Текст книги "Физика в бою"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 10 страниц)

Известно, что тяговые качества машины при прочих равных условиях тем выше, чем длиннее площадь контакта движителя с грунтом. Оценить конструкцию машины с этой точки зрения можно по отношению суммарной длины всех отпечатков колес одной стороны к длине машины (коэффициент использования длины К_д). Для зарубежных армейских автомобилей характерны следующие средние значения К_д: двухосные – 0,12; трехосные – 0,23; четырехосные – 0,32; четырехосные автомобили на пневмокатках – 0,26.

Теоретически для четырехосного колесного автомобиля при расстоянии между соседними колесами в 0,1 диаметра К_д не может быть выше 0,46. Кроме того, надо иметь в виду, что даже при сниженном давлении воздуха в шинах в контакте с грунтом находится не более 16 % окружности колеса. Остальные 84 % участия в образовании опорной и тяговой поверхности в каждый данный момент времени не принимают и, с инженерной точки зрения, являются лишь балластом. Правда, в печати приводятся сведения о попытках зарубежных специалистов обойти этот недостаток за счет применения некруглых (квадратных, трехгранных, овальных) колес. Однако из стадии эксперимента эти попытки не вышли. К тому же трудно представить себе что-либо более похожее на фрезу для разрушения грунта, чем современная армейская широкопрофильная шина с высокими грунтозацепами. Разрушение слабых грунтов идет настолько интенсивно, что движение колесных машин по ним практически нереально.

Таким образом, с точки зрения внешнего аспекта оценки эффективности движителя показатели колес оставляют желать лучшего. Иное дело – совершенство колеса, как механизма, преобразующего работу двигателя в работу передвижения машины. При движении по недеформируемому (не изменяющему форму) основанию эффективность колесного движителя с жестким колесом очень высока, его КПД приближается к 100 %. Однако при переходе от жесткого колеса к автомобильной шине, и особенно от жесткой бетонной дороги к грунту, эффективность колеса резко снижается. При движении по бетонной дороге на деформацию, т. е. изменение формы, шины затрачивается уже 3–5 % мощности двигателя, а применение шин низкого давления при движении по грунтам сопровождается потерями до 30 % мощности.

Достоинством колесного движителя считают его долговечность. Действительно, изготовленные из силиконовых каучуков покрышки современных автомобилей выдерживают 100–200 тыс. км пробега. Однако – это по дорогам. Иная картина при движении по бездорожью. Тут гарантийный срок службы шины резко падает – до 15 тыс. км, причем движение на пониженном давлении (т. е. именно то, что нужно для бездорожья) допускается только в пределах 5—15 % от общего пробега и на пониженной скорости.

С точки зрения надежности для армейской машины резиновые шины колесных машин также нельзя назвать удовлетворительными. Не говоря уже о боевых повреждениях – прострелах, наезд на камни, гвозди, стекла нередко приводит к необходимости заменять шины. Эта операция, не очень-то приятная и в мирной обстановке на шоссе, крайне трудно выполнима в бою, в грязи, с колесом большого диаметра и веса. Не случайно большие четырехосные армейские автомобили запасного колеса не имеют, поскольку в полевых условиях без подъемного крана все равно его заменить нельзя. При повреждении одного-двух колес приходится добираться до базы на оставшихся, сбросив при этом часть груза или соответственно ухудшив проходимость. Повреждение резиновой покрышки, следовательно, связано со срывом выполнения поставленной перед армейской машиной задачи.

И последнее достоинство колесного движителя – возможность движения с большой скоростью. Однако для армейских автомобилей при движении по бездорожью в боевых условиях эта возможность реализована быть не может, так как скорость движения ограничивается возрастающими сопротивлениями (грунт, неровности и т. д.).

Все вышесказанное позволяет наметить область применения армейских машин с колесными движителями. Это дороги (как с твердым покрытием, так и грунтовые), плотные грунты, обладающие достаточной несущей способностью. Что касается целесообразности использования колесных машин для перевозок по песку, то подобные грунты, как уже говорилось выше, лучше всего преодолевать на машинах с движителем, оказывающим значительное удельное давление и имеющим необходимую длину опорной поверхности. Опыт французской фирмы Берлиё, успешно эксплуатирующей в Сахаре трехосные большегрузные автомобили с шинами большого диаметра, подтверждает это.

