Приключения радиолуча

Многие читали роман Артура Хейли «Аэропорт» и получили представление о том, сколь велика психическая нагрузка диспетчера, когда на экране радара десятки самолетов. Малейшая ошибка может обернуться катастрофой. Немудрено, что не каждый может справиться с таким тяжким бременем. Поэтому и стараются автоматизировать процесс управления воздушным движением. Одна из отечественных систем — «Старт» — может следить сразу за 36 самолетами, находящимися в зоне аэропорта, давая о них нужные данные, которые позволяют управлять движением автоматически. «Старт» повысил пропускную способность аэропорта на 60 процентов, на 15—20 процентов сократилось время пребывания самолета в воздушном пространстве аэродрома. На первый взгляд скромные цифры. Но экономисты подсчитали, что годовая экономия на каждый самолет составила 2,5 миллиона рублей.

Антенны современных аэродромных радиолокаторов и радиолокаторов противовоздушной обороны представляют собой огромные сложные сооружения, насчитывающие до нескольких тысяч элементарных излучателей. Такие антенны называются фазированными решетками. Луч в них перемещается практически мгновенно из одной точки в другую по командам ЭВМ.

В обычных зеркальных антеннах, чтобы переместить луч, надо повернуть само зеркало, а на это уходят «дорогие» секунды. В фазированных решетках луч может выписывать в пространстве сколь угодно замысловатые траектории. Там, где сложная помеховая обстановка, он задержится подольше; области пространства, где все спокойно, — осмотрит побыстрее. Иногда в шутку говорят, что с помощью современной техники радиолокации об обнаруженном самолете можно узнать все, кроме фамилии летчика. Однажды довелось видеть художественный фильм о службе локаторщиков. Помню, удивил меня один кадр. По экрану радара ползет контур самолета. Постановщики фильма, конечно, перестарались. Цель на индикаторе кругового обзора будет все-таки в виде светящейся точки или дужки. Но, в принципе, в радаре может быть получено и изображение цели.

Одну из таких систем исследовали ученые Пенсильванского университета в США. Частота сигнала в подобном радаре изменяется скачком от импульса к импульсу, ступенчато. Каждая частотная ступенька-импульс, отразившись от цели, приобретает какую-то информацию о ее внешнем облике.

Но лишь по сигналу на одной частоте ничего определенного о форме объекта сказать нельзя. А вот когда частот будет много, несколько сот, то вся совокупность принятых сигналов, определенным образом скомбинированная в приемнике, превратится в радиолокационный портрет объекта, да такой, что на нем можно различить детали, отстоящие друг от друга на полметра. Правда, для этого нужно не только разнести частоты, но и вместо одной большой антенны использовать несколько небольших, расположенных друг от друга на некотором расстоянии.

Полученный радиолокационный портрет сравнивается в ЭВМ с имеющимися в ее памяти стандартными «картинками» возможных воздушных объектов. Так происходит распознавание типа летательного аппарата.

Такой радар можно сделать и в миллиметровом диапазоне. Тогда он уместится в небольшом ящичке. Специалисты подумывают об использовании его в качестве «глаз» для ЭВМ, роботов и вместо рентгена в медицине.

Достижения радиолокации сейчас широко используются в разных областях радиоэлектроники: при создании систем навигации, телевидения, связи, в том числе радиорелейной и космической, в исследовательской аппаратуре. Так часто бывает — очень важная область техники, быстро развиваясь, становится мощным стимулятором развития целого ряда отраслей знания.

ПРИЧУДЫ РАДИОВОЛН

СКАЧУЩИЙ ПРИЗРАК НАНСАЙ-ШОТО

Поговорим теперь о загадках, а порой и курьезах, которые преподносили радиоволны и их собратья по «волновому семейству» — свет и звук. Хоть и несхожи они внешне, но проявляют себя часто одинаково.

Шла вторая мировая война. Внезапно на экране радиолокатора одного из крейсеров в Средиземном море появилась цель, находящаяся в пределах досягаемости его орудий. На вопрос о принадлежности ответа не получили. Капитан крейсера приказал открыть огонь по неопознанному кораблю. Артиллеристы палили вовсю, но безрезультатно: отметка о цели с экрана не пропадала. На крейсере ожидали ответного удара, его тоже не последовало. Цель по-прежнему оставалась неподвижной, а весь запас зарядов на крейсере уже исчерпали. Любопытство все-таки пересилило осторожность, и крейсер подошел к тому месту, где предположительно находилась цель. Перед наблюдателями простиралось бескрайнее пустынное море. И в момент, когда крейсер занял точно то место, где должен быть их таинственный «летучий голландец», отметка на экране радара вдруг исчезла.

