潛艇的構想最早出現於15世紀
在列昂納多·達文西的奇思妙想中，他設想了一種「可以水下航行的船」。但是他認為這種想法是邪惡的，因此沒有把這個想法變為設計圖。進入16世紀，荷蘭裔英國人克尼利厄斯·雅布斯縱·戴博爾建成了世界上首艘潛艇，由人力搖櫓推進。很快，人們發現潛艇具有極高的軍事價值，於是在18世紀的美國獨立戰爭中，耶魯大學的的大衛·布希奈爾建成了第一艘戰爭用潛艇，名為海龜號，內部僅能容納一人操作方向舵和螺旋槳。後來到了19世紀，法國人首先使用儲存好的壓縮空氣代替人力，建成了第一艘非人力驅動的潛水艇。不久後英國人又發明了用蒸汽推進的第一艘熱機驅動潛水艇。
鸚鵡螺號圖紙（1800年）
進入到第一次世界大戰，潛水艇得到了大規模的軍事應用
德國的U型潛水艇四年間共擊沉了協約國艦船數百萬噸，立下了赫赫戰功。到了第二次世界大戰，英國發明了第一代「潛艇剋星」——聲納，給德國的潛艇艦隊帶來了巨大的損失，在三個月內擊沉了超過一百艘潛艇。而日本、美國和英國等國家也在二戰期間發展出了自己的潛艇，潛艇技術逐漸擴散到世界各個國家。
真理正在朝我們緩慢駛來
20世紀50年代-核動力潛艇
時間到了20世紀50年代，世界陷入冷戰。隨著核動力技術的發展，核動力潛艇逐漸開始替代傳統的柴電動力潛艇，而電解水技術也解決了潛艇的氧氣問題。這兩樣技術革新大大延長了潛艇的潛航能力——從以往的幾個小時延長到了數周，甚至數月。此外，由於潛艇可以發射帶核彈頭的彈道飛彈，隨著蘇聯和美國的彈道飛彈潛艇的相繼服役，以潛艇為主力的「第二次核反擊力量」誕生5。
世界核平講究一個我死你也得死
隨著潛艇技術的發展，潛艇的作業深度越來越深，從原來的數米到現在的數百米，有時能達到數千米甚至上萬米（1995年日本「海溝」號潛入馬裡亞納海溝），潛艇的通訊難度也變得越來越高。
眾所周知，在水中聲波可以傳播到很遠的地方，最早的潛艇通訊就是通過聲波實現的。然而聲波通訊是一把雙刃劍——既然潛艇能通過聲波聯繫到陸地上的基地，那麼敵人也能通過聲波尋找到你的潛艇。最早的潛艇探測器就是利用聲波的傳播性製作的聲納，因此用聲波進行通訊非常容易暴露自身的位置。
海底地形勘探船船載聲納的工作原理：當船經過工作海域時，船載聲納會發出寬度四倍於海水深度的扇形聲納射線以掃描海床。為了得到海底的連續照片，（勘探船）通常需要進行多輪掃描。（右邊黃字）射線抵達海床後會反射產生回聲，由勘探船接收。
聲波不能用，那我們用什麼呢——顯而易見，答案是電磁波。然而由於無線電波在進入導體後會迅速衰減，潛伏在海水（導體）中的潛艇無法通過常規無線電波與外界通信。通過電動力學中的簡單計算可知，在導體中電磁波的趨膚深度（可以理解為傳播距離）為：
其中為介質的電導率，為電磁波的頻率，為介質的磁導率。在這裡我們可以看到，電導率越高的材料，電磁波的傳播距離越短；頻率越低的電磁波在介質中的傳播距離越長。
光也是電磁波，所以海底是一片漆黑的
顯然我們只能利用較低頻率的電磁波和潛艇進行通訊。最早被用於潛艇通訊的電磁波波段為VLF波（Very Low Frequency，甚低頻，波長在10km到100km之間），該波段的電磁波能穿透到海平面以下20米左右。潛艇可以呆在較深處，然後釋放一個漂浮的天線接收信號，從而躲過敵軍的探測。
然而這麼做存在兩個嚴重的問題：
其一，由於該波段的電磁波穿透深度仍然較淺，潛艇只能冒著一定風險上浮到一定深度再釋放信號接收器，因此潛艇的接收信號時間窗口較短，且仍有一定風險被敵方的聲納發現；
其二，由於電磁波的波長較長，其發射信號塔往往需要佔地數平方公裡，潛艇顯然不能攜帶這麼巨型的信號發射器，因此只能被動的接收信號，沒有辦法進行回復。
美國的VLF發射設備地理位置
怎麼辦呢？最直接的思路顯然就是繼續降低使用的電磁波的頻率，從而使電磁波可以傳播到更深的海水中，使得潛艇可以在其作業深度接收信號。
進入到上世紀60年代末，隨著冷戰形勢變得愈發嚴峻，美國海軍提出了Sanguine計劃。計劃中提出使用ELF波（Extremely Low Frequency，極低頻，波長在10,000km到100,000km之間）來進行潛艇通信，然而這個計劃因為潛在的嚴重環保問題而擱淺。後來實際建成的ELF波段通信工程被稱為ELF計劃，於1969年開始建設，1989年開始正式運作，發射頻率為76Hz的極低頻電磁波。建成的計劃設施中包含兩個電磁波發射器，實際相當於長達135公裡的地面線形天線。由於ELF波發射天線極難建設，當今世界上只有美國、中國、俄羅斯和印度擁有ELF波發射設備。
