致命声网——AN/CRT-1无线电声呐浮标
本文作者：飞官
一 背景
一战时期，英国受到德国海军U型潜艇大量攻击海上交通线的威胁。当时的潜艇虽然装备鱼雷，可以在水下攻击，但是它们本质上仍然是水面舰艇，只能短时间潜入水中，并且必须频繁地上浮充电，因而只有在准备攻击或受到攻击时才会下潜。在水面上，潜艇很容易被来自空中的飞行器侦查到和被攻击。当德国海军开始发动无限制潜艇战时，英国海军制造了C级反潜飞艇，这是之一种专为反潜战而造的飞行器。
随着飞机的发明，将飞机用于反潜战的想法迅速发展。1915年末，英国开始利用水上飞机进行海上巡逻，通过用新设计的空投深水炸弹攻击比利时海岸附近的德国潜艇，开创了空中反潜战。之后，用反潜机猎杀潜艇成为了一种标准做法。在这些反潜战中，80%被发现的U型潜艇是浮出水面的，其余20%是处于潜望镜深度的。巡逻机可以从5英里（约8千米）的距离上发现潜艇，但是潜艇的观察员可以在这个距离的两倍上发现巡逻机。当时的U型潜艇平均需要2分钟才能完全下潜，不足以及时躲避空袭，但之后改进的U型潜艇平均在大约1分钟以内可以下潜，使得航空反潜变得更加困难。U型潜艇的威胁有增无减，直到英国开始建立包括护航舰艇和巡逻机的船队护航系统。陆基巡逻机受到航程的限制，负责协助定位U型潜艇，迫使U型潜艇在白天潜入水中。
1915年，英国开始试验水听器在监听潜艇螺旋桨噪音上的作用。1916年4月，德国潜艇UC-3被水听器侦测到并因此被击沉。1917年2月，以托马斯阿尔瓦爱迪生为首的美国海军咨询委员会成立了一个特别问题委员会，下设潜艇噪音探测小组委员会。
战时有一些试图将水听器悬挂在水上飞机和飞行艇上的尝试，以使水听器能够在空中反潜战中发挥作用。水上飞机和飞行艇必须降落在水上，使水听器进入水中，并关闭发动机防止噪音干扰。因此拒绝的意见出现，因为有人担心发动机无法再次启动。后来发现软式飞艇是使用这种水听器的更好平台，但是战争在它们能够广泛运用之前就结束了。
在间战期，关于水声学的研究继续进行，1924年引入了商用测深仪用以测定水深，石英晶体换能器的发明使美国海军1928年在舰艇上安装了之一批实验性的回波测距装置。1933年，美国海军制造了20套回声测距声呐设备（SOund NAvigation and Ranging，简称SONAR）。美国海岸与地理测量局（Coast and Geodetic Survey，下文简称C&GS）于1931年提出了声呐浮标的前身“水声-无线电浮标（sono-radio buoy）”，以取代专门作为无线电声学测距站（Radio Acoustic Ranging）的船舶。1936年7月，C&GS的水声-无线电浮标正式投入使用。它的体积很大，装在一个桶形容器内以漂浮在水上，并在内部容纳所有电子设备与电池，如下图所示。通过电磁激活的水听器检测到水下的爆炸物爆炸声，并通过无线电将其转发，通过延时法来测量爆炸距离。
投入使用中的C&GS水声-无线电浮标，正在进行声学测距
二 投入战争
I 概念与设计
1939年9月，随着英法对德国宣战，大西洋战役正式开始。英国根据在一战获得的反潜经验，使用船队护航系统统一护航商船，并有来自英国皇家空军海岸司令部陆基巡逻机的支援。虽然陆基巡逻机的航程优先，缺乏发动致命攻击的武器，但这些巡逻机在发现和攻击U型潜艇上是有效的，迫使它们下潜并阻止它们对海上航运的袭击。1941年，德国海军开始组织潜艇狼群，集结多艘U型潜艇对盟军的船队进行协同打击。同年被德国海军U型潜艇击沉的船只达到了1118艘，而盟军发现的U型潜艇有95%都逃脱了攻击。随着美国参战，德国同样派出U型潜艇到美国东海岸打击航运。为此，美国海军航空兵和美国陆军航空兵进行反潜巡逻，试图在U型潜艇上浮时通过目视发现它们，但直到1942年3月前，反潜机都没有装备雷达，无法在夜间进行巡逻。