В 1944 году американские подводные лодки вели боевые операции в японских водах. При выборе цели для атаки подлодка всплывала к самой поверхности воды, и выпустив антенну, проводила радиолокационную разведку. Очень часто на экране радара появлялись яркие точки, двигавшиеся наперерез лодке с явным намерением ее протаранить. Никакими маневрами подлодка не могла уйти от преследовавшего ее вражеского корабля. Когда столкновение казалось неминуемым, когда ожидали увидеть преследователя в перископ, яркая точка на экране исчезала, словно призрак. Его окрестили «скачущим призраком Нансай-Шото». Радиолокационные приборы, работавшие по принципу Допплера для выделения движущихся целей на фоне неподвижных предметов, оказались бессильными против таинственных сигналов. Они пропускали их на экран индикатора, словно это были эхо-сигналы от движущихся целей.

Исследование сигналов-«призраков» и причин, их вызывающих, началось в годы второй мировой войны. В военное время все, что касалось радиолокационных станций, тщательно засекречивалось, в особенности сведения о непонятных явлениях, которыми противник мог бы воспользоваться, чтобы затруднить обнаружение. Вопрос о радиолокационных «призраках» всячески замалчивался и в течение многих лет оставался лишь темой для обсуждения на закрытых совещаниях.

Американцы построили полигон для исследования «призраков» на пустынном засушливом юго-западе США. Выбор места не был случаен. Климатические условия полигона близки к условиям северо-африканских пустынь, а в Северной Африке «призраки» довольно часто обманывали операторов и вводили в заблуждение командование союзников в 1943—1944 годах во время боевых действий. Для экспериментов создали несколько опытных радиолокационных станций.

Много усилий понадобилось, чтобы установить, что призраки — это радиолокационные миражи и имеют они такую же природу, как и миражи оптические. Сейчас может показаться странным, что не додумались сразу — ведь радио и световые волны из одного электромагнитного семейства. Оказалось, что провести такую аналогию не так-то просто. Да и сами оптические миражи — явление подчас довольно сложное, в то время не до конца понятое и привлекающее ученых своей таинственностью даже в наши дни…

ПРЕДВИДЕНИЕ РЭЛЕЯ

За полчаса до полуночи 27 марта 1898 года в Южной части Тихого океана вахтенный корабля «Матадор» из Бремена заметил на подветренной стороне на расстоянии двух миль большое парусное судно, борющееся со штормом. Оно неслось прямо на «Матадор». При свете луны было видно, как днем. Огромные волны перекатывались через нос и бежали вдоль палубы незнакомого корабля. А между тем «Матадор» шел по спокойной воде. Стоял штиль. Матросы, пораженные необыкновенным, необъяснимым зрелищем, столпились на палубе в ожидании непоправимого. Неизвестный корабль внезапно переменил курс и оказался прямо перед носом «Матадора». Ужас сковал моряков. Столкновение казалось неизбежным. Но загадочный корабль вдруг изменил курс и метрах в двустах прошел перед носом «Матадора». Экипаж видел, как яркий свет в капитанское каюте «незнакомца» вдруг погас, а через минуту загадочный корабль исчез.

Вскоре в порту Калатеа Буэна (Чили) дело разъяснилось. Это был удивительно отчетливый мираж одного датского судна, заходившего в порт за три недели до «Матадора». Капитан познакомился с рапортом с датского корабля, в котором сообщалось, что в ночь на 27 марта, около полуночи, во время сильного шторма в капитанской каюте произошел взрыв лампы. Несомненно мираж был отражением этого датского корабля. Когда сличили время и координаты двух кораблей, оказалось, что расстояние между ними составляло тогда 1700 километров. То был один из самых «дальнобойных» миражей.

Случаи дальних оптических миражей известны с давнейших времен. Как выяснилось, они обязаны своим образованием возникновению в атмосфере природные волноводов. Явление волноводного распространения изучено сравнительно недавно. Оно характерно не только для света, но и для других колебаний — звука, радиоволн, сейсмических волн. Природа создает волноводы не только в атмосфере, они существуют и в океанских глубинах, и в толще Земли. Их можно формировать искусственно.

Процесс сверхдальнего распространения колебаний в естественных условиях во многом схож с передачей радиоволн по волноводам — полым металлическим трубам. Незадолго до второй мировой войны они уже использовались в радиолокаторах для передачи сантиметровых волн. Новый способ передачи электромагнитной энергии вызвал много недоуменных вопросов со стороны инженеров. Еще бы, ведь ломались сложившиеся представления. Для передачи электромагнитной энергии совсем не обязательно, как оказалось, иметь два проводника или коаксиальный кабель с центральной жилой— достаточно полой металлической трубы. Интересно, что даже Хевисайд в свое время не верил, что радиоволна способна распространяться в ней.