Текст книги "Незримые пути"
Автор книги: Владимир Немцов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 15 (всего у книги 17 страниц)
Глава пятая
СКВОЗЬ НОЧЬ И ТУМАН
Я уже упоминал о радиолокации. Раньше об этом открытии писали только в фантастических романах, а сейчас оно стало широко применяться в нашей жизни.
Это не значит, что радиолокация потеряла для нас прелесть новизны. Со времени открытия русского ученого А. С. Попова, который, как тебе, наверно, известно, впервые обнаружил отражение радиоволн от кораблей, прошло много лет, а возможности применения радиолокации далеко еще не исчерпаны.
Вот ведь, кажется, сравнительно небольшая отрасль радионауки – локация. Я подчеркиваю "небольшая", потому что у радиотехники столько отраслей, что их даже трудно перечислить. Тут и приемники, и мощные радиостанции, и телевидение, и телемеханика, и высокочастотная закалка, и плавка, и радиоразведка, и разные электронные приборы, о чем я только что рассказывал.
Все эти области науки если и не входят непосредственно в радиотехнику, то связаны с ней неразрывно. Так, например, существование электроакустики немыслимо без радиотехники, так же как немыслима без нее совсем новая наука – радиоастрономия.
Но, несмотря на все это, радиолокация занимает особое место в технике радио.
Расстояние до Луны или до твоего дома
Неизвестно, чем ты захочешь заниматься, если выберешь профессию радиоспециалиста. Может бьпь, навсегда покорят твое воображение чудеса радиолокации.
Будущие межпланетные путешествия невозможны без радиолокации.
Это ясно уже сейчас. Советские ученые определили возможность измерения расстояний до небесных светил с помощью радиолокатора. Они сделали практические расчеты для радиолокации Луны.
Невидимым лучом радиопрожектора можно как бы ощупывать горы и впадины на поверхности Луны, заранее отыскивать место для посадки будущего ракетоплана.
Радиолокатор позволяет видеть на далекие расстояния сквозь ночь и туман.
Это действительно фантастический радиоглаз, покоряющий пространство. Астрономы смотрят на небо обычно ночью, стараясь заметить падающий метеор по вспышке, по светящемуся следу, но радиолокатор может исправить несовершенство человеческого зрения: он видит этот метеор днем так же хорошо, как и ночью, потому что не вспышка и не светлый след воспринимаются антенной радиолокатора, а отражение волны ионизированного облачка, которое оставляет за собой метеор.
Разберемся в сущности радиолокации.
Радиолокатор видит не тень и не свет. Он замечает совсем не то, что привычно нашему глазу.
Он может показать, где находится каменное здание, где летит самолет, корабль, плывущий в тумане. Он укажет на айсберг, горы и скалы.
Но не все доступно глазу радиолокатора. На его экране ты не увидишь, как выглядят высокие сосны и цветочные клумбы, как колышутся высокие хлеба и зреют плоды.
Ночью на расстоянии многих десятков километров радиолокатор видит самолет, но никогда даже вблизи и при ярком солнечном свете он не заметит опознавательных знаков на его крыльях.
Он видит все то, от чего отражается радиолуч.
Правда, с самолета радиолокатор может увидеть реку или канал, но это потому, что радиолучи иначе отражаются от воды, чем от земли.
Радиолокатор покажет и железный мост через эту реку, но опять-таки потому, что от металла волны отражаются лучше, чем от воды.
Вот почему радиолокатор не увидит опознавательного знака на самолете. Ведь самолет металлический, лучи отражаются от его поверхности одинаково, вне зависимости от того, какой краской он выкрашен или что на нем нарисовано.
Предположим, что мы с тобой построили крохотный передатчик дециметровых волн и такой же приемник. В этих аппаратах можно применить обычные лампы, например те же пальчиковые.
Ты уже знаешь, что радиолокацией можно определить расстояние не только до неподвижного объекта, например до какого-нибудь дома, но и до летящего самолета; причем, как известно, радиолокатор сразу показывает и скорость его и направление полета.
