Вокруг нас каждый день трудятся сотни радиолокаторов — в самолётах, кораблях, аэропортах и даже в автомобилях. Невидимые радиоволны эффективно дополняют наше зрение. История радиолокации началась сравнительно недавно, но представить жизнь без этой технологии уже сложно.
ГЕНРИХ ГЕРЦ: «Это только эксперимент, который доказывает, что маэстро Максвелл был прав. Мы всего-навсего имеем таинственные электромагнитные волны, которые не можем видеть глазом, но они есть».
ОПЫТ ГЕРЦА И ЕГО ПОСЛЕДСТВИЯ
Способность радиоволн отражаться от препятствий была открыта раньше, чем сами радиоволны. Пожалуй, именно с этого парадоксального факта стоит начать разговор об истории радиолокации. В 1888 году знаменитый немецкий физик Г Р Г в ходе опыта доказал, что электромагнитные волны способны отражаться от металлических препятствий. Это походило на отражение солнечных лучей от зеркала. Но только через семь лет, когда инженеры приступили к разработке аппаратуры для беспроводной передачи информации (А П в России и Г М в Италии), появился термин «радиоволна».
ОПЫТ ГЕРЦА
Д К М утверждал, что магнитная индукция и напряжённость электрического поля распространяются в электромагнитном поле взаимно перпендикулярно. С целью оспорить эти выводы Генрих Герц создал прибор для излучения электромагнитной волны — вибратор Герца. Это был открытый контур с разрезом посередине, подсоединённый к источнику напряжения. В разрезе возникала искра, вокруг неё образовывалось магнитное поле, которое, в свою очередь, создавало электрическое поле, и так далее. На расстоянии трёх метров Герц установил резонатор — закрытый контур с разрезом. При этом он наблюдал, что, как только в разрезе вибратора появлялась искра, она появлялась и в разрезе резонатора. Так Герц подтвердил теорию Максвелла и доказал существование электромагнитных волн.
Вокруг искры в разрезе вибратора образуется магнитное поле В, которое создаёт электрическое поле E. Чередование этих полей и распространение под углом в 90 градусов и есть электромагнитная волна, которая, достигая резонатора, приводит к появлению искры в разрезе.
Так называются электромагнитные волны длиной от 0,3 мм до 100 км. Открытие Герца показало, что их можно использовать для обнаружения объектов: сталкиваясь с препятствием, радиоволны отражаются от него, словно лучи света от зеркала, — их остаётся только «поймать». Практическое воплощение радиолокации было запатентовано в 1904 году немецким инженером К Х.
Устройство под названием телемобильскоп представляло собой вращающийся передатчик радиоволн (антенна) и приёмное устройство, предназначенное для улавливания отражённых радиолучей. Такая аппаратура была способна обнаружить корабли в ночное время и в густом тумане, что значительно повысило безопасность судоходства. Радиоволны, в отличие от других электромагнитных волн, практически не рассеиваются при плохой погоде: им не страшен ни туман, ни снег, ни дождь. Это важное преимущество предопределило их использование для беспроводной передачи сигнала на дальние расстояния. И долгое время радиоволны лишь за беспроводную связь и отвечали.
Ситуация изменилась в 1924 году, когда английский физик Э Э сумел поставить радиолокацию на службу науке, определив с помощью радиоволн высоту ионосферы Земли. Оказалось, что радиоизлучение определённой длины волны (от 10 до 100 м) отражается от ионизированного слоя атмосферы и возвращается на Землю. Поскольку скорость распространения радиоволн была известна (300 км/с), учёному оставалось лишь засечь время, за которое отражённый радиосигнал приходит обратно на приёмное устройство. За открытие высоты ионосферы — 85 км — Эдварду Эплтону в 1947 году вручили Нобелевскую премию по физике. Дальнейшее развитие радиолокации связано уже с военной наукой.