Теперь рассмотрим достоинства и недостатки второго типа движителя – гусеничного.

По мнению ряда зарубежных специалистов, гусеничные машины, по сути дела, колесные. Это парадоксальное заключение они объясняют тем, что единственное отличие гусеницы от колес состоит в «рельсе», которая укладывается перед машиной и подбирается позади машины по мере ее прохождения. Эту рельсу обычно и называют гусеницей. Благодаря такому устройству, колеса (или опорные катки, как их называют в гусеничных машинах) не воздействуют непосредственно на грунт, а передают нагрузки через звенья гусеницы – траки. Форма и размеры поверхности соприкосновения движителя с грунтом в этом случае резко изменяются, чем и объясняется различие в проходимости колесных и гусеничных машин.

Зарубежные армейские гусеничные машины обычного типа характеризуются средними значениями коэффициента использования площади К_п = 0,20, а снегоболотоходные – К_п = 0,59. Таким образом, при прочих равных показателях гусеничные машины будут в состоянии двигаться по более слабым грунтам, нежели колесные, у которых К_п не превышает 0,17.

Второй оценочный показатель – коэффициент использования длины К_д у обычных армейских гусеничных машин в среднем равен 0,55 и у снегоболотоходов – 0,66. Эти значения превышают теоретически возможный для колесных машин предел К_д, равный 0,46, в 1,2–1,4 раза. Поэтому тягово-сцепные качества гусеничного движителя, пропорциональные длине поверхности контакта, будут соответственно выше, чем у колесных машин.

Поскольку величина пробуксовки определяется длиной площади контакта с грунтом, можно прийти к выводу, что колеса, которые имеют более короткую поверхность контакта, будут пробуксовывать при прочих равных условиях значительно больше, чем гусеницы. Соответственно, для передвижения колесной машины в тяжелых условиях потребуется затратить большую мощность.

В контакте с грунтом у гусеничного движителя находится не 16 % периметра, как у колеса, а 30–40, что также свидетельствует о его большей конструктивной экономичности по сравнению с колесным движителем.

Рассмотрим довольно наглядный график (рис. 15), которым зарубежные специалисты иллюстрируют сравнительную проходимость колесных и гусеничных машин. По горизонтальной оси здесь отложен некий обобщающий показатель «К», характеризующий свойства грунта. Чем он больше, тем лучше грунтовые условия. По вертикальной оси отложены значения удельной свободной силы тяги Р_кр, характеризующие тягово-сцепные качества движителя. Тяговые показатели обеих машин и сопротивление, оказываемое буксируемым прицепом, показаны соответствующими кривыми.

^{Рис. 15. Показатели проходимости колесных и гусеничных машин}

Из графика видно, что на грунтах с К < 3 колесные машины вообще двигаться не могут. При К = 4 сила тяги на крюке гусеничной машины равна 60 %, а у колесной – всего 15 % от веса машины. Один и тот же прицеп гусеничная машина сможет буксировать по грунту с К = 1,8, а колесная – только с К = 4. С увеличением значения К (улучшение грунтовых условий) разница в тягово-сцепных качествах колесного и гусеничного движителей быстро падает и при К = 12 практически уже не ощущается.

Как видно, у гусеничного движителя много достоинств. Однако, познакомившись с существующими сейчас зарубежными армейскими транспортными средствами, нетрудно заметить, что среди них преобладают не гусеничные, а колесные машины. В чем тут дело?

Эффективность гусениц, как движителя, значительно ниже, чем колеса – так до недавних пор утверждали многие конструкторы, основываясь на результатах сравнительных испытаний по дорогам с твердым покрытием и грунтовым. В самом деле, гусеницы армейских машин собираются из тяжелых стальных траков, шарнирно соединенных между собой. На перематывание гусеницы, трение в шарнирах траков расходуется не менее 10 % мощности двигателя, причем с увеличением скорости движения потери в гусеничной цепи возрастают настолько, что максимальная скорость гусеничных машин редко превышает 70 км/час. Мнение о неэффективности гусеничного движителя до последнего времени было настолько распространено, что конструкторы сосредоточили свое внимание на совершенствовании колесного движителя, тем более что здесь предоставилась широкая возможность использовать достижения коммерческого автомобилестроения.