Попробуем решить очень простую задачу – с помощью радиолокатора определим расстояние до дома.
У приемника и передатчика – направленные антенны. Для этих волн они могут быть сделаны с небольшими рефлекторами.
Поставим наши аппараты в поле на некотором расстоянии друг от друга.
Впереди виднеется дом с железной крышей.
Направим рефлектор передатчика точно на крышу дома. Включим приемник и его антенну тоже нацелим на этот дом.
Рассуждаем так: если мы на мгновение включим передатчик (причем в этот же момент заметим время на секундомере), луч добежит до крыши, отразится от нее, помчится обратно, и мы его тут же поймаем рефлектором приемника. Несомненно, что в телефоне мы услышим звук работающего передатчика. Надо только успеть нажать кнопку секундомера, чтобы определить, сколько времени волна бежала до дома и обратно.
Дальше все получается очень просто – обыкновенная арифметика. Надо разделить полученное время на два, чтобы узнать путь волны только до дома, не считая времени обратного пробега.
Затем, зная скорость распространения волн, а именно – триста тысяч километров в секунду, мы можем легко высчитать расстояние до дома.
Принцип, конечно, правильный. Именно на нем и основано применение радиолокации для измерения расстояний.
Ведь это то же самое, что и обыкновенное эхо. В данном случае без всяких приборов, только по секундомеру, можно определить расстояние до ближайшего леса или горы. Надо громко крикнуть и, смотря на бегущую стрелку, ждать, пока эхо долетит до тебя.
Сейчас мы посылаем не звук, а радиоволну.
Приготовим секундомер. Одновременно с его кнопкой нажали ключ передатчика – и в телефоне приемника сразу же услышали сигнал.
Ясно, что принят не отраженный луч, а тот, который непосредственно прибежал от передатчика. Ведь передатчик стоит совсем рядом и, несмотря на направленные антенны, все же будет мешать слушать радиоэхо.
Вот если бы успеть мгновенно выключить передатчик, чтобы принять отраженный луч!
Ничего не получится.
Человек не может манипулировать с такой скоростью ни ключом, ни кнопкой секундомера. Кроме того, ухо тоже не может различить звуковые сигналы, которые приняты друг за другом с ничтожным промежутком времени– в миллионные доли секунды. Ведь если до дома, куда мы посылали радиолуч, расстояние будет триста метров, то луч пройдет эти метры всего за одну миллионную долю секунды.
Никакие секундомеры не смогут определить эту скорость.
Не удался наш опыт.
Видишь, с какими трудностями встретились инженеры при разработке радиолокатора.
Для того чтобы понять его сущность, поставь себя в их положение, когда они пытались практически применить открытие А. С. Попова.
Ну что бы ты стал делать для решения задачи, если требуется определить время пробега радиоволны до цели?
Как измерить миллионные или пусть даже тысячные доли секунды?
Может быть, для этого использовать какую-нибудь автоматику? Например, подключить к приемнику реле или самопишущее перо, которое будет отмечать на вращающемся барабане и время посылки сигнала и время приема его отражения, то есть радиоэхо?
Мысль правильная, но очень далекая от реальных возможностей. Ее просто нельзя осуществить.
Никакие реле, никакие движущиеся механизмы непригодны, если от них требуется, как говорят, "срабатывание" в миллионные доли секунды. С такой скоростью невозможно провести черточку на барабане, чтобы отметить время посылки сигнала.
Значит, нужно искать другие пути.
Нельзя ли здесь использовать принципы телевидения?
В те годы, когда инженеры бились над радиолокацией, не существовало телевидения в том виде, как сейчас, но основа всего телевидения, то есть электроннолучевая трубка, уже имелась, и применение ее для этих целей было разработано в России.
Как увидеть невидимое
Представь себе колбу с почти плоским дном.
