃层,也叫“逆密度跃层”,这种情况也有一个海军名称,叫“液体断崖”。在这种情况下,海水上层密度大、下层密度小,一旦潜艇通过逆密度跃层的分界面,部分艇体进入下层低密度海水中,便会因为下层浮力减小而突然急速下沉。由于这种情况发生很快且没有预兆,再加上潜艇突然失去浮力,导致下沉速度极快,往往数十秒就能超过潜艇的极限潜深,所以极难控制,一旦指挥不当就会导致艇毁人亡。

  逆密度跃层是潜艇水下作战的大敌之一,由于其形成机理较密度跃层复杂得多,而且持续时间普遍很短,目前还难以准确预报。在冷暖海流交会的地方,冷海流由于海底地形等原因“爬”到暖流之上时就容易形成逆密度跃层;同时受海底地热影响也会形成逆密度跃层。

  2009年英法两艘核潜艇在大西洋亚速尔群岛附近海域相撞

  内波

  由于海水被跃层分为上下两个较为分明的层别时,若是出现扰动源,就会在下层海水中产生“波浪”,这就是“内波”。内波很难穿透跃层加以传递,而是在跃层和海底之间反复波动。内波可以贯穿几乎整个海洋的深度,而振幅通常可达数十米甚至上百米,远远超过海面波浪的幅度。内孤立波的波长可以达到几十米到几千米。强大的内波可能将潜艇抛向水面或者压向海底。如同水面波浪一样,当潜艇在海洋内波活动区航行时,也会产生“中拱”、“中垂”等现象,严重时会内波甚至会直接折断艇体。而小幅度内波也可以导致潜艇难以保持正常的航向和武器发射姿态,或者使武器发射后难以命中目标。

  根据统计,当潜艇遭遇波长接近艇体长度或者两倍余潜艇艇长的海洋内波时,内波对潜艇的直接影响极大,极有可能出现危险。在这种情况下,潜艇会随着内波出现剧烈的俯仰运动,并产生强烈的上下颠簸或左右晃动,如潜艇对应措施不当,就会出现意外。有资料分析认为,1963年4月10日失事的美军“长尾鲨”号潜艇就是因为遇到了海洋内波。

  根据当时的记载显示:长尾鲨号当天进行深潜测试,潜艇下潜后不久,伴随潜艇的“云雀”号潜艇救生舰就受到潜艇上浮的报告,同时声纳里听到用高压空气吹除压载水舱的声音。过了不久,“云雀”号受到紧急警报称:“我艇已经超过安全潜航深度,情况危急。”其后不久,“云雀”号声纳兵就听到了深海传来类似铁罐被压碎的声音,而“长尾鲨”号也再没有浮出水面。事后通过对当时周边环境的分析,美国海洋学转嫁热尔曼认为,“长尾鲨”号失事的原因很有可能是遭遇了强大的海洋内波,内波将其拖向了海底,最终潜艇受不了强大的水压而全面破碎。遗憾的是,“长尾鲨”号虽然启动了紧急排水系统,但是却没有发挥作用。根据事后调差发现,应急排水管路设计过细,导致结冰冻死,而后续的美军长尾鲨级核潜艇对于这一缺陷都进行了修改。也算是“长尾鲨”号作出的一点贡献。

  危险的海洋内波也并非一无是处。由于潜艇是一个水下运动的物体,它的运行也会激发海洋内波,而且由于潜艇是远比蓝鲸更大的物体(蓝鲸是海洋中已知的最大生物体),因此用卫星上的合成孔径雷达对海面进行扫描,再使用先进的算法除去海洋内波噪声的影响,就可以比较容易的发现高速航行的潜艇所留下的内波尾流,进而通过内波的扩散来监视潜在敌人的潜艇活动。

  曾经轰动世界的库尔斯克号潜艇事故

  总结

  虽然人类已经通过观测总结出了温跃层、密跃层、海流、内波等多种自然现象,但这些都是海洋的自然属性,不但影响范围大,而且人力无法干预,所以我们有必要加强对海洋水文的调查和研究,只有研究透彻了海洋,才能为我国的潜艇兵开辟龙宫的安全之路。

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