外军军史▏美国海军潜艇的北极冰下导航（上）

美国Nautilus号柴电潜艇

⒈ 1931年Nautilus号潜艇的首次极区探险1931年9月，Hubert Wilkins和Harald Sverdrup通过Wilkins的潜艇Nautilus号进行了探索北冰洋的首次尝试。Nautilus号是对前海军潜艇O-12号的进行顶部推进器改进以滑过海冰下缘而来.这次航行主要在挪威Spitsbergen以北的北冰洋冰区进行了21天的航行。航行时采用六分仪观测太阳来确定位置，采用天文钟确定时间，每天接收无线电信号修正天文钟。两次天文定位之间，通过一个Sperry型陀螺罗经和一个ChemikeefiF型计程仪来推算位置。在82°N以南，陀螺罗经采用正常工作模式，在82°N以北回转力矩不足以寻北时，陀螺罗经采用方位仪模式。在冰间湖进行周期性上浮观测太阳确定舰位，来校正罗经航向和推算位置。太阳舰位的最大误差圆直径为2nmile，夏季海雾和低云笼罩还使误差进一步增大，航行过程中确定了18个太阳舰位。航行开始和结束时进行陆标精确定位，据此修正推算的舰位。由于艇只改造难以克服潜艇浮力和海冰性质差异造成的困难，这次探险以失败告终，但是积累了大量的数据，包括水深、海水温度、盐度、海底底质、地球重力和磁力数据等，为26年之后Nautilus号柴电潜艇探险北极铺下了重要的基础。

⒉ 1947年美军柴电潜艇的首次冰下操纵 1947年8月在北极楚克奇海域，美国海军“Boarfish”号柴电潜艇在时任太平洋潜艇舰队司令A.R.McCann的指挥下,利用声纳在北冰洋第一次成功下潜,在冰下行进了12nmile。艇上装备了3套声纳，前视、上视和下视声纳。前视系统是二战中开发的操纵潜艇穿越日本海雷区的扫描声纳(Model QLA-Ⅰ)。上视和下视声纳是典型的脉冲声波系统，用于测量潜艇顶部距离海冰底部的距离和潜艇底部距离海底的距离。通过这些声纳的引导，在上至冰盖下至海底的自由空间里自由穿行，在可能遮挡航路的任何深度的浮冰周围操纵。这次下潜，破除了冰下航行的神秘感，学会了冰盖扫描声纳图像的判读方法以及冰下引航方法，并确立了开发一型北极潜艇和一套冰下操纵技术的目标。在随后，为舰队级的柴电潜艇开发了下潜技术、声纳和导航系统。由于北冰洋没有编制过航海图，只有一些Nansen的Fram浮冰站和和前苏联冰站所获得的水深资料，所以这次试验性的操纵只在楚科奇海的已知海域中进行。楚科齐海浅海及浮冰的相关知识，大部分从Harald Sverdrup博士那里获得，拉普捷夫、东西伯利亚和楚科奇海的海洋学数据，则从挪威Maud北极探险项目获得，描述了海洋、海冰、海底、洋流和海水温度/盐度结构。1948年夏，美国海军柴电潜艇Carp号从北冰洋的Pt Barrow到挪威的Spitsbergen进行了33天的航行，开发出了一套在冰下定位以及在浮冰间的冰间湖上垂直上浮的技术。即潜艇可以在冰下穿行，上浮到冰间湖充电，然后下潜继续航行直到再有必要上浮进行充电和定位。1950～1954年，利用美国和俄罗斯的破冰船，美国海军尽力对波弗特海和加拿大群岛各海峡的海底地形图和海洋图进行了测绘和构建。1952年夏，柴电潜艇Redfish(SS-395)号带着这些必需的海图向Pt Barrow以东海域进发，进行了最远的探险性巡航，首先在Pt Barrow以东海域下潜，然后绕着波弗特海到McClure海峡。1952年8月28日到达McClure海峡入口处的Cape Prince Alfred之后，通过该海角处陆标来修正估计的舰位。导航的方法与Wilkins的Nautilus号相同，即通过陀螺罗经、螺旋桨转数、通过六分仪确定的太阳舰位，以及利用标准无线电时间信号(WWW of the Bureau of Standards)进行周期性校正的天文钟。

