极低频

# 极低频 来源：https://computer.rip/2026-05-09-extremely-low-frequencies.html 潜艇是一项令人惊讶地古老的技术——至少在其早期、原始的形式中是如此。其概念相当简单：只要船只密封得足够好，就应当能够下潜并重新浮出水面。让这一切变得困难的是实际操作中的各种细节。通常认为，美国内战是潜艇在战斗中首次使用；这些机器非常原始，操作耐久性和导航能力极其有限。这些潜艇更像是鱼雷：你只需要将它们指向正确的方向，然后希望它们能直线前进。 第一次世界大战得益于潜艇技术的巨大进步。19世纪期间的一些实验性设计积累了实践经验，特别是在德国，德国人对首批现代“U型潜艇”的巧妙运用产生了重大的军事影响。英国和美国的设计也取得了类似的进步，潜艇战争由此诞生。 潜艇的主要优势在于其能够在隐藏状态下下潜和机动。一战时期的潜艇使用柴油-电力或汽油动力，因此其水下续航能力受限于船上存储的电源。尽管如此，这些潜艇的水下操作时间比之前的任何潜艇都要长，长到足以将潜艇偷袭确立为海军作战的关键组成部分。 这也足以暴露水下防御中最棘手的挑战之一：通信。水，尤其是海水，密度大且导电。这对无线电波的传播非常不利：到第一次世界大战时，人们已经发现海水有效地阻挡了无线电通信。高频（HF）无线电是海上（以及在第一次世界大战时期，总体上）的主要通信形式，但在现实世界中，它只能穿透海水几米。这意味着潜艇必须浮出水面才能进行通信，这实际上限制了它们在水下的续航能力。 自1887年以来，海军一直在评估舰船上的电子通信，当时他们展示了一种使用海水本身传导波的简单且“类无线电”技术。这种方案效果并不理想，但在那个世纪末期现代无线发射机的开发拯救了它。马可尼本人在1899年向海军演示了无线电，1903年海军购买了首批无线电设备。来自全球其他地区冲突（如日俄战争）的战术报告加强了无线电将在海军作战中发挥关键作用的想法。 当C级潜艇“黄貂鱼号”（Stingray）和“翻车鱼号”（Tarpon），以及D级潜艇“独角鲸号”（Narwhal）于1909年服役时，它们立即被赋予了包括评估无线电设备在内的任务。在早期技术的经典故事中，评估结果并不理想。“翻车鱼号”遭遇机械故障，无法按计划进行试航，因此无线电设备从未安装。“黄貂鱼号”接收了一套尖端的淬熄火花隙发射机和接收机组，但发射机被证明是次品。尽管如此，“黄貂鱼号”还是能够演示其接收机，在浮出水面时从附近的波士顿海军造船厂抄收了一条消息。 极低频（ELF）概念 “独角鲸号”的任务更为雄心勃勃：水下通信。在1887年演示的同一直接导通技术上进行了一项测试，使用悬挂在船下的黄铜板。它同样未能表现出应有的性能。第二年，“独角鲸号”的姊妹舰“灰鳟鱼号”（Grayling）用改进的设备重复了这些实验，产生了更好的结果。该系统提供了可靠的通信，其“天线”板可以沉入水下多达两英尺……但不深于此。沮丧的海军工程师得出结论：让无线电信号通过海水是可能的，但并不可行。 在第一次世界大战及随后的几十年里，工程师们专注于寻找无需将整个潜艇带到水面就能将天线升至水面的方法。大约在1915年，海军采用了一种浮动天线浮标，潜艇可以通过电缆将其“绞盘式”提升至水面。将任何东西放在水面都不是理想的选择，但在当时的反潜技术条件下，小型天线浮标在远距离上仍然非常难以探测。潜艇只需确保在需要隐蔽的任何行动之前将其收回潜艇甲板即可。这些浮动浮标在一战期间并不可靠，但它们确实可以工作，并且该技术一直发展至今。 然而，关于水下通信还有其他想法。最重要的发展来自美国国家标准局（NBS）的两名工程师，或者说，这是在一场两组自称发明者之间的专利纠纷后，法院裁定如此。约翰·威洛比（John Willoughby）受雇于NBS（后来被称为美国国家标准与技术研究院，NIST），调查新型无线电接收机。1917年夏天，他在切萨皮克湾的一个接收机测试站点布置各种类型的线圈天线时，不小心将其中一个天线掉入水中。奇怪的是，连接到天线的无线电接收机即使沉入海湾，仍然保持良好的接收效果。 