1941年5月，英国海军部反潜措施委员会主席帕特里克梅纳德斯图亚特布莱克特男爵提出了一种使用一次性可消耗的空投声呐系统或声呐浮标的想法。美国方面回复他们已经开展了一个项目，该项目在不使用飞机的情况 *** 现了一些相同的问题。罗斯福总统的顾问范尼瓦尔布什在康涅狄格州新伦敦的特朗布尔堡建立了哥伦比亚水声实验室。1941年6月，科学研究与发展办公室（Office of Scientific Research and Development，下文简称OSRD）与新泽西州卡姆登的美利坚无线电公司（Radio Corporation Of America，下文简称RCA）签订了一份合同，开发一种无线电声呐浮标，从护航船队后方的护航舰上部署，用以探测尾随的U型潜艇。
RCA在不到三个月的时间内交付了之一批用于舰船部署的声呐浮标。这些60磅（约27千克）重的浮标鱼1941年9月在新泽西州巴内加特湾进行了测试。它们工作得很好，足以证明这个概念的正确性，尽管之一批试验品很吵而且有漏水问题。然而美国海军决定将注意力放在更高优先级的项目上，而声呐浮标的开发也被正式停止。1942年2月，美国海军研发协调员要求国防研究委员会（National Defense Research Council，下文简称NDRC）开发一种消耗性无线电声呐浮标，供海军飞艇使用，随后开发工作在哥伦比亚水声实验室开始。
而与官方的停止开发命令相反，RCA已经将他们的浮标清理好，修理好并存放起来。在海军提出要求的几周内，1942年3月7日在新伦敦附近与S-20号潜艇和K-5号软式飞艇进行的演习中使用了两个翻新的RCA舰载声呐浮标，证明了在空中反潜战中无线电声呐浮标的实用性。在演习中，浮标在最远3英里（约4.8千米）的距离上探测到了水下潜艇螺旋桨的声音，而飞艇上的无线电信号接收在5英里（约8千米）的距离内令人满意。
之一个可空投声呐浮标重约15磅（约6.8千克），包在一个长约3英尺（约0.9米），直径约5英寸（127厘米）的圆柱体中。这个尺寸后来被标准化，称为A尺寸。为了避免使用战争急需物资，之一个浮标的外筒是一个外表涂有醇酸树脂的四分之一英寸（约0.635厘米）厚的纸管，以保持几个小时的防水。电子设备和电池仓末端的木盘用胶带和柔性间隙密封，提供防水完整性。底盘上的一个孔用水溶性材料密封，使浮标可以在几个小时之后进水沉没。它拥有一个调频电抗调制的半瓦无线电发射器，可调谐到60至72兆赫频段的6个调频色标编码频率中的任意一个频率，并使用5个低耗丝真空管，由手电筒电池供电。它有一个钢制单极天线和一个悬浮在24英尺（约7.3米）深水处的镍磁致伸缩水听器。由于水听器的匹配问题以及连接水听器和电子设备的电线尺寸问题，声呐浮标的深度较浅。最初计划从飞艇上手动投放，但早期的试验型号的投放试验是通过将它们从高桥上投放来进行的。当决定它们将用飞机投放时，浮标上添加了降落伞，并用收入浮标中可以自行伸出的天线代替了原有的刚性天线。
1942年6月，之一种量产列装的被动宽带声呐浮标AN/CRT-1面世，如下图所示。
AN/CRT-1示意图
AN/CRT-1的工作频率为300-8000赫兹，处在人耳可接收的频率范围内，完全依赖人耳听觉进行信号处理。操作员必须根据自己分辨各种水下声音的能力做出实时决策。随后的改进型AN/CRT-1A工作频率修改到100-10000赫兹，重量减轻到12.7磅（约5.8千克）。悬挂电缆储存在中空外壳内，使浮标长度比早期设计减少了4英寸（约10.2厘米），总长度减少到40英寸（101.6厘米）。AN/CRT-1A正式得到了“可消耗无线电声呐浮标（Expendable Radio SonoBuoy，简称ERSB）”的称呼。
AN/CRT-1水听器内部视图。它是一个缠绕在镍壳上的圆柱形磁致伸缩装置。与早期型号相比，它的结构允许将电缆储存在空心外壳内，长度减少了约4英寸（10.2厘米）。
AN/CRT-1内部电路示意图
II 使用
完整的AN/ARR-3接收器与AN/CRT-1声呐浮标系统示意图
AN/CRT-1将与AN/ARR-3接收器配合使用。AN/ARR-3有六个系统频道。
投放AN/CRT-1时，一根拴在飞机上的固定线将会撕开降落伞盖，使直径24英寸（约61厘米）的橙色降落伞打开，天线同时从降落伞上的一个孔中伸出。天线是一根39英寸（约99厘米）的四分之一波钢管，约有9.5英寸（约24厘米）的天线通过一个防水套管与水隔绝。降落伞的一个护罩将拉动一个开关销，打开无线电发射机。在水中，降落伞仍然连接在天线底座周围。