⒊ 1957年核潜艇Nautilus号首次极区航行1955年1月17日美国造出第一艘核潜艇Nautilus(SSN-571)号，无需上浮充电就能保持续航力，这对冰天雪地的北冰洋极为适用，尽管不是为极地冰区设计，美国人还是急忙启动了首次核潜艇极冰下航行计划。该艇加装了特殊设备或仪器，包括：1952～1953年Redfish上采用的上视声纳系统，装在甲板以观测潜艇上方海冰。陀螺罗经Sperry Mark19作为主罗经，潜艇制式陀螺罗经Sperry Mark23作为备份罗经，潜望镜上加装了天文高度记录仪，两套气泡六分仪(手持式和潜望式)和一套机载型方位陀螺罗经作为备份设备。1957年8月16日开始，Nautilus从美国Connecticut的New England启航，航经格陵兰海，9月1日在79°N、05°E处上浮,在潜望镜深度用雷达进行了陆标定位,然后从水面航渡到北冰洋冰盖南界，在上浮点以北30nmile处第一次下潜到300英尺(92m深)，以12kn航速向北航行1天、航程70nmile后，尝试从冰间湖的无冰海域上浮，但撞到了一小块浮冰，撞坏了潜望镜并撞碎了潜艇上表面一部分。经过艇员们艰苦的努力修好了潜望镜，9月3日第二次下潜到350英尺(108m)的深度，以12kn的航速径直向北航行。9月4日下午，冰下航行了,360nmile后ꎬ在接近经度85°45＇N、0°经线处，遇到了大麻烦：两套陀螺罗经的电源因保险丝的熔断而中断了1min。为重获参考方向，将Mark23辅助陀螺切换到方位仪模式并对准到艇上辅助性磁罗经所确定的真经线上。虽然高纬度磁罗经确定的参考方向误差很大，但冰下又没有别的办法重置方向。在Mark23罗经方位仪模式下，Nautilus继续沿陀螺罗经设定的航向向北航行，电源失效后6h后，Mark19陀螺仪似乎解决了进动并重新对准了经线，此时已到85°N、08°W处。随后，Nautilus用小舵角缓慢转向180°，以尽量减小对陀螺罗经的扰动ꎬ然后在Mark19罗经的引导下，返回南部无冰水域。鉴于位置误差较大且重调过陀螺罗经，艇员们分析一切线索以判定是否处于开往Spitsbergen的航向上。通过将所观测的海水温度、海冰覆盖及海底地形与该区域Sverdrup的数据比对，发现潜艇处于格陵兰岛的溢出海流中而且在估算位置的西边，因此，航向打到东南，海水温度很快升高5℃，表明已远离格陵兰海流。9月6日凌晨，Nautilus抵达无冰海域并继续向Spitsbergen前进，以便陆标定位，将过去3天航迹修正到最可能的值.这次下潜耗时超过74h，以13kn的均速航行了962nmile，最远到达距北极点180nmile处，显示了核潜艇比柴电潜艇强得多的多任务能力。

