中國發明核潛艇新偵測方法

一、中國科學家新發明用近光速「幽靈雷達」偵測潛水艇 

     根據外媒報導，中國科學家利用高能量微波合成技術，成功在天空創造了一個無線電發射源，實現了潛艦探測技術的突破。這種虛擬訊號源可以稱為幽靈雷達，可以在以接近光速的速度行進的同時連續發射電磁波。科學家在 11 月 25 日發表在中國學術期刊《現代雷達》上的一項研究中提出了這項說法。極低頻 （ELF） 電磁波能夠穿透海水，能夠偵測隱藏在水面下數百公尺處的潛水艇。根據《南華早報》報導，中國科學院微波成像國家重點實驗室李道靜領導的研究團隊認為，這項突破是一項「顛覆性技術」。科學家解釋說，當暴露於頻率低至 100Hz 的信號時，核潛艇在海水中的雷達截面 （RCS） 可以達到 88 平方米（947 平方英尺）。這使得使用「普通磁性探測器」來探測水下目標成為可能。透過在無人機上安裝這些緊湊型探測器，可以實現整個場地目標的梯度檢測。波長超過 100 公尺的 ELF 訊號通常需要天線單元之間的較大距離。傳統上，產生低頻訊號需要大型天線，例如位於中國中部的 ELF 設施，其天線長度超過 100 公里。相較之下，李團隊將發射陣列的長度減少到僅約 100 公尺，從而可以輕鬆地將這些天線安裝在中國海軍艦艇上。這些天線發射的高頻、高功率電磁波在天空中會聚，形成一個虛擬的無線電發射源。當一個源消散時，會立即產生另一個源，從而確保低頻訊號的連續流動。李團隊解釋說，他們使用陣列結構逐步近似太空中的高速運動多普勒訊號，使接近光速的運動成為可能。隨後，可以顯著降低訊號頻率，並擴大訊號脈衝寬度。當觀察者接收到的波的頻率因相對運動而與源頻率不同時，就會發生多普勒效應。隨著源和觀察者靠近，觀察到的頻率增加，而當它們分開時，觀察到的頻率降低。根據科學家的計算，這項技術在水面艦艇和潛艇之間的通訊方面也有潛在的應用，有效射程可達6,000公里。地面技術驗證已經完成，李團隊提到，下一步是進一步縮短發射陣列的長度至約 30 米，以實現更靈活的應用。 

二、一般潛艇偵測方法 

      目前美國的潛艇全都是核潛艇，數量遠超過中國的核潛艇，是威脅中國最大的軍事力量，所以核潛艇的偵測甚為重要。核潛艇分為兩種，一種是攻擊型核潛艇，主要任務是使用魚雷、潛射反艦飛彈消滅水下、水上目標；另外一種就是被稱為"鎮國重器"的戰略核潛艇，攜帶潛射洲際飛彈，執行核打擊、或二次核反擊任務。由於美國核潛艇的靜音相當良好，傳統聲納的偵測已有困難，需要發展更先進的偵測方法。對於核潛艇的偵測一般分為兩種:聲納探測和非聲音探測。聲納探測，包括主動聲納和被動聲納探測，即透過聲接收系統接收目標反射回來的主動信號的回波或接收航行目標自身輻射的噪聲，來檢測目標的有無並估計目標相關參數。但是，聲納探測機動性差，難以進行靈活、迅速的大面積搜索；其次，主動聲納容易暴露己方位置，而被動聲納只有在敵方發出較大噪聲時才能進行探測；再者，隨著現代潛水艇各種消音技術的應用，潛艦的聲波噪已經接近海洋本底噪聲，聲納探潛的能力已被大大削弱。非聲納偵測包括磁異常探潛、雷射探潛、基於雷達海面回波探潛、以光尾流探潛為基礎、聲泡特性探潛等方式。磁異常探潛是利用鋼結構潛艦在航行中引起大地磁場擾動，靜止時也給地磁場造成磁異常，透過探測地磁場的變化，實現探潛。目前，現代潛水艇表面都經過消磁處理，對大地磁場擾動很小，給磁異常探潛帶來了困難；磁異常探測不能進行遠距離潛艇探測，且受本地磁噪聲和水文氣象條件的影響較大，在現代戰爭中大功率的電磁壓制會使磁探儀束手無策。 

