湖北电线价格联盟

伟大的天线构想:美军曾想把威州变成巨型天线以联络全球潜艇!

射频百花潭2019-09-21 13:47:01
点击标题下「射频百花潭」可快速关注!


美国沃克斯网站4月10日发表了约瑟夫·斯特龙伯格的题为《为什么美国海军一度想把威斯康星州变成世界上最大的天线?》的文章,编译如下:

上世纪60年代,美国海军官员曾炮制一项雄心勃勃的计划:他们想在威斯康星州约41%的土地下埋上巨大的电缆网,以便把该州的基岩变成世界上最大的无线电天线。


位于威斯康星州克拉姆湖地区的美海军ELF通信天线站(One of the stations of the Navy's Project ELF — a scaled-down version of its enormous Project Sanguine, proposed in 1968.)

该计划名为“圣奎恩计划”(Project Sanguine)。虽然听上去疯狂,但它确实是与全世界深海中的美军潜艇进行联络的一种符合逻辑(尽管不切实际)的方式。

问题是,无线电波不能在水下很好地传播,因此没有好办法把信号传送给核潜艇。在冷战期间,这些核潜艇一次可以下潜数月之久。“圣奎恩计划”原本会成为一部传输极低频(ELF)无线电波的天线,这种无线电波能够在水中传播并抵达潜艇。

美军在威斯康星州地下铺设极低频(ELF)无线电天线阵列(The scaled-down version of Project Sanguine, eventually built in Michigan and Wisconsin. )

该项目从未实施,主要是因为它的成本巨大(有可能达数十亿美元),而且肯定会扰乱环境。但是,一个规模小得多的版本(名为“ELF项目”)最终在威斯康星州和密歇根州的上半岛(Upper Peninsula)得以实施,并在1989年投入使用,直到2004年。


与深海潜艇联络何其难

几乎所有的电子通信都依赖无线电波——它是可以在空气中传播的电磁波段。通过改变我们所发出无线电波的频率或振幅,我们就能在无线电波上加载信息——无论是以无线电广播的形式,还是以手机通话的形式,甚至是以探索外层空间的信号的形式。


美军其他作战平台与潜艇通信示意图

但是潜水艇带来了一个特殊的问题,因为这些无线电波会随着在水中行进而分散开去,从而变得无法辨认。无线电波的波长越长,它可以行进的距离就越远,但即便是频率相当低的无线电波(波长约为9.6至96千米)也只能行进大约40英尺(12米),然后就会分散到无法辨认的程度。

The buoy system that allows subs to receive VLF waves.

很多年来,美国海军都通过如下方法避开了这个问题,那就是在潜艇上绑上浮标,然后让潜艇不时上浮,这样一来,安装了天线的浮标就能上浮到足以收到信号的深度。但是,这个方法要求潜艇必须上浮到较浅的深度,并保持长时间静止——此举可能带来危险,因为潜艇有可能被雷达发现。


1958年,物理学家尼古拉斯·克里斯托菲洛斯提出了一种解决方案,即研制出波长达数万英里、可以到达水下极深处的极低频(ELF)无线电波。根据他的计算,这些巨型无线电波将被地球的电离层(它是大气层高度较高的一层)反射回地面,然后再向电离层射去,由此经过多次反射在整个地球传播。

Longer waves bounced off the ionosphere and travel around Earth.

这样一来,仅需一个广播电台就能让美国海军与全球的潜艇取得联络。


但是,制造如此巨大的无线电波将需要一部大得离谱的天线。它必须要有数百英里长。

让基岩变天线的疯狂计划

上世纪60年代初,克里斯托菲洛斯等人想出了建造这种天线的办法。如果一根极长的电缆在一处宽广的区域盘绕起来,然后两端接地,并且让电流从其中经过,那么电流也将通过2个接地点之间的土地,从而形成一个巨大的回路。随着基岩通电,它将生成一个巨大的磁场,从而产生极低频无线电波。而利用基岩就可降低制造巨大天线的成本。


极低频(ELF)无线电对潜艇通信示意图(ELF/VLF Communication)

为了使其奏效,下方基岩的传导性必须较差,这样电流才能沿着一大堆路径传导到岩石深处,从而令极低频无线电波能够更有效地生成。这片区域也必须经济不太发达才行,以便在当地修建电缆网。


经过在怀俄明州和阿巴拉契亚山脉的成功试验(这2个地方的输电线在夜间被暂时断开并两端接地,从而生成极低频无线电波),海军官员认定威斯康星州北部的森林为理想的选址。构成该地区基石的劳伦系花岗岩具有恰当的特性,而且周边居民较少,因此也就不会有什么强烈的抗议。

选址为威斯康星州北部的森林

为了制造强大到足以与地球上任意一艘潜艇取得联系的天线,必须制造一张由6000英里(9600千米)长电缆组成的电网。而且为了防止遭到苏联的潜在核打击,它们必须埋在地面6英尺(1.8米)以下。


ELF项目的废除与重生

海军官员在设法实施“圣奎恩计划”的过程中遇到了2大问题。把如此多的电缆埋在地下所耗费的巨额成本令政客很扫兴,当威斯康星州居民听说这项将把一张通电网络埋在自家房屋下的机密计划时,他们仍然表示抗议,并在1970年提起诉讼。


Equipment installed at the Wisconsin test site.