ELF計劃發射天線之一
天線總不能越建越大（不然環保工作者要找上門來了，而且也沒有錢錢了）。於是，進入到90年代，美國有科學家提出使用在軌衛星來實現ELF波的發射3。其原理也相當簡單粗暴，就是讓一顆衛星拖著一根長達300公裡的金屬線繞著地球轉圈，這樣就相當於一根長達300公裡的垂直天線了……
然而不管怎麼說，這隻解決了剛才提到的第一個問題，潛艇通信依然只是單向的——在不上浮的前提下依然無法進行雙向通信。一種可能的技術是將等離子體製作為電磁波的發射和接收天線。頻率越低的電磁波，其波長也就越長。而在電動力學中我們知道，要發射波長越長的電磁波，我們需要尺寸越大的天線（鍋蓋）。因此在潛艇通信的發展歷程中，人類就在不停地建造更大的天線，發射頻率更低的電磁波，從而穿透更深的海水。等離子體天線概念的出現一定程度上打破了這種困局。因為傳統天線的工作頻率取決於天線的物理尺寸，而等離子體的振動頻率取決於等離子體的密度，因此理論上可以大大縮小天線的尺寸，從而實現潛艇的雙向通信。
一個簡單的等離子體天線
由於等離子體天線的便攜性，一旦ELF波段等離子體天線被成功製造，潛艇通信將會迎來重大的革新——潛艇上笨重的垂直偶極天線、氣球懸掛的天線和低效率的水平電子偶極ELF天線將統統會被便攜的等離子體天線取代2。
此外等離子體天線還有一系列特點和應用1，4：
·等離子體天線可以抵抗電磁武器的攻擊
· 在不使用的時候，等離子體天線極難被發現（相對於傳統天線）
· 等離子體天線的性質受一系列的參數調控（溫度、密度、磁場、電場、壓力……），因此靈活性極強
· 等離子體天線有較低的熱噪音
· ……
因此等離子體天線具有相當大的應用潛力，或許在未來某日外星人入侵地球的時候，潛艇可以大顯身手，保衛地球！
參考文獻：
[1] Abdul Samad, Kashif Azim, Shahzada Alamgir Khan. 2015. "Comparative Analysis of Plasma Antenna with Metal Antenna." International Journal of Computer Applications.
[2] Anderson, Theodore R. 1997. "ELF Plasma Antenna." https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a637098.pdf.
[3] Bannister, P. R., J. K. Harrison, C. C. Rupp, R. W. P. King, M. L. Cosmo, E. C. Lorenzini, C. J. Dyer, and M. D. Grossi. 1993. "Orbiting transmitter and antenna for spaceborne communications at ELF/VLF to submerged submarines." In AGARD, ELF/VLF/LF Radio Propagation and Systems Aspects 14 p (SEE N93-30727 11-32).
[4] 2020. Plasma Antenna. Accessed 2020.
https://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_antenna.
[5] 2020. Wikipedia. Accessed 2020. https://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E6%BD%9B%E8%89%87.
部分圖片來自網絡
撰稿：黃澤森
插畫：zunzun
美編：李瑩
來源：石頭科普工作室
編輯：米老貓