В результате проходимость колесных машин за последние годы значительно возросла и во многих случаях стала приближаться к проходимости гусеничных. Однако оказалось, что чем ближе проходимость колесных и гусеничных машин, тем меньше разница в эффективности их движителей: в равных условиях бездорожья потери в обоих типах движителей мало чем отличаются друг от друга. Это обстоятельство, подтвержденное данными механики системы «грунт-машина», и заставило обратить внимание на совершенствование гусеничного движителя.

Были разработаны легкие конструкции гусениц – с разнесенными траками, ленточные, пневматические. Они показали высокую работоспособность, надежность и значительное увеличение срока службы в самых тяжелых условиях. В печати стало настойчиво высказываться мнение, что с точки зрения надежности гусеничный движитель отвечает требованиям, предъявляемым к армейским транспортным средствам в большей степени, чем колесный. Судя по зарубежным работам, область применения гусеничных движителей – бездорожье, грязь, снега, болота. Здесь их достоинства преобладают над недостатками.

Третий тип движителя, появление которого сопровождалось в иностранной печати большой шумихой, – так называемая воздушная подушка. Принцип действия этого движителя заключается в том, что между днищем машины и поверхностью, над которой она движется, нагнетается воздух, образующий прослойку («подушку»), которая приподнимает машину и уменьшает силы сопротивления движению до минимума. К настоящему времени первые восторги, с которыми было встречено появление машин на воздушной подушке, улеглись и появилась возможность дать им объективную оценку.

С точки зрения внешнего аспекта характеристики движителя машины на воздушной подушке представляются идеальными. Коэффициент использования площади Кп у них равен 1, т. е. максимально возможное значение достигнуто, чем, казалось бы, обеспечена и проходимость по самым слабым грунтам. Однако на этом достоинства подобных машин и кончаются.

Рассмотрим вторую функцию движителя на воздушной подушке – создание тягового усилия. Сила тяги здесь создается воздушными винтами. Поэтому динамический фактор (отношение силы тяги к весу машины) мал, сколько-нибудь существенных подъемов машина преодолевать не может, время разгона велико. Радиусы поворота очень большие, торможение воздушными винтами малоэффективно.

Основной же недостаток машин на воздушной подушке заключается в низкой экономичности движителя. Для того, чтобы приподнять машину над грунтом, необходимо нагнетать под ее днище огромную массу воздуха и затрачивать на это значительную мощность. У современных аппаратов на воздушной подушке удельная мощность (отношение мощности двигателя к весу машины) составляет 100–300 л.с./т, что в 8 раз больше, чем у остальных наземных машин. Соответственно увеличивается и расход горючего. Толщина воздушной подушки невелика – 10–30 см, это объясняется тем, что расход мощности на образование подушки растет пропорционально четвертой степени высоты парения. Вентиляторы машины при работе действуют подобно пылесосу, засасывая массу пыли, траву, щепки и другой мусор.

Все перечисленные и другие недостатки определили область применения машин на воздушной подушке: за рубежом в настоящее время они используются для перевозок над водными пространствами. Сведений об использовании их в качестве наземных армейских транспортных средств в печати не приводилось.

* * *

Рассмотрев зарубежные взгляды на использование различных типов движителей в целях повышения проходимости армейских машин, мы можем сделать вывод, что решение вопроса о применении того или иного типа движителя для армейской машины должно базироваться на изучении физики процесса взаимодействия движителя с грунтом, на всестороннем учете грунтовых условий, для которых эта машина предназначена. Должна быть статистически оценена частота воздействия тех или иных факторов на машину и в зависимости от этого на основе данных механики системы «грунт-машина» определены оптимальные размеры и форма поверхности контакта движителя с грунтом, а следовательно, и тип движителя.