Дно это служит экраном и покрыто изнутри специальным составом, который светится под действием потока электронов.
Источник электронов находится в узкой части колбы; это катод – фарфоровая трубочка с нанесенным на нее слоем окиси редких металлов.
Внутри трубочки накаливается нить. С катода свободно летят электроны.
Нам их нужно собрать в узкий тонкий пучок – электронный луч. Это делается не линзами, как в проекционном фонаре, а другими, уже электрическими, устройствами, по характеру действия похожими на собирающие линзы.
Тонкий пучок из электронов ударяется в экран и заставляет его светиться. Ты видишь яркий точечный зайчик. Зайчиком можно управлять. В горлышке колбы поместим пластинку, на которую подадим то или иное напряжение.
Электронный луч будет притягиваться к пластинке, если она заряжена положительно. Следовательно, и зайчик переместится на экране.
А если поставить две пластинки, справа и слева, и подавать на них переменное напряжение? Тогда луч будет метаться от одной до другой пластинки, оставляя за собой на экране тонкую светящуюся линию.
Можно подсчитать, за сколько времени зайчик пройдет расстояние от края экрана до другого края. Больше того: мы можем разбить этот путь на равные части и тогда получим "шкалу времени".
Вернемся к передатчику и приемнику и попробуем связать воедино все наши аппараты для радиолокации.
В электроннолучевой трубке есть еще пластинки, расположенные по вертикали. Вот на них мы и будем подавать напряжение от приемника.
Приступаем к новым опытам. Нажимаем на мгновение ключ передатчика. Метнулся радиолуч.
Смотри, что делается на экране! От основной линии скользнул вверх острый зубец.
А вот и второй, подальше от первого на несколько делений вправо. Значит, мы приняли радиоэхо своего передатчика.
Луч отразился от препятствия, от крыши дома, и теперь нам нетрудно рассчитать, сколько же до него метров. Известна скорость движения зайчика и время, за которое радиолуч пробежал до дома.
Но… если бы все это было так просто!
Принцип правильный, а практически с таким радиолокатором работать нельзя. Ты не увидишь никаких зубцов. Эхо вернется раньше, чем будет выключен передатчик.
Можешь ли ты ручаться, что нажмешь ключ на такое короткое время, чтобы успеть увидеть отраженный сигнал, для чего надо отпустить ключ уже через миллионную долю секунды?
Этот кусочек времени во много раз меньше так называемого мгновения.
Принято говорить "в мгновение ока" – время, когда только успеешь моргнуть.
А с точки зрения радиотехники время это очень долгое – десятые доли секунды.
Отсюда ясно, что ты не сумеешь столь быстро выключить передатчик и увидеть отраженный сигнал.
Но даже если бы это удалось сделать, такая короткая вспышка – мелькнул зубчик и исчез – глазу незаметна. Кроме того, мало ли отчего метнулся зубчик: от случайной электрической искры, от атмосферного разряда или от помехи другой радиостанции.
Надо исключить все сомнения. Отраженный луч должен быть виден продолжительное время и точно на делениях шкалы (кстати, ее можно разделить не на отрезки времени, а написать на ней расстояние в километрах, что обычно и делается).
В технике, в любом эксперименте, а часто и в жизни, для того чтобы твердо убедиться, что данное явление не случайно, прибегают к многократной проверке обнаруженного явления.
А если так, то применительно к нашим опытам нам следует посылать частые сигналы от передатчика, и если мы увидим второй зубец на одном и том же месте, то, значит, все правильно – мы принимаем отраженную волну.
Хорошо бы посылать сигналы от передатчика один за другим; пусть они как бы накладываются друг на друга, и тогда на экране мы.будем видеть не отдельные всплески, не выскакивающий на мгновение зубец, а увидим его буквально застывшим на месте.
Если, например, луч радиолокатора отражается от самолета, то мы будем наблюдать не скачущие зубцы, а медленное движение цели.