      雷射偵測是一種利用記載的雷射發射和接收設備，透過發射高功率窄脈衝雷射探測，根據有沒有反射訊號及其訊號特徵來推斷探測到的是否為潛艇。目前還沒有探測深度達到300米的實驗系統，已達到的探測深度是70米，與實用要求相差懸殊，且這種方法的探測範圍有限必須在潛艇周圍才有效，因而效率不高。基於雷達海面回波探針利用雷達天線向海面某一方向區域輻射電磁波，由於潛艇潛行時產生震動、水平和縱向運動，形成的尾流、尾跡對潛艇上部水面的浪場和流場產生了擾動，從而導致海水錶面的粗糙度隨之改變，影響了海面雷達後向散射係數的變化，透過接收海面反射的回波訊號的「異常」來發現水下潛艇的存在。但是，受海情、潛深條件等限制嚴重，潛艇在3級以上海情下引起的雷達反射回波被海面雜波所淹沒，探潛效率較低。在海洋中航行的潛艇輻射電磁波傳播到海水表層，激發發光細菌發光強度的變化，留下一條明顯的螢光軌跡，這種螢光的波長在450～490nm之間，位於近紫外線波段，潛艇的行駛使其在身後的海水形成渦流，激使發光細菌的生物發光勾畫出潛艇渦動的光尾流，這種光尾流大約經過15min就會自動衰減消失，海面恢復到正常狀態。基於光尾流探潛正是透過在大氣層或空間檢測光尾流來實現潛艦的探測，透過發光細菌的發光效應探測潛艦的軌跡是一種綜合性的邊緣學科技術，涉及光學、聲學、海洋生物學、電子學、信號處理等學科領域，仍需大量的深入研究。潛水艇在水下航行過程中尾流會產生大量的氣泡，透過聲納發射聲波，同時改變聲納的頻率，若在聲納中接收的回升聲源級強烈衰減，說明有氣泡的存在，且聲波的頻率接近氣泡的共振頻率，從而判斷附近海域有潛水艇活動，實現氣泡聲學特性探潛。由於尾流中氣泡的空間尺度一般比潛艦本身大兩個量級，使得探潛成功機率大為增加。但是，目前的研究還較為膚淺，給出的模型僅能判斷有無潛艇存在，不能確定潛艇的具體位置。就目前的潛艇探測器而言，無論是聲納探潛或非聲探潛，均不能明確所探測的目標物究竟是常規潛艇還是核潛艇，但美國無此問題。 

三、基於中微子探測核潛艇 

      本探測器的工作原理如下：來自於目標核潛艇的反應器中微子進入偵測器，與光纖型塑膠閃爍體中的質子發生反β衰變反應，產生正電子和中子。正電子很快與電子湮滅，產生γ光子，γ光子被鍍鋁聚酯薄膜反射故停留在光纖型塑膠閃爍體內，並與光纖型塑膠閃爍體作用產生大量低能量螢光光子；中子穿過鍍鋁聚酯薄膜，進入钆混合材料層，被混合其中的石墨慢化成熱中子，熱中子與钆混合層的钆發生(n,γ)反應產生γ光子，γ光子進入NaI(Tl)晶體層，並與NaI(Tl )作用產生大量螢光光子。在光纖型塑膠閃爍體和NaI(Tl)晶體中產生的低能量光子經光耦合材料輸送到光電倍增管中，光子與光電倍增管光陰極產生作用產生光電子，光電倍增管電子倍增系統對電訊號放大，電流訊號經導線由導線出口輸出。偵測器透過在鉛塊支架內安裝若干個中心模組構成；中心模組的中心為密閉的三層同心圓筒結構，兩端分別設置一個光耦合材料室和一個光電倍增室，整個中心模組由鉛殼及鍍鋁聚酯薄膜包覆；三層同心圓筒結構的材質為有機玻璃，由內至外分別填充光纖型塑膠閃爍體、钆混合材料及NaI(Tl)晶體材料；光耦合材料室內填充光耦合材料，光電倍增室內設置若干個與外部透過導線連接的光電倍增管。中心模組的數量為9個，均勻排列固定在鉛塊支架中。所述鉛塊支架的兩端分別設定鉛製的底盤和頂蓋，將中心模組包覆在內，光耦合材料為矽膠。光纖型塑膠閃爍體為BC-454型塑膠閃爍體。钆混合材料為金屬钆摻雜石墨粉末，其中，金屬钆與石墨粉末的體積比為6：4。石墨用於慢化上述反β衰變過程產生的中子，使其能量降低轉化為熱中子，此熱中子被钆捕獲發生(n,γ)反應，釋放γ光子。所述三層同心圓筒結構的最內層圓筒的外壁由鍍鋁聚酯薄膜包覆。 