NBS管理层对此意外并不特别热情，但威洛比却很感兴趣。他知道海军正在研究与潜艇的通信手段，且海水似乎会阻挡无线电波，所有这些都表明他可能偶然发现了一个重要的发现。由于缺乏NBS对进一步研究的支持，他将这个想法告诉了天赋异禀的无线电发明家兼NBS同事佩西瓦尔·洛厄尔[1](https://computer.rip/2026-05-09-extremely-low-frequencies.html#fn-1)。秉承着创新的优良传统，两人在威洛比的地下室进行了一系列实验，揭示了潜在的现象：威洛比一直在试验异常低的无线电频率，低于30kHz，在此频率下波长变得过长，大多数天线设计不再适用，而线圈成为最佳的接收器。这些较低的频率受水的影响比更高、更传统的频率小得多，威洛比和洛厄尔在他们所谓的“长波”无线电的两个线圈之间建立了一个成功的原型。 NBS仍然令人惊讶地不感兴趣，但威洛比在海军有一位联系人的感觉则大相径庭。1918年，威洛比和佩西瓦尔加入了当时负责海军实验无线电项目的LtCmd H.P. LeClair，地点是位于康涅狄格州新伦敦的潜艇基地（因基地对面隔康涅狄格河即新伦敦而得名）。他们在D-1潜艇和一艘水面支援船上匆忙而粗糙地安装了他们的设备。并非一切都很完美，但他们证明了这一想法：威洛比、洛厄尔和LeClair仔细倾听他们的无线电设备，随着D-1下潜，信号依然清晰响亮。 在短短几年内，海军接受了长波无线电作为潜艇通信的标准技术。新伦敦的各种临时安装表明，线圈天线可以轻松集成到潜艇的索具中，而且更妙的是，海军发现长波无线电不仅在水下传播良好，在水面也能有效传播。长波通信将为整个海军服务，发射站的建设已经 underway。 20世纪初，远程通信已成为整个军事界的头号关注点，美国各军种之间以及美国和英国之间的一系列会议导致了“大功率”电台计划。第一个这样的电台NAA于1913年在弗吉尼亚州阿灵顿附近建立。在随后的几年里，美国和欧洲建立了类似的电台，促成了双方首次直接通信，以及1915年首次跨大西洋语音通信。这些电台的建设和运营也导致了无线电技术的一般进步，尤其是大功率发射机。NAA是早期配备Poulson弧光发射机的电台之一，其效率几乎是早期设计的两倍，非常适合长波运行。 在威洛比/洛厄尔实验的同时，海军工程师LtCdr Albert Taylor在水下浅处使用长线天线发现了类似的结果。这些实验为隐蔽潜艇天线提供了另一种设计（可以存储在船上的卷盘上，并放出带有浮标的天线以保持其刚好在水面以下），还证明了长线天线可以埋入地下用于发射。 五年后，即1918年，位于马里兰州安纳波利斯的新大功率电台NSS的建设正在进行中。与之前的不同，NSS是专门为长波信号设计的。两台500千瓦的Poulson弧光发射机驱动一个400英尺见方的天线，悬挂在四座500英尺高的塔楼之间[2](https://computer.rip/2026-05-09-extremely-low-frequencies.html#fn-2)。安纳波利斯的长波能力最初并非旨在用于潜艇通信，但它很快进入了这一细分市场。在20世纪20年代，NSS成为潜艇指挥和控制的关键站点。 NSS本身一直服役至1996年，并得到了位于缅因州卡特勒（Cutler）、华盛顿州吉姆溪（Jim Creek）、夏威夷州卢阿卢莱伊（Lualualei）、北达科他州拉穆尔（LaMoure）和波多黎各阿瓜达（Aguada）的极低频（VLF）发射机的补充，此外还有与盟军共同运营的欧洲站点。每个站点都有其独特的有趣故事。阿瓜达的1,205英尺VLF天线塔仍然是加勒比地区最高的建筑物。拉穆尔最初建于20世纪60年代，用于一种名为Omega的长波导航系统，后被重新用于潜艇指挥控制。吉姆溪于1952年投入使用，是世界上功率最大的无线电发射机，使用了一种迷人的天线，从天山山谷的一侧山脊垂直到另一侧。 不过，让我们专注于卡特勒。卡特勒极低频发射机是海军原始大功率计划的精神后代，其继承了NAA呼号象征着这一点。卡特勒是冷战时期VLF系统扩展的一部分，于1961年投入使用。