Но как это сделать? Как заставить передатчик работать краткими импульсами, самому включаться на миллионные доли секунды, а потом выключаться?
Оказывается, и эту задачу можно решить.
В радиолокаторах применяется специальный генератор, прерывание происходит в нем автоматически.
Он сам включился, послал мощную радиоволну в пространство, затем отдохнул немного, какую-нибудь тысячную долю секунды, и снова заработал. Так он может действовать целыми часами.
Вполне понятно, что, несмотря на большую мощность радиоволны, передатчик берет очень мало энергии. Нетрудно подсчитать, что за час он будет работать, то есть посылать энергию, в общей сложности всего лишь несколько секунд. Это очень важно, так как, для того чтобы получить более или менее надежный отраженный луч, который издалека принимается приемником, мощность передатчика должна быть очень большой. Ведь надо измерять расстояние не в триста метров, а в десятки и сотни километров, особенно если требуется обнаружить летящую вражескую эскадрилью.
В начале главы я упоминал о радиолокации Луны. Для этого нужна огромная мощность. Все-таки расстояние до Луны не маленькое – около четырехсот тысяч километров.
Сейчас радиолокаторы потребляют мощность всего лишь в несколько сот ватт, а в кратком импульсе отдают тысячи киловатт. Действительно фантастическое преобразование.
Принципы устройства радиолокатора достаточно сложны. Более подробно об этом ты прочтешь в специальных книгах, а здесь мне хотелось показать на примерах, как решаются некоторые творческие вопросы в проектировании разных аппаратов.
Мы «совершенствуем» радиолокатор
Итак, тебе стало ясным, что лежит в основе радиолокации. Ты уже знаешь, как измерить расстояние не только до ближайшего дома, ко и до летящего самолета.
Кстати, можно ли практически построить небольшой радиолокатор любительскими средствами?
Можно, но трудно. Это доступно только коллективам очень квалифицированных радиолюбителей. Простейшие демонстрационные модели радиолокаторов радиолюбители уже строили.
Вот если бы у нас оказался такой маленький радиолокатор, то мы могли бы проверить, как он видит в тумане и в темноте. Например, могли бы попробовать обнаружить автомобиль на дороге или пароход на реке.
Рассмотрим подобный' случай, для того чтобы лучше уяснить возможности радиолокации и на этом примере проследить путь исследования, путь инженерной мысли в дальнейшем совершенствовании радиолокатора.
Снова займемся проектированием.
Будем рассуждать примерно так. Если бы мы пользовались прожектором, то нам пришлось бы все время его вращать, потому что мы не знаем, с какой стороны покажется машина. Современные конструкции радиолокаторов тоже напоминают прожекторы, но излучают они невидимый поток электромагнитной энергии.
Для того чтобы удобнее искать цель, не поднять ли нам радиопрожектор на специальную мачту или крышу высокого фургона? Пусть мотор вращает антенную систему.
Как только в поле зрения радиолокатора появится машина и на экране медленно поползет светящийся зубец, мы тут же остановим мотор антенны и посмотрим ее направление на специальной шкале. Стрелка указывает на юго-запад. Значит, с этой стороны приближается к нам машина, и от нее отражается радиолуч.
Теперь нам нетрудно определить, на каком же расстоянии она находится и с какой скоростью движется.
Хорошо бы придумать автоматику, для того чтобы следить за движением машины.
Вдруг она свернет на другую дорогу, а мы не успеем этого заметить!
Оказывается, такая автоматика существует. Хороший радиолокатор ни на секунду не выпустит из поля своего зрения ни машину, ни пароход, ни торпедный катер. Он будет следить острым глазом радиопрожектора, медленно передвигаясь за движущейся целью.
Но мы еще не решили многих вопросов. Рано еще думать о полном совершенстве радиолокатора, об автоматике и многих других удобствах управления этим сложным устройством.
Наши опыты еще не закончились, и, если мы уже умеем определять направление движущейся машины, ее скорость и расстояние до нее, все же многого нам еще не хватает.
