如果说指挥台围壳是潜艇的帽子,那指挥舱(美国海军的习惯叫法是控制室)就是潜艇的大脑,航行操控、情报处理、作战指挥等几乎所有关键作业都在这里进行。

自二战以来潜艇的线型、动力、武器、设备等方面发生了巨大的变化,唯独指挥舱的布局和几十年前的潜艇几乎一模一样。如果你参观过旧金山渔人码头的二战潜艇“鲣鱼”号或者格罗顿美国潜艇部队博物馆的第一艘核潜艇“鹦鹉螺”,仔细阅读各个战位的说明,然后再走进现役海狼级攻击核潜艇的指挥舱,虽然充满机器朋克风格的仪表、阀门已经被现代化的开关、屏幕替代,你仍然可以很方便地在几乎相同的位置找到对应的战位。

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> “鹦鹉螺”号航行控制台

> 海狼级“吉米·卡特”号航行控制台

指挥舱的位置和布局是由潜望镜决定的,只要是采用传统的穿透式光学潜望镜,不论围壳设置在潜艇中部还是前部,指挥舱都得紧贴着布置在围壳的正下方,以便布置潜望镜光路,操作潜望镜。早期潜艇的不同之处是因为围壳直径较小,潜望镜长度不足,在指挥舱上方单独设了一个较小的指挥塔,或者将指挥舱分为两层,潜望镜操作和作战指挥在上层,航行控制在下层;现代潜艇耐压壳直径增大后则布置在同一层内。

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【 潜艇人员配置 】

在了解作为潜艇运作中枢的指挥舱布局之前,先来看一下潜艇的人员配置情况。以美国海狼级为例,标准的艇员配备为140人,其中军官14人,水兵126人。高级军官包括艇长(CO)副艇长(XO)和4大部门长,他们分别是负责反应堆、推进系统和全艇机电设备的机电长(Eng)、负责航行和通信系统的航海长(Nav)、负责武器和声呐系统的武器军官(Weps)和负责后勤的后勤军官(Suppo),其它8名低级军官负责各个子部门(美国海军人才培养过程参见)。

水兵被分配给下列部门和子部门:

机电部门 - 辅机(非核动力机械)、电气、机械、反应堆控制、反应堆实验室

操作部门 - 导航、通信

后勤部门 - 厨师、后勤

武器部门 - 鱼雷、声呐、火控、导弹

另外还有一个规模较小的医疗部门。

> 2004年6月5日“吉米·卡特”号命名仪式上的艇员队

美国攻击核潜艇只有一组艇员,不像战略核潜艇分为金、蓝两班轮换出海。当攻击潜艇进行作战部署时,除了本艇成员组外通常还会搭载一些特殊人员,包括被称为“Spooks - 幽灵”的密码通信专家,他们上艇后绝大部分时间都把自己锁在通信舱的保密空间里,海军情报部会派出2-3名经过特殊训练的声呐员专门追踪、记录特定的任务目标,潜艇中队或者舰队司令有时也会派代表随艇出海了解任务情况。

潜艇出航后,艇上的军官和武器、操作等关键部门的人员除了休息外待得最多的地方就是指挥舱。在这里值班团队分析评估声纳、雷达等传感器搜集的信号和各战位的状态,相互监督并采取行动。每个艇员都可能犯错,但是整个团队集团必须保持“正确”,不然在深海大洋中任何错误操作都可能导致灾难。

指挥舱布局

下图是洛杉矶级的指挥舱布置图,如果把两具潜望镜的型号更新一下,位置对调,也完全可以看成是海狼级甚至俄亥俄级战略核潜艇,它们的整体布局都是相同的,其它国家的潜艇也大同小异。

在指挥舱的正中间就是两具左右并列的潜望镜,如果是俄式或者指挥台围壳较窄的潜艇,潜望镜会前后纵列布置。下图为2010年1月29日洛杉矶级“圣塔菲”号的损管助理(左)和航海作业军官(右)在使用潜望镜扫描海面。