AN/CRT-1入水后展开的示意图
密封上隔间内的放大器和射频发射器安装在一块矩形板的两侧，音频放大器在一侧，射频电路在另一侧。这种安装方式不仅结构紧凑，而且提高了音频和射频电路之间的隔离度。外壳底部的末端是一个铸铁环，有助于浮标在水中的稳定，并为水听器释放装置提供了一个固定装置。该装置由弹簧组成，在运输和装卸过程中可将水听器牢牢固定在原位，但在碰到水面时会自动触发，允许水听器下降到其24英尺（约7.3米）电缆的极限位置。板子安装在四个防震橡胶支架上，以隔离电路的微音噪声，每个真空管插座都有自己的橡胶支架。调频发射器的有效射频天线辐射为0.1瓦。它由四节并联的1.5 伏手电筒电池提供灯丝电压，由两节串联的67.5伏微型电池提供板极电压，可连续工作4小时。
通常情况下，飞机会在疑似发现潜艇的位置投放一个被设定在“紫”频率上的声呐浮标，随后以“紫”浮标为中心，以四叶草形状轨迹飞行，以约为约为2英里（约3.2千米）的间隔，依次投放“橙”“蓝”“红”“黄”浮标，留下“绿”浮标作为后备，如下图所示。
标准的“四叶草”浮标投放模式，以紫-橙-蓝-红-黄（POBRY）顺序投放声呐浮标
操作员将通过比较各浮标收听到的潜艇噪音大小来推断目标位置。AN/ARR-3有一个自动频率控制（Automatic Frequency Control，简称AFC）功能，允许快速转换频道，以方便操作员比较噪音大小。完成一个四叶草部署模式大约要耗费13分钟。
当飞机发现水面上的潜艇时，将以300英尺（约91米）的高度接近，投下反潜鱼雷和一个或多个浮标，以收听爆炸或水下潜艇螺旋桨制造的空泡声。如果未能确认击沉，飞机将投放额外的声呐浮标以重新定位并跟踪目标，如下图所示。
声呐浮标的一次搜索投放模式之后紧接着一个追踪投放模式
声呐浮标将从弹舱内投放或者人力投放。
在AN/CRT-1A声呐浮标投入使用的同时，数种磁异探测器（Magnetic Anomaly Detector，简称MAD）也在美国海军中推行开来。尽管美国海军认为MAD将是巡逻机追踪潜艇的主要手段，但是在实际使用中MAD用处有限，范围极小，不能区分磁场变化的来源，常常会因为沉船或局部磁场干扰发生误报。这一点在战争早期尤其如此，当时美国海军还没有使用这套系统的经验。而后，通过与声呐浮标配合，MAD取得了成功。MAD将在之一次飞越时给予飞机警告，从而使飞机获得疑似潜艇的位置，随后飞机将投放声呐浮标，以此确认目标是否确实为潜艇。
一些声呐浮标配备了1磅（约454克）的荧光染料包，使其在白天高度可见，或者带有夜间灯的捆绑项圈，用以在夜间使用。虽然它们通常只有四个小时的电池寿命，但是有些浮标会通过绑在一个带有额外电池的单独容器上来增加电池续航寿命，如下图所示。
附带了额外电池的AN/CRT-1A声呐浮标
为了保障声呐浮标电池的寿命，声呐浮标一般使用保质期很短的简单干电池。这些电池可以轻易地更好，目的是为了随时能够使用新电池。但是，在前线使用中，为了消耗库存，声呐浮标通常会被先发给库存中最旧的电池，因此声呐浮标的可靠性也很差。但是，在做好了维护工作的中队手中，AN/CRT-1A声呐浮标的可靠性达到了70%左右。
III 生产与实战
1942年7月25日，一架美国陆军的B-18“博洛”双发轰炸机首次成功投放了一枚AN/CRT-1声呐浮标。到10月底，舰船局订购了1000枚声呐浮标和100个AN/ARR-3接收器，开始采购消耗性无线电声呐浮标。随后，美国陆军航空兵订购了6410枚AN/CRT-1声呐浮标，美国海军订购了1800枚。1943年，RCA开始全面大规模生产声呐浮标。