⒋ 1958年Nautilus号核潜艇第一次穿越极点1958年1月美国海军决定派遣两艘核潜艇到北冰洋：Nautilus从白令海峡穿越北冰洋到Spitsbergen、Skate从大西洋到北极点再返回到大西洋。对Nautilus进行了必要的极区环境适应性改造，如：⑴加固艇体和甲板，以承受在竖直方向上与海冰的碰撞；⑵为Mark19和Mark23陀螺罗经提供最可靠的电力供应；⑶加装高分辨率的海冰成像声纳。上视剖面声纳的波束收窄(2°)，以观测比常规潜艇行进更快造成的海冰漂移的快速变化。当时与苏联竞争发射第一颗人造卫星时落了下风，美国想在第一次穿越北极方面扳回一局，但一旦失败就得不偿失，为了保全面子和保密，艇上没有安装可能暴露行动目标的前视海冰规避声纳，这给潜艇安全穿越冰区造成了极大困难。1958年6月进行了尝试，但在Cape Lisburne遇到了吃水深达78英尺(24m)的浮冰，艇底距海底只有23英尺(7.1m)而艇顶只有10英尺(3.1m)净空，吃不准前面是否还会这样，只好返回夏威夷等待，直到冰盖消融到楚科奇海更北地方，在Pt Barrow西北角以西上浮，然后花了2天时间找到一条穿过冰群到达深水区的航线，从Pt Barrow附近一条海谷下潜至北冰洋，这条海谷1951年由破冰船找到。8月1日开始沿巴罗海谷轴线下潜，沿东北方向航行到北极点，下潜前通过雷达进行了陆标定位，舰位误差圆0.2nmile。由于巴罗海谷地形已制成海图，途中通过测定海底深度来确定位置，舰位误差圆大约是0.3nmile。到达155°W后Nautilus径直往北，可用的海图只有必需的Nansen海图和一条从苏联浮冰站和冰岛浮冰站T-3上获取的水深线，已无法通过水深或其它冰下观测定位，只好从巴罗海谷最后一个已知舰位处开始推算。潜艇航向由Mark19陀螺罗经指引ꎬ并假定保持在沿155°W经线的航向上。沿着该航向的距离通过螺旋桨转数推算，从最后一个已知舰位到北极点之间的距离是1080nmile。由于缺乏足够回转力矩ꎬ纬度86°～88°附近某处，Mark23陀螺罗经将不能寻北。为了监控Mark19罗经并在纬度86°N以北寻北，在84°N处将辅助陀螺罗经Mark23设为方位仪模式，观测的陀螺漂移速率为0.17°/h。穿越北极点大约17nmile后，Mark19陀螺罗经停止工作、转向180°后再重启ꎬ抵达86°N后将其重新对准到经线上以寻北。重调期间，由假定漂移速率不变、方位仪模式下Mark23罗经引航，事后导航分析显示：Mark19罗经约在88°N处变得不寻北。通过分析陀螺罗经的引航过程和从巴罗海谷开始量测的距离，可知北极点处陀螺罗经造成的位置误差为1.7nmile，距离推算的位置误差为11.9nmile，因此,90°N处不确定椭圆可能是11.9×1.7nmile。Nautilus上装备的惯导系统为校准引航和推算舰位提供了一个独立的、精确的参照系统。艇上装备的惯导系统，本来是为中程吸气式导弹的制导而研制的自动导航仪Mod N6A，经改造后加装在Nautilus上。该惯导系统的两个加速度计感受(东西向上)的地球旋转速率来确定纬度。在某位置处(如巴罗海谷)，用已知纬度和相应地球速率来启动系统计算机。运行过程中系统周期性地计算真北方向并生成纬度，并由感测到的重力垂线进行检核，因此，相比于任何陀螺罗经，系统给出的是没有时间累计误差的纬度和精确、稳定得多的方向(如航向)。然而由于陀螺漂移导致的时间累积误差和速度感测不精确性导致的累积误差，经度方面系统还只是一种推算定位设备。系统除计算常规地理坐标系(经纬度)下的位置和方向，还要计算横向坐标系下的位置，即将位置标绘在一种横向墨卡托投影上，这是一种用于极区的矩形格网，上面90°N不是奇异点。横向标绘从80°N开始直到90°N再回到90°N，过极点时的读数可以顺滑地标绘，对于最后接近极点过程中的改正航向极为重要。地理坐标系下极点附近的标绘很不规律，因此通过横向标绘改正陀螺罗经(与Mark23的差值变化在1～2°)将Nautilus引向极点。87°30′N以前INS都可以确定方向，该纬度以下地球速率的水平分量足以使陀螺系统计算出方向，高于这个纬度方向误差就依赖于陀螺漂移速率(接近0.01°/h)，引航穿越极点的误差大约是0.2nmile(369m)。从最后一个已知舰位到极点的距离来看，N6A导航仪比螺旋桨转数算得更准，因为Nautilus沿着155°W经线径直北行时，除沿着154°W经线的最后60nmile外，N6A都是通过感受地球速率来计算纬度。N6A指示极点位置的另外一个特征，是通过标绘固定平台水平轴的方向余弦来输出结果。极点处这些方向余弦接近0同时Z轴方向余弦变得无穷大(与地球自转轴的夹角为0)。极点处潜艇位置误差椭圆是0.25×0.20 nmile(461×369m)。1958年8月3日格林威治时间23:15，Nautilus到达了极点90°N，然后继续前行穿越极点ꎬ沿着26°E的经线径直向南，在87°30′N处，N6A重获方向感受(寻北)能力。然后继续向79°19′N、04°12′E前进，并在北极冰盖以南的无冰水域上浮。利用六分仪连续观测太阳定位，位置误差为5nmile，惯导从巴罗海谷最后一个舰位推算的位置也在此圆之内，二者相符。Nautilus经过99h穿越了北冰洋，随后继续前行到英国Portland并受到热烈欢迎。