Согласно современным представлениям, ионосфера состоит из свободных электронов и ионов, которые образуются в результате воздействия космического излучения на газообразные молекулы
Чем больше свободных электронов, тем лучше отражаются от ионосферы волны высокой частоты. Ионизированные слои воздуха оказывают влияние на распространение радиоволн. От слоя E хорошо отражаются длинные и средние волны. От слоя F₂ — короткие.
НА СТРАЖЕ НЕБА
С момента, как самолёт вооружили пушками и бомбами, он попал под прицелы наземных войск. Но своевременное предупреждение о воздушном налёте оказалось очень непростой задачей — армады бомбардировщиков и штурмовиков появлялись неожиданно. Поначалу обходились прослушиванием неба с помощью специальных звукоулавливающих установок, которые позволяли даже ночью по шуму двигателей определить, откуда летят самолёты. Но в большинстве случаев и эти гигантские «уши» могли засечь приближение бомбардировщиков всего за 15–20 км, чего не хватало для полноценного противодействия. И как только начинала работать зенитная артиллерия,
её звук полностью перекрывал шум винтов вражеских самолётов — звукоулавливатель «глох». Решить проблему помогли радиоволны. Распространяясь со скоростью 300 км/с, они охватывают воздушное пространство на 100–150 км, что позволило даже поднимать для перехвата вражеской авиации подразделения истребителей. Есть у радиолокаторов и другое важное свойство — способность к пеленгации цели. Что это значит? Если на обнаруженную в воздухе цель навести специальный локатор, который фокусирует радиоволны в узкий луч, то по отражённому сигналу можно вычислить точное местоположение цели, или пеленг. Такой локатор может сопровождать воздушное судно в течение всего полёта — этот приём используется не только в военном деле, но и в гражданских авиаперевозках. Любой пассажирский лайнер на протяжении всего рейса сопровождают мощные направленные локаторы.
Длина и частота
Радиоволны различаются частотой и длиной. Частота — это число колебаний, которое совершает волна за 1 секунду; измеряется в герцах (Гц). Второй параметр — расстояние, на которое радиоволна распространяется за время одного колебания. Так, ультракороткие радиоволны (УКВ) имеют частоты от 30 МГц до 1 ТГц и длины в диапазоне 0,3 мм — 10 м. Такие волны не отражаются от ионосферы и не поглощаются ею, а сразу же уходят в космос. На этих частотах работает большинство радиолокаторов. На другом конце радиодиапазона лежат сверхдлинные волны — их длина может достигать 100 км! Такие волны слабо поглощаются водой и могут распространяться вдоль поверхности Земли. Поэтому они неплохо подходят для радиосвязи с подводными лодками. У таких сверхдлинных волн небольшая частота, всего 3–30 кГц.
Оборудование Герца с приёмными локаторами для прослушивания
Chain Home, или AMES Type 1 (Air Ministry Experimental Station — Опытная станция Министерства военно-воздушных сил 1-го типа), — радиолокационные станции на побережье Ла-Манша. Внесли значительный вклад в оборону Великобритании от немецких воздушных атак в ходе Второй мировой войны.
Одну из первых радиолокационных станций (РЛС) установила Великобритания — это была система Chain Home, которая во многом обеспечила англичанам победу в воздушном противостоянии с фашистской Германией. В 1935 году на боевое дежурство вдоль побережья Ла-Манша были поставлены первые пять РЛС: коротковолновые (10–13 м) локаторы работали на частотах 20–30 МГц и обнаруживали самолёты на расстоянии более 60 км. В основу работы локаторов Chain Home был положен импульсный принцип облучения цели. Передатчик через антенну локатора посылает радиосигналы короткими импульсами длительностью 10–15 мкс, а в промежутках между ними локатор переключается в режим приёма отражённого сигнала — «радиоэхо». Роль индикаторного устройства выполняет электронно-лучевая трубка, на экране которой сигнал, отражённый от летящего самолёта, отображается в виде всплеска. Эта схема на долгие годы стала золотым стандартом радиолокационных станций обнаружения воздушной угрозы. Со временем появились локаторы, которые вращались на 360 градусов и потому точнее определяли местоположение цели в воздухе.