Движителей, которые были бы в равной степени эффективны на дорогах и там, где кончается асфальт, на любых грунтах, в настоящее время нет. Однако поиски таких конструкций ведутся весьма интенсивно. Что они будут собой представлять, покажет время.

НОВЫЕ ПУТИ ЭЛЕКТРОНИКИ

_{Инженер-полковник И. ВОЛОШИН, доцент, доктор технических наук,}

_{инженер-подполковник В. СИДОРИН, доцент, кандидат технических наук}

Среди областей науки и техники, сыгравших особенно большую роль в революции, происшедшей в военном деле, важнейшее место принадлежит электронике. Без электронных устройств было бы невозможно создание и использование самого мощного – ракетно-ядерного оружия, создание и боевое применение подавляющего числа образцов современной боевой техники – сухопутной, военно-морской, авиационной. Электроника – это связь, управление войсками, обнаружение противника и наведение ракет и самолетов на цели. Без преувеличения можно сказать, что без электронных устройств современный бой просто немыслим.

Но как ни велика была роль электроники в недалеком прошлом, ее значение для дальнейшего прогресса военного дела, пожалуй, еще больше: Дело в том, что на широкие возможности радиоэлектроники, на ее быстрое развитие опираются многочисленные перспективные разработки боевых средств и вооружения. Кроме того, в самой электронике с каждым днем открываются все новые и новые пути, сулящие уже в недалеком будущем создание принципиально новых средств организации и ведения боя. Ярким примером в этом отношении служит одна из новейших отраслей современной электроники– квантовая электроника.

Идеи, лежащие в основе квантовой электроники, непосредственно связаны с той революцией в области физики, которой ознаменовалось начало XX века. В то время Альберт Эйнштейн создал теорию, позволившую не только объяснить известные тогда явления поглощения электромагнитной энергии веществом, но и предсказать возможность другого процесса – индуцированного, т. е. навязанного извне, излучения вещества.

Происхождение такого излучения можно объяснить следующим образом. Элементарные частицы вещества – молекулы и атомы – могут поглощать и излучать электромагнитную энергию очень малыми порциями – квантами. Если атом находится в невозбужденном состоянии, он может поглощать энергию. Поглотив квант, атом переходит в возбужденное состояние.

Существуют два способа возвращения атома в его основное энергетическое состояние. Этот переход может произойти самопроизвольно, без вмешательства извне, и вынужденно, под влиянием облучения. В обоих случаях атомы способны излучать запасенные кванты энергии. Однако отличительная особенность вынужденного излучения состоит в том, что испускаемые атомом кванты по частоте и направлению распространения ничем не отличаются от электромагнитных колебаний, вызвавших такое излучение. Таким образом, вынужденное, или, как еще говорят, индуцированное, излучение органически входит в вызревшую его волну и усиливает ее.

Следует, однако, отметить, что индуцированное излучение долгое время оставалось лишь теоретическим предположением. Условия, необходимые для его практического осуществления, были впервые сформулированы советским ученым В. А. Фабрикантом в докторской диссертации, защищенной в 1940 г. Становление же квантовой электроники, как новой отрасли техники, началось примерно с 1954 г., когда почти одновременно в СССР (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров) и США (Ч. Таунс с сотрудниками) были созданы первые квантовые генераторы радиоволн (мазеры). В этих генераторах использовалось индуцированное излучение молекул аммиака, в силу чего такие генераторы первоначально назывались «молекулярными». При этом впервые для излучения радиоволн были использованы не электронные потоки, как в радиолампах, а электрически нейтральные молекулы.

Следующим важным этапом явилась разработка квантовых усилителей радиоволн. Интерес к квантовым генераторам и усилителям вызывался не только тем, что они открывали новые способы генерации и усиления радиочастот. По ряду показателей они превосходили известные радиотехнические устройства и поставили своеобразные рекорды.

Особенно существенное влияние квантовые усилители оказали на дальность действия радиосистем. Как известно, дальность зависит от чувствительности аппаратуры. В свою очередь, чувствительность зависит от уровня собственного шума приемников, создаваемого их же контурами и лампами. Благодаря тому что квантовые усилители работают при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (порядка минус 270 °C), уровень собственного шума приемников с такими усилителями в 1 тыс. раз меньше, чем у приемников с электронными лампами.