许多其他VLF站点在同一时期也进行了升级，但卡特勒是一个完全全新的设计。卡特勒的两套天线（为了冗余）各自由13座塔楼支撑。中心塔楼高约1,000英尺，其他12座组成两个同心环，高度约为900英尺。整个天线跨度超过6,000英尺，即近2公里。塔顶之间延伸着紧密的水平铜线网络，每根直径1英寸，形成一个巨大的电容器。电容器的另一极是大地，通过许多英里埋地接地平面导线进行电气加固。辐射元件是垂直导线，从上部水平网格垂下。 蛛网天线 在缅因州严酷的冬季，电线会积累冰层，直到其重量威胁到塔楼的安全。每个天线交替切换到除冰模式，此时它变成一个3兆瓦的加热元件……仅仅足够长时间使冰融化脱落。外部塔楼辅以短而粗的结构，允许220吨的配重沿着轨道上下移动。两天线馈线上的“螺旋线圈房屋”庇护着巨大的电感器；墙壁内衬铜板，既作为绝缘体，也将偶尔出现的电弧接地，使得螺旋线圈房屋和发射机房间在运行期间进入不安全状态。 这两套天线由大陆电子公司（Continental Electronics）设计和建造的发射机复合体驱动。现场11兆瓦的发电厂为AN/FRT-31发射机供电，该发射机专为此安装定制，由四组并联单元组成，每组包含八个ML-6697发射管。发射机的控制室可与许多发电厂相媲美，其输出功率也是如此：军方要求至少1兆瓦，大陆电子公司将发射机额定功率定为略高于2兆瓦，而它今天仍以高达1.8兆瓦的功率运行。关于“世界上最强大的电台”现在难以确定的原因有几个，但NAA卡特勒 certainly 在竞争之列。 这就是VLF故事的结局，或者说，它尚未结束。原始的20世纪10年代和20年代的VLF站点大多已退役，但这只是因为它们被更现代的设备所取代，有时在同一地点。卡特勒、吉姆溪、卢阿卢莱伊和阿瓜达都在服役中。拉穆尔可能处于某种封存状态，但肯定具备运行能力，最近已用于传播实验。VLF仍然是海军指挥控制和核报复计划中的关键技术。因此，我们可以说VLF实现了技术历史上的伟大壮举之一：它比其替代品更长寿。 首先，我们应该花更多时间探讨理论。在现代术语中，“VLF”描述的是3-30 kHz频段。大多数海军VLF站点在约24 kHz运行，但一些站点也支持更低的频率，其他站点甚至运行高达40 kHz（出于实际目的，海军仍将其视为VLF）。这些波长之所以能很好地穿过海水，是因为无线电波的一个基本特性，该特性在20世纪20年代逐渐通过实验显现，并在后来得到了充分的理论支持。无线电波在穿过材料时会根据材料中的波长数量而发生衰减。换句话说，作为一个经验法则，波长为12米的无线电波（约24 MHz）经历的衰减大约是波长为12,000米的信号（约24 kHz）的1,000倍。这对水、空气或任何其他材料都是如此，但盐水中的衰减率极高，使得这种效应在海中极为明显。 这引出了VLF的第一个特性：由于VLF信号的波长较长，它们穿过水时的衰减相对较小。尽管如此，仍有限制。潜艇通信的细节大多属于机密，但从公开资料来看，潜艇在水下约100英尺深处接收VLF传输是现实的。这一深度已经比使用HF所能实现的要好得多，也远优于部署浮动浮标。然而，直觉表明，更低的频率可能会更好，海军也没有忽视这种可能性。 其次，我们应该重新审视天线。威洛比和洛厄尔等早期实验者的关键见解之一是，线圈天线在无线电通信中造成不对称性。当天线达到信号波长或其倍数时，效率会提高。这意味着较低频率和较长波长需要更大的天线——因此卡特勒拥有6,000英尺宽的蛛网天线，以及VLF天线塔创造的多个区域高度记录。另一方面，线圈天线，或更具体地说是磁环天线，与它们接收的波长相比可以非常小。 不幸的是，使磁环天线工作良好的物理技巧（磁耦合）基本上是不可逆的。磁环天线效率相对较低，但可用于接收；它们在发射方面完全无用。VLF实际上是一种单向技术，海军VLF网络承载的一些流量仅仅是命令潜艇浮出水面或部署浮标以进行更高级的通信。 最后，我们应该注意到，无线电通道携带信息的能力与其带宽成正比，而使用较低频率和较长波长会使给定无线电设备的可用带宽小得多（我们可以直观地理解这一点，即较大的天线由于比例原因，比小天线更精确地调谐到其预期的波长）。VLF发射机