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「殺意」與「愛意」只有一線之隔!——《戰爭憑什麼:從靈長類到機器人的衝突與文明進程》

黑體文化_96
・2022/11/30 ・2200字 ・閱讀時間約 4 分鐘

貢貝黑猩猩戰爭

就在你讀這本書之際,從西非的象牙海岸共和國到東非的烏干達,到處都有成群的公黑猩猩在地盤邊界來回巡邏,有組織地追捕並攻擊外來的黑猩猩。牠們小心、安靜地移動,甚至不會花時間停下來吃東西。在烏干達最新的研究中,科學家使用了衛星定位裝置來追蹤努迦(Ngogo)黑猩猩族群,觀察牠們在一九九八到二○○八年之間進行的數十起突襲和二十一起殺戮行動,這些攻擊以吞併鄰近族群告終。

一九九八到二○○九年之間,努迦戰爭。努迦黑猩猩侵入鄰近黑猩猩群的地盤發動數十起突襲(左側地圖上的黑線),殺害了二十一隻黑猩猩,更在前所未有激烈的戰鬥後併吞該地區(右側地圖的陰影部分)。(黑體文化提供)

這些黑猩猩僅有的武器是拳頭和牙齒,偶爾也會用石頭和樹枝,但即使是年老的黑猩猩,隨便出手也勝過重量級的人類拳擊手,鋒利的犬齒更可長達四英寸。牠們一旦發現敵人就會拚個你死我活,啃咬對方的手指和腳趾,打斷骨頭、撕爛臉。有一回,靈長類動物學家驚駭地目睹攻擊者扯裂受害者的喉嚨,把氣管拉了出來。

《蒼蠅王》似乎說對了:「獸性就是我們的一部分,離我們很近、很近、很近。」

嬉皮猿愛情派對

但就像所有新的科學領域,大家很快就發現事情更加複雜。我在第一章提到《蒼蠅王》的觀點時,也立刻補充美國人類學家米德在南太平洋島嶼薩摩亞的見聞,她提供了截然不同的視角。

米德相信自己偶然遇見了太平洋上的和平天堂;同樣的,如果我們飛越六百英里,越過遼闊的剛果河,從貢貝來到另一區叫作萬巴(Wamba)的非洲雨林,也彷彿是跟著愛麗絲穿越鏡子,夢遊仙境。

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一九八六年十二月二十一日,日本靈長類動物學家伊谷原一在森林中的空地邊緣等待一群猩猩經過,但他驚奇地發現兩群猩猩同時出現了。如果這裡是貢貝,可能五分鐘內就會大事不妙,兩群猩猩互相發出威脅的吼聲,作勢攻擊並揮動樹枝,情況更糟的話甚至會打鬥喪命。

然而,萬巴這裡不是那樣。兩群猩猩只是隔著幾碼坐了下來,互相瞪視。半小時後,其中一群(P群)的一隻母猩猩起身,緩緩走到另一群(E群)的一隻母猩猩面前。過了一會兒,兩隻母猩猩面對面躺下來,張開腿貼緊對方的陰部,並加速來回移動屁股,互相摩擦陰蒂而發出低吟。過不了幾分鐘,兩隻猩猩都狂喘尖叫,緊抱在一起抽搐著。一時之間,兩隻猩猩都歸於安靜,注視著彼此的眼睛,然後精疲力盡地癱軟下來。

此時,兩群猩猩之間的距離也消失了。幾乎所有猩猩都在分享食物、理毛和交配。牠們公配母、母配母或公配公,不分老少地任意交纏著手、嘴與生殖器。牠們「做愛不作戰」[註1]

嬉皮黑猩猩:在剛果盆地,兩隻母的倭黑猩猩正在進行科學家所稱的陰部摩擦。(黑體文化提供)

接下來的兩個月裡,伊谷和同事們看到這兩群猩猩再度上演這幕三十多次。他們一次都沒看到貢貝黑猩猩那種暴力行為。不過,這是因為萬巴猩猩不是黑猩猩,至少與貢巴的不是同一種。嚴格說來,兩者同屬不同種,萬巴猩猩是倭黑猩猩(Pan paniscus),而貢貝猩猩就是我們一般所說的那種黑猩猩(Pan troglodytes)。