Можно смело сказать, что осуществление таких выдающихся научных экспериментов, как слежение за автоматическими межпланетными станциями и радиолокация планет солнечной системы, было бы невозможно без использования квантовых усилителей радиочастот.

В 1960 г. открылась новая страница в истории молодой науки: стали разрабатываться квантовые генераторы оптического диапазона (лазеры). За создание оптических квантовых генераторов советские ученые Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и американский ученый Ч. Таунс удостоены Нобелевской премии. Суть вопроса здесь такова. Несмотря на общую физическую природу, электромагнитные волны, испускаемые известными до сих пор источниками света, и волны, излучаемые радиопередатчиками, резко отличаются друг от друга. Излучение световых источников – ламп накаливания– состоит из квантов самых различных частот и занимает очень широкий спектр (практически весь видимый диапазон). В силу этого обычные световые источники пригодны лишь для простейшей сигнализации. Квантовые же генераторы излучают исключительно направленные световые волны определенной частоты.

Угол расхождения луча оптического квантового генератора, как и в радиотехнике, определяется отношением длины волны к диаметру антенны или линзы. Поскольку в диапазоне видимого света длины волн (0,7–0,4 микрона) в 10 тыс. раз меньше, чем, допустим, в диапазоне сантиметровых волн, то и раствор направленного излучения при одинаковых размерах антенн в оптическом диапазоне получается во столько же раз меньше. Например, при диаметре рефлектора в 1 м предельный угол расхождения луча на волне красного света (0,7 микрона) составит менее одной угловой секунды, а на волне 2 см – около 1°, т. е. будет в тысячи раз больше. А от величины угла излучения зависит концентрация энергии в пространстве. Она обратно пропорциональна квадрату угла расхождения луча.

Таким образом, в оптическом диапазоне плотность излучения получается в миллионы и десятки миллионов раз выше, чем в радиодиапазоне. Это свойство световых излучений показывает, что в оптическом диапазоне системы связи и локации принципиально могут быть более экономичными. При меньших мощностях передатчиков можно достигнуть больших дальностей действия. Кроме того, высокая направленность оптических излучений позволяет получить соответственно в тысячи раз большую точность определения угловых координат, лучшую разрешающую способность. Появляются также неограниченные возможности для передачи информации: в диапазоне световых волн может быть размещено, например, несколько десятков миллионов телевизионных каналов.

В зарубежной печати отмечается, что свойства квантовых генераторов позволяют по-новому решать целый ряд задач в области локации, управления и связи и, кроме того, разработать принципиально новые виды вооружения.

В настоящее время разработано несколько типов оптических квантовых генераторов. Наиболее распространен квантовый генератор на рубине. Он включает в свой состав рубиновый стержень, расположенный между двумя зеркалами и подсвечиваемый лампой-вспышкой. Эта лампа переводит ионы хрома, находящиеся в кристаллической решетке рубина, в возбужденное состояние. При возвращении в исходное состояние они вызывают излучение, выводимое через одно из зеркал, которое делается полупрозрачным. В качестве рабочего вещества, кроме рубина, могут быть использованы и другие материалы, например стекло с присадкой редкоземельных элементов и некоторые смеси газов.

Оптические квантовые генераторы делают лишь первые шаги. Как отмечалось в печати, существующие за рубежом образцы еще недостаточно совершенные устройства и не достигли всех предсказываемых теорией возможностей. Пока крайне мал коэффициент полезного действия генераторов – всего около 1 %. Поэтому большой интерес за рубежом вызвало появление в прошлом году оптических квантовых генераторов на полупроводниках, которые не требуют лампы-вспышки и непосредственно преобразуют электрический ток в индуцированное излучение.