Морковь помогает видеть в темноте!
В 1940 году британские инженеры разработали радары, позволявшие обнаружить ночью немецкие бомбардировщики. Появилась необходимость объяснить населению Британии и остальному миру боевые успехи, не выдав при этом военную тайну. Д К, пилот по прозвищу Кошачий Глаз, благодаря радарам первым сбил несколько вражеских самолётов в ночное время. После чего представитель Министерства обороны сказал газетчикам, что лётчики едят много моркови и поэтому видят в темноте. Так родился миф о пользе моркови для зрения.
БИТВА ЛУЧЕЙ
Вторая мировая война, разразившаяся в 1939 году, дала мощный толчок развитию высокотехнологичных методов ведения боевых действий, и радиолокация не стала исключением. Фашистская Германия с самого начала варварски бомбила жилые кварталы британских городов, встречая при этом достойный ответ со стороны островных ВВС. В какой-то момент потери люфтваффе (немецкие ВВС) выросли настолько, что было принято решение перейти на бомбардировки в тёмное время суток. Но как обеспечить точное позиционирование самолётов в ночном небе? Ведь англичане, опасаясь бомбёжек, строго соблюдали режим ночной маскировки городов.
Немцы взяли на вооружение систему ночной посадки самолётов — разработанная компанией Lorenz в 1930-е, она использовалась в большинстве аэропортов мира. Суть была в том, что ночью локаторы излучали узконаправленный радиосигнал по курсу самолёта. На каждом воздушном судне, заходившем на посадку, была установлена радиоприёмная аппаратура, настроенная на частоты аэропорта. При этом радиолуч, направленный по курсу посадки, был не простым. Пока самолёт шёл по правильной траектории посадки (глиссаде), из радиоприёмника звучал монотонный звук, а как только смещался влево или вправо от курса, в наушниках пилота начинали стучать тире либо точки азбуки Морзе.
В предвоенное десятилетие тысячи пилотов по всему миру научились садиться в полной темноте и в сложных метеоусловиях по лучу Лоренца. Взяв за основу этот принцип, немцы создали локаторы Lorenzbake, которые отличались большой мощностью. Их наводили с территории оккупированной Франции на города Великобритании, и пилоты могли лететь в полной темноте, ориентируясь на лучи радиолокатора. В более поздних модификациях, таких как X-Gerate и Knickebein, появился ещё один радиолуч, который пересекал основной в точке сброса бомб над Англией.
Так 14 ноября 1940 года люфтваффе осуществило ночью варварский налёт на город Ковентри, причём многие самолёты сбрасывали смертоносный груз автоматически. Аппаратура фиксировала пересечение со вторым радиолучом и открывала бомбоотсеки прямо над городской застройкой. Ответ британских инженеров не заставил себя долго ждать. Проект получил название Aspirin и включал в себя несколько ложных локаторов излучателей на территории страны, которые просто ретранслировали навигационные радиолучи немцев и уводили армады бомбардировщиков от целей. Британцам удавалось настолько запутать немецкие экипажи, что они нередко сбрасывали бомбы в чистом поле, а некоторые садились по ночной системе навигации на британские аэродромы в полной уверенности, что вернулись домой. Это радионавигационное противостояние вошло в историю как «битва лучей».