Радиолокатор, который мы с тобой мысленно построили, пока все-таки игрушка. Он близорук, он ничего не видит в небе, он не умеет считать и не знает, как отличать своих от чужих.
Короче говоря, инженерам, которые предъявили бы такой аппарат комиссии, пришлось бы выслушать немало неприятных, но справедливых слов и поработать еще несколько лет над его усовершенствованием.
По существу, так оно и получалось.
Многие годы проходили в сложной борьбе ученых с капризами радиоволн, электронов в лампах и лучевых трубках. Высокие частоты, которые применяются в радиолокации, не хотели идти по проторенным путям – бежали не по проводам, а по изоляторам.
Ученые заново пересмотрели теорию, свои взгляды на сверхвысокие радиочастоты и наконец перехитрили их. Они стали делать металлические изоляторы и направлять капризные волны, например, по… резиновым трубкам.
Трудно представить себе сантиметровые волны в переводе на частоты.
Частота колебаний здесь такова, что исчисляется в астрономических цифрах.
Миллиарды раз изменит ток свое направление за одну секунду.
Как же тут подходить к нему с обычными понятиями о переменном токе, который течет по осветительным проводам?
И не мудрено, если на уроке физики дотошный радиолюбитель может усомниться в правильности ответа своего товарища, когда тот станет перечислять известные ему изоляторы: эбонит, резина, пластмассы. Он может его поправить: "Смотря для каких частот".
Рассказывая о радиолокации, нельзя не вспомнить о трудностях, встретившихся инженерам, когда они впервые столкнулись с этими частотами.
Мало того, что сама система посылки радиоимпульса и приема его отражения достаточно сложна – об этом тебе уже известно, – но если посмотреть на передатчик и приемник радиолокатора тоже "изнутри", то и здесь мы встретимся с техникой, непривычной не только для радиолюбителя, но и для многих радиоинженеров.
А нужно ли строить радиолокаторы на таких высоких частотах? Почему надо применять сантиметровые волны, которые требуют и особых изоляторов и вообще особой техники?
Для того чтобы ответить на этот вопрос, надо прежде всего обратиться к антеннам.
Обычно при работе на очень коротких волнах принято пользоваться так называемыми полуволновыми или четвертьволновыми диполями, то есть антеннами длиной в полволны или четверть волны.
Вообрази себе радиолокационную антенну, рассчитанную на волну в пять метров.
Для того чтобы получить антенну направленного действия, применяют специальные рефлекторы или другие направляющие системы, иной раз состоящие из многих десятков металлических трубок.
Такая антенна получается громоздкой, ею трудно пользоваться. От радиолокатора при этих сравнительно длинных волнах трудно получить точность в обнаруживании небольших целей.
Если взять волну в десять сантиметров, то результат получится иной. Даже при сложнейших рефлекторах вся антенная система будет невелика. Ею удобно пользоваться, вращать, поднимать. А главное, на этих волнах можно получить очень узкий пучок энергии, как в прожекторах, что повышает точность определения, где находится самолет или корабль.
Применяются разные волны для разных целей, но будущее радиолокации все же лежит в области очень коротких волн. В радиолокаторах ты не найдешь ни привычных ламп, ни привычных катушек, ни, тем более, знакомых радиолюбителям переменных конденсаторов, дросселей и других деталей, применяемых в радиовещательных приемниках.
Что это за сложная конструкция? Неужели лампа?
Нет, это так называемый клистрон. Для высоких частот непригодны обычные радиолампы: слишком долог путь от одного электрода к другому. В то же время волны проходят всюду, где им не положено. Для них два стоящих рядом проводничка – уже мост. По этому надежному мосту, как на другой берег, спокойно проходят высокие частоты, хотя, по мысли конструктора, они никак не должны перебираться в эту запрещенную для них часть схемы.