在外行人眼裡,兩種猩猩根本一模一樣。倭黑猩猩只是體型稍小,四肢較為瘦長,嘴巴和牙齒較小,臉也比較黑,毛髮中分(靈長類動物學家到一九二八年才把倭黑猩猩列為獨立物種)。然而,兩種猩猩的差異有助於解答戰爭有何好處,以及人類在二十一世紀會發生什麼事。

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為了避免混淆,科學家通常稱倭黑猩猩為巴諾布猿(bonobo),記者則稱牠們為「嬉皮猿」(hippie chimp),一般黑猩猩就只稱為黑猩猩(chimpanzee),不加特別的形容詞。巴諾布猿和黑猩猩的DNA幾乎一樣,兩者有共同祖先,僅在一億三千萬年前才開始分化。更驚人的是,兩種猩猩與人類DNA的相近程度也一樣。

如果黑猩猩戰爭代表人類可能天生就是殺手,巴諾布猿的雜交派對則顯示我們可能也是天生的歡愛之徒。

除了在格勞庇烏山拔劍相向,兩個陣營的領袖阿古利可拉和卡爾加庫斯搞不好也可能扯掉袍子,互相摩擦下體。

族譜樹狀圖:一千五百萬年前,類人猿從我們最近的共同祖先中分化(divergence)出來。(黑體文化提供)

但西元八三年的這幕還是以拔劍相向收場。在我們爬梳背後原因的同時,也將理解人類為何在動手不動口的整整一萬年後,竟然沒有繼續大動干戈,在二十世紀晚期轟掉全世界。背後的解釋也暗示我們將在二十一世紀保持和平紀錄。但這事說來話長,事實上,有三十八億年那麼長。

註釋

註1:作者此處刻意化用美國反越戰時期的著名口號「做愛不作戰」(make love, not war)。後面作者用特別用「嬉皮黑猩猩」這個常見別稱來指涉倭黑猩猩,顯然也與嬉皮是反戰人士有關

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——本文摘自《戰爭憑什麼:從靈長類到機器人的衝突與文明進程》,2022 年 11 月,黑體文化出版,未經同意請勿轉載。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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獨佔先「機」?無人機如何改變全球戰爭與經濟版圖?
PanSci_96
・2024/08/26 ・2347字 ・閱讀時間約 4 分鐘

在現代戰爭中,無人機的角色越來越不可忽視。從俄烏戰爭到中東衝突,無人機已經從戰場的輔助工具,逐步成為戰術的核心力量。例如,伊朗對以色列的空襲,以及胡塞組織在紅海對美軍的攻擊,無人機的身影隨處可見。這些無人機不僅成本低廉,還具有驚人的靈活性,從偵查、干擾到實施精確打擊,它們的功能無所不包。

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舉例來說,在 2024 年 4 月伊朗對以色列的空襲中,伊朗發射了 170 架無人機與數百枚導彈。雖然以色列防空系統成功攔截了絕大部分攻擊,但一枚防空導彈的成本往往是無人機的數倍甚至數十倍。同樣的情況發生在 2023 年底,胡塞組織利用僅需 2000 美元的無人機攻擊美國驅逐艦,而美軍為了防禦,使用了造價高達 200 萬美元的標準型導彈。這些數字顯示出,在不對稱作戰中,無人機的高性價比給傳統武器帶來了巨大挑戰。

這樣的發展讓各國紛紛投入無人機技術的研發與應用,美國的「地獄計劃」(Hellscape)便是其中之一。該計劃將數千艘無人潛艇、無人水面艦和無人機投放到台灣海峽,藉此增加中國艦隊登陸台灣的難度,並將整個海峽變成「地獄」。此外,美國也在研發無人機與有人戰機的協同作戰,透過無人機在前方吸引敵方飛彈,保護戰機的安全。

台灣的無人機發展之路

那麼,台灣在這股無人機浪潮中扮演什麼角色呢?