     本偵測方法的有益效果為：(1)該偵測器在其它偵測器無法確定目標種類時，直接區分目標物是否核潛艦(2)由於中微子以光速運動，即中微子一經產生，瞬間即可被偵測到，相較於其他偵測器，本探測器偵測速度更快(3)雙層鉛殼的包覆與雙層鍍鋁聚酯薄膜，可大幅降低宇宙射線本底對探測效果的影響(4)將高能的γ光子轉換為低能的螢光光子，訊號量大，偵測效果明顯(5)本探測器置於海底使用，不會主動發出任何訊號，故隱蔽性非常好，難以被反探測，確保己方設備的安全。本方法提供了一種基於中微子探測核潛艇的探測器，此偵測器的結構如下：該偵測器透過在鉛塊支架內均勻安裝9個中心模組構成，鉛塊支架的兩端分別設定鉛製的底盤和頂蓋，將中心模組包覆在內；所述中心模組的中心為密閉的三層同心圓筒結構2，兩端分別設置一個光耦合材料室3和一個光電倍增室4，整個中心模組由鉛殼1及鍍鋁聚酯薄膜8包覆；三層同心圓筒的材質為有機玻璃，由內至外分別填充光纖型塑膠閃爍體、钆混合材料及NaI(Tl)晶體材料；光耦合材料室內填充光耦合材料；光電倍增室內設置若干個與外部通過導線出口連接的光電倍增管。塑膠閃爍體其實是固態聚合的液體閃爍體，塑膠閃爍體易於加工成各種形狀，而且體積可以做得很大也可以做得很細。塑膠閃爍體，性能較穩定，時間響應特性較好。由於光在光纖壁上發生全反射，且對磁場不靈敏，本探測器選用光纖型塑膠閃爍體作為閃爍體材料，具體為BC-454型塑膠閃爍體。金屬钆在乾燥空氣中比較穩定，且具有最高的熱中子捕獲截面，可用作反應器控製材料和防護材料，熱中子與金屬钆的相互作用主要是Gd157和Gd155兩種同位素的熱中子俘獲反應，即(n,γ)反應。本探測器選擇钆混合材料為中子探測材料，所述钆混合材料由金屬钆與石墨粉末按體積比6：4均勻混合；石墨用於慢化上述反β衰變過程產生的中子，使其能量降低轉化為熱中子，此熱中子被钆捕獲發生(n,γ)反應，釋放γ光子。 

四、中國核潛艇的演進 

(一)第一代中國核潛艇

   第一代中國核潛艇包括091攻擊核潛艇(北約代號「漢」級)及092戰略核潛艇（北約代號「夏」級）。首艘091攻擊核潛艇於1974年入役，2000年退役。091型核潛艇共有5艘，其中3艘仍在服役。漢級核潛艇噪音很大，性能也不很可靠。092型戰略核潛艇是中國海軍裝備的第一種戰略彈道核潛艇，實現海基核力量「從無到有」的突破，使中國繼美、蘇、英、法後，成為第五個掌握海基核力量，具備二次核反擊能力的國家。夏級核潛艇的象徵意義遠大於作戰使用價值。