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两具潜望镜的前面是值更军官OOD(Officer of the Deck)的席位,由各部门的中级军官轮流担任,负责领导整个指挥舱的值班团队,操作潜望镜,艇长不在场时代理指挥全艇。对于配备先进自导鱼雷和声呐系统的核潜艇来说潜望镜的作用早已没有过去直航鱼雷时代那么重要了,主要用于上浮前观察海面以及进行星光天文导航,真正升起对水面目标进行攻击的机会少之又少。

在指挥舱的左前角是航行控制台,正面两个坐席,右侧的是方向舵手(Helmsman),负责操纵方向舵控制航向,左侧的是水平舵手(Planesman),负责操纵艇艏舵和尾水平舵控制俯仰升降以及侧倾,面前的仪表和显示器显示各种深度、仰角、侧倾角、速度信息。这两个战位实际上设备完全相同是可以互换的,两位舵手通常由艇上资历最浅的水兵担任。他们身前的方向盘左右旋转则水平舵差动或者方向舵转动,前后推拉则两侧水平舵同向转动。

> 洛杉矶级“俄克拉荷马城”号

> 1981年1月11日“俄亥俄”号海试

> 1997年7月19日“海狼”号海试

最左侧是值班长(Chief of Watch),他负责控制BCP压载水舱控制面板,通过对前后主压载水舱注/排水以及调度遍布全艇的众多平衡水舱、调节水舱来调整潜艇的浮力,维持纵向和横向平衡,进行紧急上浮操作。他还负责除潜望镜外所有桅杆/天线的升降,舱门口盖的开闭。值班长由一级士官(E-6)或者三级军士长(E-7)担任。

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> 俄亥俄级“宾夕法尼亚”号的BCP面板

在两位舵手身后坐着的是下潜军官(Diving Officer),简称Dive,没有任何控制面板甚至仪表,只负责看、听、说,监控前三者的每一个动作。他本身就是最资深的航行操作员,具备极强的态势感知能力,往往是第一个意识到开始出现问题的人。他身边经常还有士官长(有时还有一位低级军官)协助或者观摩。

> “俄亥俄”级的航行控制台,除了地方宽敞一点,布局基本一样

潜艇下潜后进入立体空间,姿态控制比水面舰艇多一个维度要复杂很多。近万吨的核潜艇就依靠上述三人的紧密协作在水下进行高速三维运动。

值班长调节各个压载水舱控制潜艇的浮力和艇体的平衡,在下潜到潜望深度或者巡航深度后就将潜艇维持在零浮力状态。因为水舱的注水和排水速度较慢,潜艇快速改变深度进行水下机动主要依靠水平舵手偏转艏艉水平舵完成,就像飞机的副翼,水平尾舵控制大范围升降,艏舵进行精细调整。方向舵手转动尾部方向舵调整航向,和水面舰艇相同。只有紧急上浮/下潜时才会快速吹除或者注满压载水舱同时大角度偏转水平舵,这会产生大量噪声,实战部署中不到战损或者严重事故时轻易不会进行。

> 1998年6月4日,洛杉矶级“哥伦布”号在瓦胡岛外海进行紧急上浮演练

潜望镜之后是2张绘图桌(Plotting table),左侧的是导航绘图桌,用于记录航迹,右侧的是战术绘图桌,用于标注探测到的目标。这里才是潜艇上最重要的战位,下潜之后艇员就被彻底隔绝在阴暗的水下,对外界的所有感知都通过声呐传感器搜集并汇聚到这里被标注在航图上,艇长或者值更军官完全依赖这张海图来掌握本艇的位置和战场敌我态势,做出攻击或者防御的战术动作。

> 弗吉尼亚级“德克萨斯”号的导航绘图桌,虽然早已采用了电子海图,手工绘图作业还是航海部门艇员必须修炼的基本功

指挥舱左侧是一排导航设备台,依靠复杂的惯性导航(水下)、GPS/天文导航(水上)等设备来确定本艇的位置。右侧是多个作战控制台,负责显示目标航向、航速、距离信息,设定鱼雷/导弹的射击诸元,发射武器,监控鱼雷发射后的状态,根据导线传回的数据进行调整直至命中目标。这排控制台最右侧的就是武器控制面板,当全系统状态满足预设射击条件后,艇员将按下各发射管面板上的红色“射击”按钮发射鱼雷或导弹。