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根據《華盛頓郵報》的報導,美軍印太司令部的新司令塞繆爾‧帕帕羅四星上將表示,美國正計畫打造「地獄計劃」,一旦中國朝台灣發動進攻,美國將派出數千艘無人潛艇、無人水面艦和無人機,封鎖台灣海峽。這樣的防禦策略突顯了無人機在現代戰爭中的關鍵地位。

儘管台灣尚未完全掌握無人機技術的核心,但政府已意識到其重要性。2023 年底,經濟部成立了無人機產業發展專案辦公室,目標是讓台灣成為「無人機民主供應鏈的亞洲中心」,並在 2030 年達到 400 億元的產值。這項計畫無疑展示出台灣在無人機產業上雄心勃勃的願景。

台灣力推無人機產業,2030 年目標 400 億元產值。圖/envato

無人機技術的核心:通訊

要掌握無人機,首先要掌握的是其通訊技術。無人機的發展歷史顯示,通訊技術的突破是其成長的關鍵之一。早期的無人機僅能進行簡單的視距內操作(VLOS),但隨著科技的進步,現在的無人機已經可以進行超視距操作(BVLOS),這大大提升了它們的戰術應用範圍。

大疆是中國無人機技術的領導者,其發展的 2.4G 高清圖傳影像系統「Lightbridge」便是無人機技術的重大突破。這一系統能夠將無人機拍攝的畫面即時傳回給操作員,並維持一定的解析度與低延遲。這意味著無人機不再僅僅依賴肉眼操控,而是能夠進行更遠距離、更精確的任務。

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然而,2.4GHz 的頻段雖然穿透力強,但也面臨頻率擁擠的問題,容易受到干擾。為了解決這個問題,現代無人機開始使用 5.8GHz 頻段。這一頻段雖然傳輸距離較短,但資料傳輸速度更快,抗干擾能力也更強。在這兩個頻段之間,大疆開發的 OcuSync 2.0 技術能夠自動切換,確保始終使用最佳的訊號頻段,提供穩定的飛行控制和圖像傳輸。

這些技術上的突破使得無人機在戰場上變得越來越不可或缺。例如,無人機不僅能進行偵查和打擊,還可以通過蜂群技術同時發動多點攻擊,擾亂敵方的防空系統。無人機之間的通訊技術也發展迅速,無論是表演性的燈光秀,還是軍事上的蜂群作戰,無人機都展現出極大的應用潛力。

反無人機系統的崛起

無人機的迅速發展同樣引發了反制無人機技術的需求。反無人機系統(C-UAS)大致可分為兩種類型:軟殺與硬殺。軟殺主要是針對無人機的通訊進行干擾,利用無線電干擾槍發射強大訊號覆蓋 2.4GHz 和 5.8GHz 頻段,使無人機失去控制。而硬殺則是直接摧毀無人機,例如使用火力攻擊或網子捕捉。

以色列本古里安大學的教授格拉‧維斯提出了一個新的思路:透過無人機的飛行軌跡來追蹤操作員的位置。由於無人機的動作會隨著通訊信號的強弱變化,這些變化可以用深度學習模型來分析,從而反推出操作者的位置。這一技術目前的準確率已經達到 78%。

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此外,美國的軍工企業開發了一款名為「路跑者 M」(Roadrunner-M)的自殺無人機。這款無人機不僅能像飛彈一樣追蹤目標,還能在完成任務後自動返航進行回收,降低了作戰成本。

台灣無人機產業的未來

台灣無人機具潛力,兼具軍事與災害通訊用途。圖/envato

儘管台灣無人機產業的起步較晚,但政府和產業界已經意識到其巨大的潛力。無人機不僅僅是一種武器,它還可以成為通訊網路的關鍵節點。例如,雷虎科技的 T-400 無人機不僅用於軍事,也正與中華電信合作,將無人機作為訊號中繼站,在災害發生時提供通訊支持。

隨著 5G、B5G 及 6G 的發展,無人機將成為未來通訊基礎設施的重要組成部分。台灣無人機產業的發展不僅關係到國家安全,更涉及到未來的數位基礎建設。無論是在軍事還是民用領域,無人機的應用將越來越廣泛,未來有望成為台灣科技產業的一個重要支柱。

總而言之,無人機技術正在改變戰場生態,而台灣也正在積極參與這場技術革命。隨著更多資源的投入,台灣有機會在全球無人機市場中佔有一席之地。無人機的發展並不僅僅是一場技術競賽,還是一場關乎國家安全與經濟未來的戰略賽跑。

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水面艦如何找到潛水艇?潛水艇如何隱藏自己?——潛艦與反潛的捉迷藏
PanSci_96
・2023/11/25 ・5953字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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潛水艇到底有多重要?