Большинство зарубежных специалистов высказывают мнение, что оптические квантовые генераторы найдут практическое применение прежде всего в системах космической связи. Минимальная ширина луча, которая при этом может быть достигнута, составляет доли угловой секунды. Для создания столь узких лучей в сантиметровом диапазоне радиоволн потребовалась бы антенна диаметром в несколько километров! Высокая концентрация энергии в системах связи с оптическими квантовыми генераторами, как полагают, обеспечит чрезвычайно большую дальность действия. Подсчитано, например, что при мощности передатчика всего в одну тысячную ватта дальность связи в космосе может достигать миллиона километров.

Высокая направленность излучения оптических генераторов практически исключает возможность перехвата сообщений и создание помех. Однако считают, что такие линии связи потребуют автоматических систем ориентации антенн передатчика и приемника. Следует иметь также в виду, что в нижних слоях атмосферы дальность действия систем оптического диапазона существенно сокращается из-за поглощения и рассеяния световых лучей в облаках, тумане.

Широкое использование оптические квантовые генераторы найдут при создании локационных систем с высокой точностью определения координат. По мнению зарубежных специалистов, такие локаторы необходимы для перехвата космических и воздушных целей, решения задачи встречи космических кораблей, для монтажа межпланетных станций и ряда других задач. Отмечалось, что при малых секторах обзора вследствие высокой направленности излучения локационные системы с квантовыми генераторами могут обеспечить значительно большую дальность действия, чем обычные радиолокаторы. Кроме того, указывалось, что в оптическом диапазоне можно создать локаторы, позволяющие производить измерение скорости движущихся объектов с очень большой точностью (до нескольких сантиметров в секунду).

Оптические локаторы могут быть применены и в качестве портативных дальномеров в сухопутных войсках, авиации и на флоте. Несколько подобных образцов изготовлены, например, в США. Они позволят быстро и с высокой точностью определять расстояние до любых целей и тем самым существенно повысить эффективность оружия. Новые дальномерные системы, как отмечалось, можно использовать при точных картографических съемках местности и для измерения высоты полета летательных аппаратов.

Изучаются также возможности использования оптических генераторов для подводной локации и связи. Особый интерес к этой области зарубежные специалисты стали проявлять в самое последнее время, после разработки квантовых генераторов, работающих в сине-зеленой области видимого спектра, слабо поглощаемого водой. Ожидают, что с помощью достаточно мощных генераторов можно достигнуть дальности подводной связи в несколько сотен метров.

Наиболее сенсационный характер носят сообщения зарубежной печати о возможности использования оптических генераторов для создания лучевого оружия, якобы способного мгновенно поражать различные цели. Подобные идеи возникли после первых лабораторных опытов, во время которых световым лучом прожигались отверстия в кусках металлов и алмаза. На основании этих опытов стали высказываться предположения об использовании оптических квантовых генераторов для поражения живой силы и техники, в частности ракет, самолетов, танков. В США с этой целью изучается разрушение материалов под действием светового излучения. Ряд фирм занят исследованиями, связанными с созданием квантовых генераторов с чрезвычайно высокой выходной энергией. Вынашиваются планы использования космических платформ для размещения на них лучевого оружия, предназначенного для уничтожения баллистических ракет. Имеются высказывания даже о том, что с баз, расположенных на Луне, «можно поражать вражеские объекты, расположенные на Земле, с помощью лазерных лучей смерти».

Однако некоторые зарубежные специалисты, например профессор Ганс Тирринг, считают, что для практической реализации идеи лучевого оружия, предназначенного для поражения боевой техники, потребуется увеличение энергии светового излучения более чем в миллион раз. По мнению ученого, кроме сложности проблемы достижения столь колоссальной энергии, существует еще не менее трудная проблема наведения узкого луча на цели, находящиеся на расстоянии десятков километров. Что касается поражения с Луны объектов, расположенных на Земле, эту идею Тирринг считает фантастической. Он полагает, что в данное время энергия оптических генераторов достаточна лишь для ослепления солдат на поле боя.

Как видно, для квантовой электроники характерно чрезвычайно стремительное развитие. Если вчера о квантовых устройствах говорили в порядке предположений, то теперь некоторые из них уже существуют. Несомненно, дальнейшее использование квантовых генераторов станет важным шагом в развитии многих отраслей военной техники.