美国Skate号核潜艇

⒌ 1958～1959年Skate号核潜艇冰下穿越极点1958年7月30日，美国海军核潜艇Skate号从Connecticut的New England启航，8月10日到达Spitsbergen并利用雷达测定了一个舰位，此后以不同速度和深度沿着10°E经线一路向北,8月12日到达北极点附近。Skate携带了与Nautilus类似的导航装备，包括1套N6A自动导航仪并有一名保障专家，导航过程也类似。花了12h终于在距北极点40nmile的地方找到一小块冰间湖(80×200码,74×184m)，经过小心操纵Skate在冰间湖垂直上浮，将艇体顶部浮出水面。此处通过潜望镜获取了太阳位置线，位置误差约为3nmile，在这个孔洞处，才将无线电信息发送到南方很远处的海军接收站。该潜艇继续测量北冰洋水深，直到8月20日离开而进入格林兰海.其中一项引人入胜的内容，是沿着横贯北冰洋洋底的Lmonosov Ridge这条最重要的海山链进行测绘。在北冰洋10天航程中，Skate先后,9次在冰间湖无冰水域上浮。由于连绵的厚云或浓雾遮蔽，只有少数几次上浮可利用太阳进行定位，导航仍主要依赖N6A自动导航仪和偶尔的太阳观测校正。第二年(1959)北极正处于冬季时，Skate又重返北冰洋。1959年3月3日从新英格兰出发，这是潜艇第一次在北冰洋冬季航行，格外黑暗而且几乎完全封冻。夏季时无冰的冰间湖再也不见了，如果冰盖被风吹裂形成一条无冰水缝，一天之内会再次冻上，因此必须采取新办法使潜艇能在够上浮。除增加了一套水下电视摄像机、一套漂浮电缆天线和一个试验性上视回声声纳外，Skate上安装的设备与前一年夏天没有区别。该回声声纳专门用于冬季冰下环境，早期任务中的回声声纳只用于简单地描绘潜艇上方的海冰底部轮廓、无冰水域或物体。在不改变潜艇潜航深度的情况下，通过将浮冰底部轮廓与沿着浮冰的无冰水域比对来测量海冰吃水，若没有无冰水域，就无法测量浮冰吃水。试验中，通过一个机械伺服环将回声声纳连到潜艇的静水力学深度传感器上，该传感器记录了潜艇甲板到海冰底部的距离，也就确定了海冰的吃水(距海面的静水力学距离－到海冰的声学距离)，这样就不需找到开阔水域就能确定海冰吃水。冰盖下我们两次重新设计并重构了这个试验性声纳，最终能估计海冰吃水并辅助冰下操纵决策。不像夏天在无冰水域的垂直上浮，艇长设计控制了垂直上浮以撞击海冰、破冰而出的上浮过程，该过程需要处于冰盖上可接受厚度的冰缝，定位潜艇并以可控制的速率垂直上浮，Skate撞击一些坚韧的冰缝时会被反弹回来。3月14～27日的13天期间里，Skate10次破冰而出，做出了广泛的巡游并对那段时间的北冰洋进行了测量。Skate的第三次上浮(1959年3月17日)是北极点附近找了6个多小时的冰缝之后，崎岖高大的冰丘间一条大约1英尺(31cm)厚、10码(92m)宽的冰缝。Skate破冰进入近乎黑暗、浓云密布的天空，无法进行天文观测。极点附近海底平坦而无任何特征，通过回声测深仪来定位的作用可忽略不计。在系统加速度感受和推算定位能力之内，由N6A自动导航仪估计的舰位处于北极点。