РАДИО- ЭЛЕКТРОННАЯ БОРЬБА
На всякое действие есть противодействие. И военная радиолокационная станция не исключение. Уязвимым местом любой РЛС является мощное радиоизлучение, которое легко фиксируется обычным радиоприёмником, настроенным на частоту локатора. Это грозит станции обнаружением с последующим уничтожением специальными противорадиолокационными ракетами типа американской AGM-88 HARM (High-speed Anti-Radar Missile — высокоскоростная противорадиолокационная ракета). Кроме того, работе вражеских локаторов можно препятствовать с помощью активных помех, которые подавляют их работу. Для этого мощные радиопередатчики транслируют в эфир радиоволны, засвечивая экраны радиолокационных станций. В итоге РЛС «слепнет», и самолёты могут спокойно лететь куда надо. Такие помехи ставят специальные армейские подразделения радиоэлектронной борьбы (РЭБ). Типичным оружие РЭБ является российский комплекс «Красуха-2», способный создавать помехи даже спутникам-шпионам.
Немецкий радар «Вюрцбург». Во время Второй мировой войны для защиты городов от авиации союзников в Германии были созданы зенитные батареи, управляемые радарами типа «Вюрцбург» с несущей частотой 560 мегагерц.
С помощью радиолокационных волн, отражённых от поверхности пролетевшего на расстоянии 480 тыс. км от Земли астероида 2015 TB145 диаметром 600 м, учёные воспроизвели внешний вид объекта и выявили детали, которые невозможно увидеть на фотографии: небесное тело напоминало череп. И так как астероид пролетал мимо нас 31 октября 2015 года — в день, когда в западных странах отмечают Хеллоуин, — небесный булыжник неофициально назвали «Великая тыква» (символ праздника). С отражёнными радиоволнами работали в Национальной радиоастрономической обсерватории (Грин-Бэнк, Западная Вирджиния, США).
В последнее десятилетие радар нашёл себе место и в автомобиле, став частью систем предупреждения аварий и автопилотирования. Ведь там, где глаз человека не видит дорогу из-за тьмы, снега, пыли, тумана или дождя, радиолучи отлично сканируют пространство. И конечно, астрономия — трудно представить эту науку без мощнейших радиолокаторов, направленных в космос. В 1946 году человек впервые «ощупал» Луну с помощью радара, и с тех пор появились радиолокационные карты ближайших к Земле объектов. А как предупредить обитателей Международной космической станции о приближении очередной порции космического мусора? Конечно, с помощью радиолокаторов. Но что, если направить радиолуч под ноги, в землю? Так появилось целое научное направление — геологическая радиолокация. Эта технология позволяет обнаружить под поверхностью Земли пещеры, подводные озёра, а также месторождения полезных ископаемых. Причём сканировать недра можно с помощью мощного радара, установленного на самолёте. Таким образом, кстати, были определены границы знаменитого подлёдного озера Восток в Антарктиде. Уникальный всевидящий «радиоглаз» останется с нами, похоже, навсегда. Расширяя возможности человека, радары будут сопровождать нас в простой поездке в супермаркет, а также при освоении новых планет в далёком будущем.
ФАР И АФАР
Фазированная антенная решётка сделала локаторы многофункциональными. По сути, ФАР — это антенное поле, состоящее из сотен или даже тысяч микромодулей (излучающих элементов), играющих роль одновременно передатчика и приёмника. Электропитание осуществляется от единого источника и распределяется по элементам. Преимущество ФАР перед классическим локатором в том, что параметры работы каждого модуля можно варьировать в широких пределах, изменяя ширину луча и его направление. Отсюда более точное определение пеленга и его сопровождение. Кроме того, фазированная решётка держит небо под постоянным контролем, в то время как обычный локатор вынужден вращаться, оставляя позади себя, пусть и ненадолго, «невидимое» пространство. Активная фазированная антенная решётка — это радиолокатор XXI века, одно из самых высокотехнологичных устройств современности. В нём нет единого энергетического центра — каждый модуль имеет собственный источник питания, а это резко увеличивает надёжность системы. Для военных нужд это особенно важно: при повреждении одного модуля остальные останутся в рабочем состоянии. АФАР позволяет держать в поле зрения сразу несколько высокоскоростных целей, избирательно подсвечивая их узкими радиолучами. Кроме того, разрешающая способность таких локаторов очень высока — изображение на экранах по чёткости мало отличается от видеосигнала.