(二)第二代中國核潛艇

   第二代中國核潛艇包括093型攻擊核潛艇（北約代號「商」級）及094型戰略核潛艇（北約代號「晉」級）。第一艘093於2003年12月下水，2006年服役。在俄羅斯的技術幫助下，093艇的性能據信和早期俄製的阿庫拉級核潛艇或美製維吉尼亞級核潛艇持平。其改進型093B型核潛艇聲吶水平和作戰系統性能已經與國外第三代攻擊核潛艇沒有技術代差，但是在核潛艇反應堆以及水下推進模式仍有差距。根據「海軍消息」報導，093A核潛艇配備了多種飛彈和魚雷，重約 7,000 噸與英國機敏級核潛艇相同。可攜帶鷹擊-82反艦飛彈、火箭水雷和魚雷。可攜帶魚-6魚雷。據信還能夠攜帶鷹擊-18超音速巡航飛彈，這可能會成為其針對軍艦和陸地目標的主要武器。中國的核潛艇是在渤海葫蘆島建造的，該地點正在擴建以提高建造速度。093型裝備了與西方攻擊型核潛艇相同水平乃至更強的武器，配備有性能接近美海軍Mk48型魚雷、最大航速65節的魚-6以及改進的魚-10，魚-10的最大航速為50節，最大射程為50公里。093具備強大的反艦能力，同時可以承擔對陸上目標打擊任務。但093A型的靜音性能仍不如美國退役的「洛杉磯」級攻擊核潛艇。094水下排水量約1萬噸，全長137米，寬11.8米，由2座核反應器提供動力，較092型有了很大的提升。由於噪音太大，因此，094的3號艇開始裝備改進的新型潛射彈道導彈，而且整體進行修型即094A型。094核潛艇可攜帶16枚導彈是中國開發的第二代彈道飛彈核潛艇，中國已有6艘094型戰略核潛艇服役。該核潛艇可搭載巨浪-2型潛射洲際導彈，射程達8000公里。官方讓094A型核潛艇曝光，表明該型核潛艇已成為中國海基核打擊力量主力，中國具備了更有效的戰略核反擊能力。按慣例，094核潛艇的公開意味著中國更先進的096型已研製完畢。094型核潛艇早在2008年就正式服役，相比最早下水的094型核潛艇，後來現身的核潛艇在指揮台圍殼和艇體結合部採用了填角處理，從而使指揮台圍殼與艇體的結合更加流線，屬於094A型。路透社報導根據五角大樓的一份報告，中國首次在海上持續擁有至少一艘配備核武的彈道飛彈潛艇給美國及其盟友增加了壓力。中國軍方評估稱，由六艘晉級彈道飛彈潛艦組成的中國艦隊正在從海南島向南海進行「近乎連續的」巡邏。分析師表示，他們配備了一種新的遠程彈道飛彈，可以打擊美國本土。094型和094A型配備了巨浪-2和巨浪-2A潛射彈道飛彈，該型飛彈以陸基「東風」-31洲際彈道飛彈為基礎設計，長13米，直徑2米，能夠裝載單枚核彈頭或3～8枚分導核彈頭，圓概率誤差估計為100～300米。裝備巨浪-2的094型戰略核潛艇雖然無法從中國近海對美國本土發動攻擊，但關島和阿拉斯加卻在其射程範圍之內，同時對包括日本在內的周邊各國來說仍然有非常大的威懾力。

(三)中國第三代核潛艇

   中國第三代核潛艇包括095型攻擊核潛艇（北約代號「隋」級）及096型戰略核潛艇（北約代號「唐」級），根據中國2016年非官方信息，095攻擊核潛艇水下排水量7900噸，全長115米，寬12米，吃水11米，與美國海軍的“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇基本相同。095除了裝備有更先進的「鷹擊-62」超音速重型反艦飛彈、CY-3反潛飛彈及魚8魚雷外，還將擁有垂直發射系統，可發射「東海-10」改進型潛射型對陸攻擊巡航飛彈，這種飛彈的射程可以達到2000公里，可打擊敵縱深目標。由於使用泵噴推進器，095型攻擊核潛艇的噪音顯著降低，尤其適合大洋高速航行作戰。在作戰效果上，一艘具有攻擊性且作戰能力強的核潛艇對維護海洋權益有著重要的作用，而095型攻擊核潛艇借助中國的最新技術，將使中國海軍對付美日潛艇時不再有技術代差。中國首艘095型攻擊型核潛艇採用了高強度、單雙混合殼體結構，無軸泵噴推進系統以及垂直發射管，還有拓撲絕緣體材料鋁合金金屬圓環反聲吶探測與第三代主動降噪技術，使其性能直追國外最先進核潛艇。096型戰略核潛艇可攜帶潛射彈道飛彈數量達24枚，其艦長150米、艦寬20 米，最大排水量16000噸。該艦外形近似拉長的水滴型，採用雙殼體設計，動力裝置為兩座一體化壓水式核反應堆和兩座蒸汽渦輪機的噴水推進方式，最大航速可達32節。由於艦體外殼使用高強度合金鋼，所以其潛深可以達到600米。096核潛艇配備武器將包括：潛射巡航導彈，魚雷，以及巨浪系列洲際導彈，預計其初期裝備為巨浪-2的乙型或巨浪3，射程12000公里。巨浪-3與美國的「三叉戟」Ⅱ型潛射彈道飛彈屬同一等級，以「東風」-41洲際彈道飛彈為基礎設計，其全長13米，直徑2米，最大射程為12000公里，能夠裝備10枚分導式多彈頭，採用慣性導引、天文導航以及“北斗”衛星導航，圓概率誤差在100公尺左右。巨浪-3預計將在2030年投入使用，因此096型戰略核潛艇在此之前如能服役的話，可能會首先裝備巨浪-2。