Иногда в приемнике сантиметровых волн можно найти даже "катушку самоиндукции".
Это блестящий пустотелый шарик, и называется он уже не самоиндукцией, а резонатором или объемным контуром.
Много непривычного в таком приемнике.
Если посмотреть на передатчик радиолокатора, то часто можно встретиться не с генераторными лампами, а с очень странными трубками, находящимися в поле сильного магнита. Такие устройства называются магнетронами. У них, в отличие от ламп, применяемых на сантиметровых волнах, очень высокий коэффициент полезного действия.
Но возвратимся к нашему еще несовершенному радиолокатору.
Предположим, освоили мы и капризы сантиметровых волн и почти уже привыкли к пустотелым резонаторам, заменяющим многовитковые катушки, которые радиолюбители когда-то наматывали в долгие зимние вечера.
Вращается антенная система, как прожектор, но нам ее надо повернуть вверх, чтобы определить, не летит ли в небе самолет. Может быть, ом скрыт за облаками, далеко от нас, за многие десятки километров?
Нужно просматривать небо не только круговым обзором, но и на разной высоте.
Значит, антенна, помимо вращения в горизонтальной плоскости, должна еще двигаться вверх и вниз.
Вот какое требуется сложное движение антенной системы, и такую конструкцию нам надо придумать!
Опять получается неладное. Наш радиопрожектор посылает волны очень узким пучком.
Искать самолет в небе такой острой иглой – безнадежное занятие: обязательно пропустишь.
Но это все в наших руках. Пусть радиолокатор ищет цель широким лучом. Взмахнешь им по небу-и сразу проверишь немалый участок.
А как же быть, если нужно определить число самолетов? Как их пересчитать? Для этой цели удобнее узкий луч.
Значит, самый простой выход – это соединить две системы.
Сначала искать широким пучком, и, когда луч встретит в небе какое-то препятствие, когда побежит на экране светящийся зубец, вот тогда и переключить радиолокатор на работу узким лучом.
Тут можно все определить – и число самолетов, и высоту, и скорость.
Осталась еще одна задача: как узнать, свои это самолеты или чужие?
Делается это так. На самолетах устанавливаются специальные приборы, которые, воздействуя на приемник радиолокатора особыми сигналами, например появлением на экране второго прыгающего зубца, указывают, что самолет свой, а не противника. Зубец может колебаться с заранее установленной частотой, в различных комбинациях частот и пауз.
Вот так постепенно мы разобрали принципы радиолокации, познакомились с основными трудностями, которые стояли на пути исследователей и изобретателей – создателей современных совершенных радиолокаторов.
Но все же, несмотря на их совершенство, далеко еще не все сделано. Тысячи молодых инженеров и техников, которые придут в лаборатории и на заводы, готовые отдать все свои способности и силы увлекательнейшему делу по созданию новых аппаратов радиолокации, найдут для себя непочатый край работы.
В наше время применяются дециметровые и сантиметровые волны, чтобы видеть самолет или корабль ночью и в тумане. Мы можем видеть с большой высоты мосты и железные дороги, города и селения. Видеть в темноте!
Чего ожидать в недалеком будущем, когда мы научимся строить вполне надежные аппараты на миллиметровых волнах, при которых точность радиолокации повысится во много раз?
Может быть, маленькие радиолокаторы поставят на автомашины. В пургу и туман они будут предупреждать водителя о препятствиях на дороге.
Человек получит новое зрение, он станет носить радиолокатор в кармане.
Уже сейчас метеорологи наблюдают за шарами-зондами, пользуясь радиолокаторами.
Невидимый луч определяет высоту облаков, указывает, откуда придет туча, следит за падающими метеорами.
Эта новая область радиотехники позволяет измерять время с точностью до миллиардных долей секунды, что даст возможность определить время пробега импульсов по нервной системе человека.
Трудно предугадать все возможности радиолокации. Техника эта молода, она делает только первые шаги, и будущее ее поистине безгранично.