⒍ 1960年Sargo号核潜艇冬季穿越北极冰海Skate和Nautilus都没有装备任何声纳来探测和规避海冰而以“声盲”方式航行，为克服“声盲”，设计制造了一种与二战避雷声纳类似的海冰规避声纳，为克服艇体上方海冰厚度的量测问题，进一步开发了上视声纳系统。要测试这种新型探冰声纳并深入了解北冰洋，需执行最困难的任务--北极冬季从太平洋穿越冰区到北冰洋，这将穿过水深很浅的白令海和白令海峡，然后穿越浅浅的楚科奇海抵达北冰洋深处。穿越航线有900nmile长、150英尺(46.1m)深，被浮冰完全覆盖。从1958年6月Nautilus的经历和随后的研究可知，冰盖上有大量深达90英尺(28m)或更深的大块浮冰，没有给潜艇的冰下匍匐前行留下足够空间，这里也是世界最大的海底平原之一，海底十分平坦，航行过程中可能非常贴近海底。这次探险，由美国海军潜艇Sargo号(SSN-583)的处女航完成，艇长John H.Nicholson曾经是1958年Skate号第一次北极探险时的副长和航海长。1960年1月18日，Sargo号离开夏威夷，1月26日抵达白令海峡St Matthew岛附近的冰盖南缘。从岛上获取了一个雷达舰位并观测四条罗兰C位置线之后，Sargo号在连绵不绝的冰下向西北行驶ꎬ直到St Lawrence岛西边的Anadyr海峡。水深逐渐减小到37fathoms(68.3m)。对新型海冰规避声纳进行了多次测试，并学会了如何估测所“看到”的潜艇前方冰脊的吃水。Sargo加装了Nautilus第一次穿越北极时所用的N6A自动导航仪(INS)，并与海冰规避声纳共同使用。在St Lawrence岛西部的Tatic Point破冰而出并利用雷达进行了一次陆标定位。绕过St Lawrence Island之后，继续向东北航行到白令海峡，水深进一步浅至25fathoms(46.1m)，某区域海底空间的逼仄一度降到只有25fathoms(38.7m)。这个空间之内Sargo号自身就占用了51英尺(15.77m)，只好在从顶向下的连绵“海冰山头”群中钻来转去地找路，从犬牙交错的大“山顶”间的“鞍部”艰难穿过。即便在“鞍部”，海冰吃水也达到了13.8m，只留下了30英尺(9.2m)的缝隙，供冰底到潜艇顶部、潜艇底部到海底之间的距离分配使用。Sargo号距海底15.20英尺(4.6～6.1m)，冰下滑行时潜艇顶部仅有10～15英尺(3.1～4.6m)的净空，这已相当逼仄，意味着潜艇操舵员只能将俯仰舵角保持在水平线的5°以内，以免艇首或艇尾一头扎泥里去了，实际上操舵员只能保持更小的控制角，大约±1/8°，接近冰脊时确保声纳波束轴投射到前方以正确判读出前方冰脊的吃水。到达白令海峡后Sargo破冰上浮，在Walse亲王角和Diomede岛通过雷达测了一个舰位。气温很低时雷达瞄准机构已经冻上而不能用，下一步所有舰位只能通过目视观测陆标或天文观测来获取，Sargo号继续向北，从白令海峡向西北，在浅浅的楚科奇海里钻来爬去走了475nmile。找到1948年Harald Sverdrup建议的一条海谷，然后在Harald岛附近破冰上浮，通过气泡六分仪定了一次舰位。这种舰位的误差圆大约是3nmile。N6A惯导解算的纬度与之一致，但经度相差了4nmile。