最近關於潛水艇的新聞可不少,首艘國造潛艦「海鯤號」下水典禮、中國 093 潛艇「疑似」失事、前陣子還有烏克蘭使用導彈與無人機成功襲擊俄羅斯基洛級潛艇的新聞,潛水艇的關注度一時間高了不少。

但是你一定好奇,潛水艇對國防來說,真的很重要嗎?還有,現代觀測技術那麼發達,在這些儀器的眼皮之下,潛艇真的還能保持隱形嗎?

反潛方怎麼找到藏匿海中的潛艦?

潛水艇以安靜、隱蔽著稱,有著極重要的戰略價值,不僅可以水下布雷、隱蔽投送兵力與物資;它難以被發現的特性,更是打擊水面艦的刺客,往往能讓敵人不敢越雷池一步。

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當然,要造一艘能潛在水下的潛艇肯定不簡單,畢竟如果在水面下出事了,很難立即取得救援,安全的要求遠高於其他載具。另一方面,以隱蔽為最高原則的潛艦,從引擎、外型、武器到主動聲納,都需要新科技的改進,來讓自己發出的聲音降到最低。

但潛艦與反潛就像臥虎捉藏龍,如果能隨時掌握這隻水中蛟龍的動向,潛艦的威懾力就會大幅降低,甚至能將其一網打盡。因此相對地,隱蔽的技術進步時,反潛的技術也有所突破,透過光學、聲學、磁場等技術,要讓潛艦原形畢露。

潛艦與反潛就像臥虎捉藏龍。圖/imdb

既然我們知道潛艦的隱蔽性是最高考量,現在我們就站在反潛方,來看看如何抓出一艘潛水艇。
主動偵查其實跟「通訊」很像,都是傳送一個訊息到目標物,再接收傳回來的訊號。只是通訊的訊號是對方主動回傳回來的。主動偵查呢,則是訊號碰到目標物再反射回來被我們接收。沒錯,這跟蝙蝠的回聲定位很像,只是一個在水面上,一個在水裡。

為什麼水中使用的是「聲納」而非「雷達」?

現代遠距無線傳輸的方式主要有兩種,電磁波通訊與聲波通訊。在水面以上,我們通常以電磁波傳輸,因為在空氣中這麼做最有效率,因此不論是無線通訊還是手機微波訊號,多是以電磁波的形式在傳輸。
可惜這個方法到水中就不管用了,為什麼呢?電磁波穿過水的時候會因為兩個原因,讓強度快速衰減。一是電磁波容易被水吸收,二是電磁波與水分子碰撞會產生散射,舉例來說,太陽光也是電磁波的一種,而太陽光就會因為在海水中散射,而讓海看起來是藍色。

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太陽光就會因為在海水中散射,而讓海看起來是藍色。圖/unsplash

這種電磁波衰減的程度有多少呢?具體來說,在最清澈的海水中,可見光每前進 1 公尺,亮度就會衰減 4% 。如果想使用無線電通訊,以一個頻率 1000 赫茲的電磁波來說,每向前進一千碼(大約 900 公尺),訊號強度就會減少 1300 分貝。這邊說明一下,「分貝 dB 」不只是聲音音量的單位,而是可以用在各種需要表達強度比例的單位。

電磁波每減少 10 分貝,就意味能量減小 10 倍。圖/PanSci YouTube

舉例來說,電磁波每減少 10 分貝,就意味能量減小 10 倍。在前進一千碼時減少 1300 分貝,就意味能量會衰退 10 的 130 次方倍,小到等於沒有。在實務上,通常電磁波的極限穿透距離就只有幾十到幾百公尺而已。相比之下,如果從電磁波換成低頻聲波,每一千碼的損失約為 0.01 分貝,跟電磁波相比起來可以說是幾乎沒有損失。

通常電磁波的極限穿透距離就只有幾十到幾百公尺而已。相比之下,低頻聲波可以說是幾乎沒有損失。圖/PanSci YouTube

因此在水中,大家聽到的不會是什麼「雷達」,因為雷達(RADAR)的全名是 Radio Detection and Ranging ,是使用電磁波偵查的技術。在水裡我們用的是「聲納」,是利用聲音當傳輸訊息與探知物體的手段。