> 难得一见的海狼级武器控制面板,红色的标卡说明相应的鱼雷发射管上已经安装了GAG保护装置,避免误触导致鱼雷发射管开启或喷出高压气体,伤及在鱼雷舱内作业的艇员。

潜艇作战系统

指挥舱中最核心的设备是潜艇作战系统,它将指挥、火控、通信、情报、侦察等(C4ISR)功能集成在一起,高效处理艇艏主被动声纳、舷侧声纳阵列和艇艉拖曳阵列产生的海量信号数据,自动分析并追踪声纳系统探测到的水面和水下目标,建立战场态势感知图像,控制鱼雷和反舰导弹的诸元装订和发射;配备对陆攻击巡航导弹的潜艇还具备接收对陆攻击指令和目标信息、规划导弹航路、控制导弹发射的功能。

> 康斯伯格公司研制的MSI-90U Mk2潜艇作战系统,应用于德国和意大利海军的212A型潜艇上

美国海军从上世纪80年代初开始已经研发装备了5代潜艇作战系统。

【 CCS MK-1 】- 洛杉矶级改进型

为了装备全数字式的MK-48 ADCP重型鱼雷和“捕鲸叉”、“战斧”潜射导弹,洛马在80年代研制了CCS MK-1型战控制系统/全数字攻击中心,首先安装在洛杉矶级“巴尔的摩”号上,之后所有已完工艇也进行了改装。该系统在原有MK-117数字火控系统的基础上增加了2台AN/UYK-44计算机用于武器火控,1个MK-81显控台处理超视距目标数据。MK-1系统不断迭代,Mod0可以从鱼雷发射管发射“战斧”,Mod1增加了MK-48 ADCP控制功能,Mod2支持改进型洛杉矶级的MK-36垂直发射系统,Mod3实现了完全作战能力,除了声纳还集成了雷达、电子战系统的数据信息。

AN/BSY-1】- 洛杉矶级改进型

基于洛杉矶级作战系统的开发经验,美国海军展开了一代分布式架构SubACS作战系统的研发、测试、集成和交付工作,A型和B型用于洛杉矶级改进型,B prime型用于新一代海狼级。

从一开始SubACS作战系统就面临开发、成本和管理的诸多问题:计划中的光纤数据总线遇到技术困难,不得不重新设计,采用更多传统的电气技术;多层计算机电路板制造也麻烦不断;主承包商IBM和海军之间存在管理上的矛盾。所有这些因素造成严重超支,一年间SubACS的项目成本增加了10亿美元。

1984年底-1985年海军和IBM的主要项目经理都被撤换,全系统进行了大规模重新设计,名称也更改为AN/BSY-1,用于洛杉矶级改进型。BSY系统的预算被海军“封顶”,又不断被突破,软件开发与集成所需时间被大大低估,可靠性和可维护性问题直到1992年安装到洛杉矶级“圣胡安”号上进行评估时仍然不达标,以致国会要求政府问责局监督项目进展。

AN/BSY-1是美国海军第一套大型军用分布式架构系统,全系统重32吨,集成了117台电脑,包括64台多功能处理器和35台专用处理器,计算速度和生存能力大大高于过去的中央电脑系统。

【 CSS MK-2 】- 洛杉矶级改进型和俄亥俄级

80年代中期,雷锡昂中标研制CSS MK-2系统,用全新的系统架构取代了CSS MK-1源自6、70年代的底层系统,1993年完成开发,装备在洛杉矶级改进型和俄亥俄级上。CSS MK-2将指挥、航行战术空中、武器火控、目标动态分析功能集成在一起,可一次制导4枚MK-48 ADCP打击多个目标。引入商用软硬件,软件采用CMS-2和ADA语言编写,用4台MK-130通用显控台代替了过去的MK-81专用显控台,可以互换显示和操作功能,提高了系统交互能力和备份冗余度。

90年代后期,美国海军对上述三种现役战斗系统(鲟鱼级和洛杉矶级早期型仍然在役)展开了C4.2V2A升级项目,改进了MK-48的潜水作战能力,支持“战斧”Block3/4,升级了A-RCI声学套件。