1943年初，美国海军开始组织以护航航母为中心的猎杀反潜小组，旨在提供护航支援并追击，击沉敌方潜艇。1943年3月5日，美国海军博格级护航航空母舰博格号（CVE-9）成为最初17艘护航航母中之一艘开始执行系统反潜战行动的护航航母。作为猎杀反潜小组的中心，这些护航航母在15节航速上拥有超过16000海里（29632千米）的航程，并且配备了28架舰载机，包括格鲁曼/通用动力公司的F4F/FM-1/FM-2“野猫”战斗机和TBF/TBM“复仇者”鱼雷轰炸机，而TBF/TBM鱼雷轰炸机拥有操作声呐浮标的能力。随着盟军开发的高频无线电测向仪（High Frequency/Direction Finding，简称HF/DF，又称“Huff Duff”）的出现，德国U型潜艇向司令部发回的电报会被盟军截获，并以此获得U型潜艇的位置。通过视觉接触和声呐追踪，猎杀反潜小组将追击U型潜艇直到丢失目标或目标被摧毁。有时，猎杀反潜小组也会因为盟军通过破译德国海军以恩尼格码密码机为中心的密码系统并截获U艇的加密电报获取U型潜艇的位置信息。
1943年，德国开发了潜艇通气管，允许U型潜艇在水下排出柴油废气并吸入新鲜空气，从而允许在水下驱动柴油机为电动机充电，而此时潜艇处于潜望镜深度，雷达难以探测。随着1942年10月15日组建的美国陆军航空兵反潜司令部在1943年8月的解散，大量的原用于反潜的B-24“解放者”重型轰炸机移交给海军，重命名为PB4Y-1用于反潜任务。1943年12月，声呐浮标被配发给反潜中队，到1944年，海军已经订购了59700个AN/CRT-1A声呐浮标。
博格号最出名的战果之一将在1944年6月23日夜晚取得。1944年6月22日，日本潜艇伊-52与德国潜艇U-530在佛得角以西约850英里（约1368千米）的海域会合。而在之前，博格号与其猎杀反潜小组已经通过盟军的密码破译情报事先得知了情况，并已经在附近埋伏。6月23日23时40分，当伊-52在恶劣天气下于夜间在海面上航行时，U-530 及时避开了从博格号上起飞的TBF鱼雷轰炸机的袭击。TBF首先投下照明弹照亮日本潜艇，随后又投下两枚354磅（约161千克）的Mk54深水炸弹。伊-52为躲避攻击而急速下潜，复仇者随即执行了一次四叶草声呐浮标投放机动，投下了5个声呐浮标，通过连续监听这5个声纳浮标，可以根据目标发出声音的相对强度确定潜艇的位置。在声纳浮标确认探测后，TBF投下了一枚Mk24 菲多反潜声导鱼雷。来自博格号的其它TBF鱼雷轰炸机也在声纳浮标上捕捉到了螺旋桨的声音，于是又投下了第二枚鱼雷，随后在水下发生了巨大的爆炸。声纳浮标没有再接收到潜艇发出的任何声音。次日早晨，博格号的一艘护卫舰发现了伊-52的残骸，其中包括生橡胶、丝绸和人体残骸。这是博格号自开始反潜作战以来的第八个战果。
两个月后，1944年8月20日，博格号的舰载机在纽芬兰雷斯角东南约300英里（约483千米）发现了德国潜艇U-1229，正在运送一名德国间谍前往缅因海岸。一架TBF用Mk5反潜火箭和两枚Mk54深水炸弹攻击了U-1229。U-1229下潜之后15秒，TBF投下了“紫”声呐浮标。一分钟之后，声呐浮标捕捉到了螺旋桨的声音，但之后便听到了锤击声，然后沉默了。飞行员看到燃油从水下漏出。TBF继续完成四叶草机动，投下所有声呐浮标。虽然仍然没有潜艇螺旋桨声音的迹象，但仍然有更多TBF被派来跟踪。其中一架TBF被告知只有两个声呐浮标在正常运行，又投下了四个浮标。之后，U-1229浮出水面，随即遭到两架TBF的深水炸弹和火箭弹攻击，迅速沉没。只有42名幸存者生还。
1945年，盟军最终赢得了欧洲和太平洋战争的胜利。从1939年到1942年，盟军只摧毁了 150 多艘U型潜艇，而从1943年到1945年，盟军摧毁了近600艘U型潜艇，当时盟军组织的猎杀反潜战斗群开展了大规模的空中反潜作战。战争期间被击沉的潜艇中有40%是由飞机或飞机与舰艇联合击毁的。一旦确定了一艘U型潜艇的位置，声纳浮标在确定潜艇下潜后的去向以及后续攻击的成功率方面发挥了重要作用。从1942年10月到1945年战争结束，美国海军共订购了15万个声纳浮标和7500个声纳浮标接收器，这足以说明声纳浮标在战争中的价值。
三 后记
AN/CRT-1/A空投声呐浮标作为之一代空投声呐浮标，在盟军的空中反潜战中发挥了至关重要的作用。战后，基于二战时对AN/CRT-1/A空投声呐浮标的主动改进版AN/CRT-4，美国海军开发了AN/SSQ-1，而AN/CRT-1/A的直系继承者AN/SSQ-2也同样投入使用。这些声呐浮标奠定了美国海军在航空反潜中运用声呐浮标的基础，它们与它们的后继者在对抗苏联潜艇的新任务上将发挥更大的作用。