此時蝙蝠的回聲定位使漆黑水底頓時明亮起來,聲波在海裡的傳播速度約為每秒 1500 公尺,只要計算我們發出的聲波與接收到聲波的時間差,我們就能辨別物體的距離。例如我們在聲波發出後的 10 秒後接收到反彈的訊號,就代表聲波來回走了 10 秒共 1 萬 5 千公尺的距離,我們和目標物就是這個距離的一半,也就是 7 千 5 百公尺。

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聲納裝載潛水艇上可以成為潛水艇的眼睛,裝在水面艦上,可以成為抓出潛水艇的掃描儀。潛水艇沒有聲納,姑且可以靠海圖小心航行,水面艦沒有聲納,面對潛水艇就只能海底撈針。

潛艦與反潛技術的發展

潛水艇在第一次世界大戰中開始展現出重要的戰略價值,其中最著名的潛艇戰就是德國的 U 艇和德國實施的「無限制潛艇戰」。當時德國的對手英國是個島國,因此便想到利用潛艦封鎖英國,無論是軍艦或商船一律擊沉,希望能拖垮英國的經濟。雖然德國最後未取得戰爭勝利,但潛水艇也確實擊沉了多艘協約國的船艦,立下的戰績是有目共睹。

最著名的潛艇戰就是德國的 U 艇和德國實施的「無限制潛艇戰」。圖/wikipedia

有鑑於此,反潛聲納的技術由此萌芽。第一個主動式聲納在第一次世界大戰期間,被著名物理學家朗之萬發明。 1915 年,第一個潛艇探測器「ASDIC」開始在英國海軍的艦艇上被運用。 1931 年,美國也發明了潛艇偵測裝置,並稱它為「SONAR」,顯然這名字取得比較好,也成為現在最常稱呼這種技術的名稱,聲納。

第一個主動式聲納在第一次世界大戰期間,被著名物理學家朗之萬發明。圖/PanSci YouTube

至此,水面艦就像開了白眼一樣,潛水艇終於無所遁形⋯⋯真的嗎?聲納既然已經發明了百年,為何潛水艇至今似乎仍保有隱蔽優勢呢?在科技發達的現代,聲納為何還是無法抓出所有潛艇?

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很可惜,事情沒有那麼簡單。當大家帶著最新科技和設備準備挑戰潛水艇這個可敬對手,卻突然被隱藏 BOSS 跳出來狠狠地打了臉,他就是:物理。

什麼是「陰影區」?潛艦能夠躲藏的位置?

讓我們回到大家都做過的實驗,準備一個透明杯子裝水,把筷子插入水中。因為光線在穿過不同介質的介面時,會因為速度改變而轉彎,所以筷子插到水杯中會出現偏折,水面上跟下呈現不同角度,看起來就像是被折彎了。

光線在穿過不同介質的介面時,會因為速度改變而轉彎,聲音也是。圖/wikipedia

聲音跟光一樣都是「波」的一種,因此在穿過不同密度的介質時也會產生折射,路徑出現偏折。你說道理我都懂,但海裡面只有水,哪來的不同介質?

還真的有,那就是隨著經緯度與深度變化,鹽分、水溫、密度都不同的海水。鹽分、水溫、密度的升高,都會導致聲速變快。而這三者在海中的各處都不會是固定的。例如在不同深度的海水中,深度 1000 公尺內上層海域的斜溫層,當深度越深離海面越遠,海水越得不到太陽的加溫,因此海溫快速驟減,而海溫的降低也會導致聲速降低。深度超過 1000 公尺以後的深海等溫層,溫度、鹽分的變化趨緩,此時壓力會隨著深度增加而增加,海水密度開始小幅度上升,因此聲速緩慢增加。

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每一處海水根據鹽分、水溫、密度不同,都會影響聲速。圖/PanSci YouTube

每一層有不同聲速的海水,就等於是不同的介質,聲波會在不同層的海水之間產生折射。類似的現象也發生在空氣中。在炙熱的沙漠或是天氣熱的柏油路面,偶而會因為空氣的密度分布不均,光線在不同密度的空氣間產生偏折,出現影像在空中出現的錯覺,也就是海市蜃樓的現象。