AN/BSY-2】- 海狼级

1988年1月,通用电气航太潜艇系统分部击败IBM中标,为海狼级研制AN/BSY-2先进作战系统。冷战结束后海狼级的建造数量从29艘被削减到仅仅3艘,AN/BSY-2也只生产了4套。应美国国防部要求,AN/BSY-2由新制定的美军标准计算机语言ADA语言编写,系统代码320万行。

AN/BSY-2是美国海军第一种真正实现一体化的潜艇作战系统,采用全分布式架构以光纤数据总线集成全艇的资料数据处理系统、探测系统和11个AN/UYQ-70商规显控台,核心是AN/UYS-2声学信号处理器。AN/BSY-2使用了超过1000个摩托罗拉68000系列处理器,其中300个是用于UYS-2的32位68030处理器,构成一个由102个处理器节点组成的弹性架构,系统中任何一个处理器都可以作为武器火控处理器的备份。

> “康涅狄格”号的显控台

但AN/BSY-2项目同样好事多磨,因为海狼级的设计工作开始时间早于AN/BSY-2项目开标,在通用电气中标后全艇的内部容积和重量指标都发生了相当大的变化,进而产生连锁反应,纽波特纽斯造船厂拿到作战系统的新数据后需要对很多部分进行重新设计。不过AN/BSY-2软件方面一年的延误对全艇的进度却没造成太大影响,因为其它方面尤其是焊接问题造成拖延得更久,全系统直到1995年才安装到“海狼”号上。

AN/BYG-1】- 应用于全部现役潜艇

进入新世纪,美国海军在AN/BSY-2的基础上又研发了AN/BYG-1作战系统,数据处理能力提高了7倍,成本仅有前者的1/6。雷锡昂为主承包商,后转给通用动力任务系统分布,装备弗吉尼亚级和澳大利亚版柯林斯级常规动力潜艇,海狼级、俄亥俄级和洛杉矶级改进型也先后改装,统一了全部潜艇的作战系统。

> 弗吉尼亚级“明尼苏达”号声呐纳控制台

AN/BYG-1由TCS战术控制系统和WCS武器控制系统两部分组成,TCS将所有探测系统的资料融合成单一的战术作业图像,代替过去多个显控台上的子系统信息,大幅提高了态势感知能力和信息准确率。

根据美国海军每两年升级一次的APBs先进处理能力建设计划(软件升级)和TIs技术插入计划(硬件升级),采用商用计算机技术替代军用中央处理器的AN/BSY-1将定期更新软件,淘汰落后硬件,在2011年已经加入了无人机指挥控制能力,更新了分辨率更高的显示器,增强了高密度目标海区的自动化操作能力。

光电桅杆和新型控制舱布局

在弗吉尼亚级上控制舱的布局发生了很大的变化,传统的四人制操艇小组变成了民航客机那样的双人制驾驶员和副驾驶,每人各有4具大型液晶显示器,方向盘也被电子游戏那样的数字化电传操纵控制手柄所取代。驾驶员负责控制潜艇的航向和俯仰(替代原来的方向舵手和升降舵手),副驾驶除控制浮力和平衡外还负责操作监控任务(替代原来的值班长和下潜军官)。2个操作站配置相同、互为备份。

> “弗吉尼亚”号航行控制台

由值班长负责的紧急上浮操作被控制面板中央上方的2个应急手柄代替,只需同时推动2个手柄潜艇将自动执行紧急上浮程序。

航行控制台后侧是一个双人通用工作站,主要用于控制垂直发射系统。控制舱中央是电子海图桌,由1大2小三个触摸屏组成,可以精确追踪潜艇的3维动态运动和整个区域的战术态势,艇长在这个位置对指挥舱的工作状态一览无余。

> 双人通用工作站

> 电子海图桌

过去独立的声呐室被集成到指挥舱中,7个声呐显控台设在左舷,更方便声呐团队和指挥舱中的其他值班人员的沟通。右舷前端4个显控台用于武器控制,右侧第5个独立的显控台负责特种作战任务。因为自动化程度大幅度提高,不少岗位进行了精简,例如值班航海军官和航海电子技师就合并为单一的航海值班员战位,位于指挥舱的最后方,显控台可控制潜望镜操纵。在指挥舱的右侧是隔开的电子战室和通信室,除了3个显控台还布置了大量服务器机柜。