1973年,时任国防部长的梅尔文·莱尔德下令取消该计划。但是海军继续谋求实施一系列规模稍小的ELF信号发射器计划,并在威斯康星州的克拉姆莱克建起一座小型的测试场。不过仍然有抗议活动——特别是来自担心该设施对健康造成影响的居民。尽管根据人们已有的了解,极低频无线电波和其他形式的非电离辐射一样,在该项目所涉及的剂量下不会对人体造成任何影响(常规电线的辐射水平与ELF的辐射水平类似),但海军仍然在1977年关闭了该处测试场。


直到上世纪80年代、里根总统当政期间,该计划作为ELF项目才被重新启动。在威斯康星州的一处地点,45千米长的地上电缆像电线一样架在木杆上。而在密歇根州的另一处地点,也架设了90千米长的电缆。这些电缆布设成十字形,这样既可横向播发信号,也可纵向播发信号。每根电缆的两端都有数英里被埋入地下,从而在通电时使电流通过基岩并形成回路,进而发射出极低频无线电波。

The pair of antenna sites that made up Project ELF.

在试验中,无线电报务员可以同地中海、北极冰盖下以及几乎世界上任何地方的潜艇联络。该系统于1989年投入使用。


ELF通信更像是潜艇BP机


A diagram of ELF communication. The power source (P) sends electrical current through a wire grounded at both ends (G), causing currents to flow through the underlying rock (I). This generates a magnetic field (H), which in turn emits ELF waves.

尽管ELF项目奏效了,但设施规模较小这一点制造了一些难题。2个电台必须协同工作以加强信号,但信号仍然相当弱,从而使报务员必须重复发射许多次。刘易斯·科尔在所著的《无线电台:一段历史》一书中引述了一位海军工程师的话:“这就像是某人站在房间对面低语一样。一开始你仅能听见他说的一部分内容,但如果他不断重复,最终你就能听清全部。”


此外,由于极低频无线电波的波长如此之长(这些电台发射的无线电波波长可达3946千米),需要极长时间才能发射极微量的信息:传输由3个字母组成的代码大约需要4分钟。这些难题意味着,极低频无线电波常被主要当成一种备用的通信模式——或者被当作像BP机一样的东西,负责通知潜艇上浮以接受更多的指令。

威斯康星州居民的抗议活动

随着当地居民继续抗议以及冷战终结,这类设施看上去越来越没有必要。1996年,一位名叫汤姆·霍华德·黑斯廷斯的密歇根州居民进入电台并弄断了数根天线杆。在接下来的几年里,威斯康星州参议员拉斯·范戈尔德提出了数项旨在终结该项目的法案。

New buoys enable submerged subs to communicate

最终,海军在2004年关闭了ELF项目,拆除了约135千米长的电缆。尽管俄罗斯海军仍然利用极低频无线电波与深海潜艇进行联络,但美国海军现在依赖的却是波长略短的甚低频(VLF)无线电波和浮标。



编后语:“Thanks to Josh Delman for letting me know about this bizarre story.”感谢冯雪君的编译,尽管有几处英里和英尺的翻译和换算有误(例如“而且为了防止遭到苏联的潜在核打击,它们必须埋在地面9.6千米以下。”必须埋在地面9.6千米以下,怪不得美海军要终止这个项目了……还好,防务菌已经一一更正了:))碍于专业知识有限,有些图片注解防务菌不敢班门弄斧,各位师兄自己看英文吧:)当然也欢迎工科学霸们把相关图片注解翻译出来发给防务菌进行更新哈:)最后,不得不承认这真是一个crazy plan & bizarre story。兼以此篇向SFF的几位老总、旧友致意:)

防务菌

感谢编译:冯雪 《参考消息》

图片及原文链接编辑:《电科防务研究》

转载自:“电科防务研究”公众号




更多精彩请加入“中国射频微波微信第一群”, 先加徐老师微信号:xuxingfu2016,注明“公司+方向”,通过验证后加入。(注:本群属纯技术交流群,销售代理等非射频技术人员勿加)!‍

1. 本群6000人,成员涵盖了国内所有射频方向企业,高校,研究所。其中教授,总监,总经理,主任专家,海归,千人计划,长江学者,首席科学家,博士800+人。

2. 本微信群/公众号由资深射频专家,“兴森快捷-安捷伦射频高速联合实验室”射频负责人,《ADS2008/2011射频电路设计与仿真实例》《HFSS射频仿真设计实例大全》电子工业出版社,主编徐兴福建立。


Copyright © 湖北电线价格联盟@2017