重點來了,在海裡的折射會是怎麼樣的呢?假設我們有一艘潛的足夠深的潛艇,海面附近的聲納發出一道聲音斜向海洋深處前進,根據決定折射角度的斯乃爾定律,當聲速上升,聲音會偏離介面的法線,偏向兩個液體的交界面。在海中的實際表現,就是聲音產生偏折,漸漸與海平面平行,當偏折的角度超過 90 度,最後甚至會向上偏折,產生全反射。

而斯乃爾定律也告訴我們,偏折的程度跟入射角有關,當角度超過臨界角時,才會產生全反射。根據這些聲波行進路線畫出來的圖,可以看到一塊聲波永遠到達不了的地方,這就是陰影區(shadow zone)。如果潛艇躲藏在這個位置,那麼水面上的敵人就永遠也無法透過主動聲納發現你。

根據這些聲波行進路線畫出來的圖,可以看到一塊聲波永遠到達不了的地方,這就是陰影區(shadow zone)。圖/PanSci YouTube

除此之外,從聲納路徑圖可以看得出來,在水中聲納走的路徑像是 U 字型一樣,會不斷在海面反射,在海中全反射。而線與線之間的空白處,是聲波不會經過的地方,也屬於陰影區。因此實際從水面偵測潛艦時,只有在碰到這些線的時候會收到該點的訊號,如果要抓出敵人,就要在獲知訊號時抓緊時間。

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如何減少陰影區範圍?

為了減少這些陰影區死角的範圍,也有一些有趣但複雜的想法,例如使用拖曳式陣列聲納,一個點不夠,那我就拉一排,減少盲區。或是透過小角度的海底反射,來覆蓋近距離內的更多範圍。然而這也不會只是畫一張圖那麼簡單,平常聲納就要過濾來自自身引擎的噪音,或是因為海底等非目標物的環境反射。多一次反射,就意味會多一道訊號反射到聲納中,要如何將這些訊號區分開來,判斷哪些是海床訊號,哪些是敵艦訊號,就各憑本事。

沒錯,就算有了聲納系統還不夠,海底資訊的掌握度和後期運算更是兵家相爭的關鍵。你想想,就算你知道聲音會隨著密度轉彎,但你知道眼前海域每個深度的實際密度嗎?如果你不知道這些資料,就算接收到訊號,你真的算得出敵艦的位置嗎?

舉例來說,冬天和夏天的海溫不同,聲音偏折的角度不同,能探查的範圍與死角就不相同。當你在不同緯度,不同海域作戰時,所需要的資料也不相同。

冬天和夏天的海溫不同,聲音偏折的角度不同,能探查的範圍與死角就不相同。圖/PanSci YouTube

台灣冬夏兩季分別受東北季風與西南季風吹拂,周圍又有黑潮、中國沿岸流等洋流影響,各層水溫隨季節變化影響劇烈,台灣海峽又因地形原因海流複雜,被稱為黑水溝。在此之上,能掌握好周圍的海流活動,除了能兼顧潛艦的航行安全外,也有助於提升潛艦的隱蔽性。

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潛艦與反潛的無數過招?

海洋的複雜性,構成了潛艦至今仍能維持隱蔽優勢的原因。而這場臥虎捉藏龍的對決到此還沒有結束,我們只介紹了第一招,後面大概還有 99 種招式等待要過招。例如潛艦關掉主動聲納後,如何靠被動聲納安全航行並鎖定目標?

除了透過聲納,搭載磁性探測儀的反潛機怎麼從異常磁場訊號中辨別海底的金屬潛艇?又或是水面上的聲納會被全反射,那麼改變深度的話是不是就能解決了?實際上,既然在海面上聽不見,反過來把聲納放進海中,放在海水密度最低的「深海聲道通道軸」這個如同光纖般的區域,就能清楚聽到來自遠方的聲音。

諸如此類的軍事科技對弈,就像其他科技一樣,對決永遠不會結束。如果你還有那些想了解的面向,不論是潛艦或是其他軍事科技,也歡迎留言告訴我們。

最後也想問問大家,你覺得潛水艇最大的戰略價值是什麼呢?

  1. 多一種隱蔽武器,多一種威嚇,提升敵人的作戰成本
  2. 突破封鎖線,在關鍵時刻打擊敵人的大型艦艇
  3. 間諜作戰,深入敵後蒐集電訊號與艦艇聲譜特徵,偷偷獲取情報

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