弗吉尼亚级的这一突破性变化得益于新一代非穿透型光电桅杆。光电桅杆用高分辨率光电传感器代替传统潜望镜的光学组件,数字视频信号通过光纤传输到中控室的显控台上,桅杆整体收纳在围壳内部,不必再穿透耐压壳设置长达10几米的潜望井。光电桅杆的优势是显而易见的:

1. 节省了大量艇体空间和重量,围壳和中控室的布局可以更加优化。传统光学潜望镜为了缩短光路,中控室必须布置在耐压壳上部,潜望镜的正下方,空间狭小;且潜望井贯穿整个艇体,在耐压壳体上有大开口,内部设有复杂的光学矫正透镜和转像棱镜,整个系统庞大、复杂且脆弱。光电桅杆彻底取消了光路,中控室可以布置在耐压壳最宽的中部,能够容纳更多的人员和设备。围壳也可以安排在线形的最佳位置,而不必受到潜望镜和中控室的束缚。

> 洛杉矶级和弗吉尼亚级中控室位置对比

2. 信号获取和处理过程全数字化,光电桅杆升出水面后仅需几秒钟就可以扫描一周,将视频信号记录在电脑系统中,随即收回桅杆,极大地缩短了暴露时间,提高了隐蔽性和安全性。

> 英国特拉法加级六号艇“天才”号升起的泰雷兹光电CM-010攻击光电潜望镜,左侧更高的是通信天线

3. 潜望镜不再是艇长或者值班军官独享的设备,视频图像可以同时显示在多个显控台上进行观察分析,并与声纳、雷达或电子支援系统的数据进行融合,极大地提高了信息利用效率,令潜望镜观察更像是在打电子游戏。

> 弗吉尼亚级“北卡罗莱纳”号艇长Wes Schlauder中校在中控室内两个并排的显控台上用摇杆操作光电桅杆,屏幕上显示的是新伦敦潜艇基地外景

4. 新一代光电桅杆集成了低照度电视摄像机、激光测距仪、红外热像仪、射频传感器等多种设备,在弱光环境及恶劣海况下仍然具备良好的光学观察和电子监控能力。只要更换相应的模块和软件就能进行升级,增强了任务拓展性。

> 左图是“北卡罗莱纳”号光电桅杆的广角视场,显示的是3公里外的新伦敦金星纪念大桥全景;右图是长焦视场,对准了8百米外潜艇部队博物馆收藏的世界上第一艘核潜艇“鹦鹉螺”号。

弗吉尼亚级和机敏级都并排安装了两具完全相同的光电桅杆,互为备份,可以同时执行不同的任务。

弗吉尼亚级配备的AN/BVS-1型光电桅杆,由美国著名的潜望镜公司柯尔摩根(Kollmorge)研发,它配置了四台摄像机,包括一台彩色摄像机、一台黑白高分辨率摄像机、一台红外摄像机和一台独特的“紧急情况mission-critical”彩色摄像机(右侧上部的圆形小窗口)。

柯尔摩根从实战的最坏情况出发,专门设置了这台独立操作的紧急情况摄像机,当其它传感器突然失效或严重损坏时,这台经过特别加强的备份相机可以紧急启用。AN/BVS-1的钛合金外壳采用了减少雷达回波的波纹形状,并热喷镀了一层钛酸铝陶瓷纳米膜,减少热辐射,增强红外隐身性,还能降低海洋生物的附着力。

值得一提的是,在弗吉尼亚级第15艘“科罗拉多”号上,首次采用Xbox360游戏机的操作手柄作为光电桅杆的控制器。没看错,就是令宅男们爱不释手的、售价仅30美元的普通Xbox手柄,代替了价格高达38000美元的原装摇杆系统(该价格包含其它相关硬件设备)。