Sargo在楚科奇海到北极点之间继续探险，绘制海底地形图、海冰覆盖图和地球重力图。通过定期上浮尝试导航定位，定位的唯一可行方法是通过气泡六分仪观测天体，通过散布的读数可以看出这种定位的误差是4nmile。由于能感受到地球重力的垂直分量，N6A自动导航仪解算出的纬度结果好一些，可能在2nmile以内或更小。Mark19陀螺罗经可以继续寻北直到纬度84°30′(误差在0.2°)，此处开始有5°的摆动，从该点开始切换到方位仪模式，并将N6A转换到横向坐标系(横向墨卡托格网)下解算，开往极点过程中利用格网航向引航。格网朝着170°经线，沿着这条到极点的格网线直行，以精确导航到北极。2月9日，航行到距离极点2nmile时，N6A解算出了到达极点的方位和距离，走完N6A所指示的方位和距离后，潜艇距北极点仍有1nmile，Sargo号冲破，3英尺(0.9m)的冰层浮上水面，刺向一片漆黑，气温零下36°。无云的天空众星闪耀，月亮露出半边脸蛋。上浮1个小时之后，N6A指示潜艇处于距极点3nmile处。通过气泡六分仪测定了一个天文舰位，解算的位置散布在极点周围4nmile的圆里，还是不能确定潜艇或北极点的精确位置。微弱星光下没有足够光亮照亮六分仪刻度盘，造成了读数误差，而观测太阳则会好很多。Sargo号从北极点开往Mc Clure海峡并在海峡里冒险行进了100nmile，然后穿过波弗特海到一个大冰岛--Bravo冰站(以前被称作T-3冰站，美国空军占据)。Sargo在该冰岛下面测量了其下部轮廓和形状，块头令人印象深刻：10nmile×5nmile长、吃水深达160英尺(49m)。随后，Sargo经过艰难的浅水航程南穿白令海峡和Anadyr海峡，到达白令海南部的敞开水域。从北极点开始的这轮导航采用的是N6A自动导航仪。纬度的可能误差保持在2nmile以内或更小，航向误差在1°以内。定期上浮并通过气泡六分仪观测太阳、月亮或星星来确定位置，这些舰位的误差圆是4～5nmile，与N6A确定位置的经度差异或推算误差介于2～7nmile之间。阿拉斯加北岸有5个无线电信号站，在此航行时尝试过一次无线电定位，密集的北极光干扰了信号接收而无法测向，向南航行时唯一可用的其它措施，是观测Pt Barrow以南罗兰A位置线ꎬ以及St Lawrence Island西北角的一次陆标观测(这些舰位的误差圆为1nmile)。1960年2月24日傍晚，Sargo从南白令海的冰下浮出，完成了31天的冰下航行，期间进行了20次破冰上浮，在冰下航行了6003nmile，其中,2002nmile处于浅水区。Sargo号策划并验证了在全年任何季节北冰洋任何区域的航行能力。

（未完，待续）

美国海狼级攻击核潜艇

■本文作者：温朝江 陈秋 汪志军 卞鸿巍 刘文超。第一作者介绍：温朝江，1985年出生，男，博士研究生，主要从事极区导航研究。资料来源于《中国测绘地理信息学会海洋测绘专业委员会第二十七届海洋测绘综合性学术研讨会论文集》，版权归《海洋测绘》所有。考虑到文章较长，分上、下篇编发，本文为上篇。其他平台如要转载，请备注作者与出处。

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