>“弗吉尼亚”号的中校指挥官正在操作类似直升机驾驶杆的原装摇杆

> “科罗拉多”号的William Gregory海军中尉正在用Xbox手柄操纵光电桅杆观察格罗顿附近的海面情况

这项改进由洛·马的“机密研究实验室”提出并实施,Xbox的Windows Directlnput接口和军用系统兼容,广大官兵都有日常玩Xbox的丰富经验,手柄的人机功效也强过摇杆,所以这项替代计划很成功,减轻了舰员的培训压力,也极大地降低了采购和使用成本。

英国机敏级配备泰雷兹光电公司制造的CM-010型光电桅杆,它采用先进的捷联式三轴陀螺稳定系统,三台热像仪、高分辨率黑白摄像机和彩色电视摄像机共用一个蓝宝石光路窗口,以减小桅杆头尺寸,增强隐身性能。它还有一个独特的备份手动伸缩功能,当液压系统失效时可以手动将桅杆收回围壳内。

法国梭鱼级采用赛峰集团下属萨基姆公司生产的两具30系列模块化攻击和搜索光电桅杆,两者的支撑结构是一样的,也采用三轴陀螺稳定。细巧的攻击桅杆是所有现役光电桅杆中直径最小的,单窗口,以提高隐蔽性;较粗的搜索桅杆采用并排的双窗口设计,多个传感器的俯仰轴位于同一轴线上,有利于瞄准线的控制与稳定。

2021年10月法国海军曾邀请军事媒体登艇参观刚刚服役的“苏弗朗”号,令外界得以管窥最新的法国潜艇科技。法国潜艇的指挥舱被称为CIC战情中心,宽敞而现代,展开战斗作业时CIC内有15人同时工作。双人制推进控制站和弗吉尼亚级一样也采用摇杆控制,图中进行操作的艇员年仅19岁。

CIC左右两侧各设有5台多功能显控台,除了其中两台配有摇杆用于控制各类桅杆外其余完全相同。房间中央是大型触控电子海图桌,可以显示光电桅图像、进行导航和任务规划作业,艇长坐席贴在房间后方的墙壁上,监控整个CIC作业。

艇长席右侧2个显控台用于声呐,1台用于声学分析(被称为“金耳朵”),1台用于MOAS反水雷/避障声纳系统和海底地形跟踪(法国海军开发了一项新技术,通过分析三维海底地形精确定位,在GPS系统遭到干扰或无法校准惯导系统时确定艇位),1台用于控制光电桅。

左侧是第2台用于光电桅的显控台,2个战术控制台(包括电子战),1台用于武器火控,1台用于制导F21鱼雷(通过导线进行人在回来控制)。

> 艇长、执行官和声呐分析员根据战术态势在电子海图上规划航线

CIC内几乎所有设备都是法国产的,记者只发现了一部美国哈里斯公司产“猎鹰II”电台,艇长解释这是特定环境下和北约及美军单位进行加密通信时专用的。

未来发展方向

随着非穿透型光电桅杆、人工智能等先进科技的发展,潜艇指挥舱在今后也会变作业流程更优化,人机工效更高。

以瑞典正在建造中预计2027年服役的A26潜艇为例,该艇只有17名艇员,现代化程度非常高。指挥中心布置在艇体最前部,这样的好处就是艇员前后走动时不必经过指挥舱,减少对指挥控制空间的干扰。指挥舱的布局非常科幻,和传统印象中阴暗压抑的潜艇舱室完全不同。艇上所有管理和控制系统都通过GMSS通用管理服务系统联网,由指挥舱内的MFC通用多功能控制台操作。

洛马澳洲分公司在2019年亚太海事展览会上也公开展示了澳大利亚下一代潜艇指挥舱的概念布局,包括18个工作站,8个位于右舷,4个位于左舷,2个面对前方,1个面对后方,2个位于舱室中间,其后是艇长坐席。另外还有一个立式显控台,它的屏幕可以360度旋转,用于任务规划。在指挥舱前部单独的区域还有5个工作站用于电子战和通信。

在设计的建模和仿真过程中分考虑了艇员的需求,预留了未来升级空间,令今后的潜艇指挥操纵变得像打电子游戏一般轻松高效。

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