Первые лабораторные исследования этого явления были проведены в 1900 году русским ученым Белопольским, а затем в 1907 году Голицыным. Белопольский использовал в качестве движущегося источника вращающиеся зеркяла. При движении зеркала источник света кажется движущимся со скоростью, вдвое превышающей скорость зеркала, так как при этом путь, проходимый светом от источника до наблюдателя, уменьшается вдвое быстрее, чем расстояние от наблюдателя до зеркала. Применяя остроумную конструкцию зеркал. Белопольский не только обнаружил в лаборатории эффект Допплера, но и с большой точностью подтвердил численные предсказания теории.
Метод Белопольского поясняет способ использования эффекта Допплера в радиолокации для различения движущихся целей от неподвижных.
Мы видим, как из эффекта Допплера следует, что частота радиоволн, отражающихся от предметов, движущихся по направлению к радиолокатору или от него, отличается от частоты, излучаемой радиолокатором. Это различие частоты зависит от отношения величины скорости удаления или приближения отражающего предмета к величине скорости света, то есть оно очень мало. Обычные радиоприемники не способны различить это изменение частоты. Они принимают одновременно сигналы неизмененной частоты, отраженные от неподвижных предметов, и сигналы измененной частоты, отраженные от движущихся целей.
Для использования эффекта Допплера были созданы специальные приемники. Эти приемники, благодаря применению особых устройств, почти совершенно не воспринимали радиоволны той частоты, которая излучается передатчиком локатора и отражается неподвижными предметами. Эти устройства пропускали в приемники в основном только сигналы измененной частоты, поэтому на экранах локатора, использующих эффект Допплера, сигналы, отраженные от движущихся целей, оказываются гораздо более сильными, чем сигналы от неподвижных предметов.
Благодаря этому на экране радиолокаторов четко выявляются силуэты движущихся машин, которые без применения эффекта Допплера сливаются с изображением окружающей местности.
Война локаторов
Крупные изобретения подготавливаются длительным развитием науки и техники. Радиолокация основана на общеизвестных принципах и использует приборы, находящиеся в массовом производстве в большинстве стран.
Поэтому кет ничего удивительного в том, что радиолокация одновременно развивалась во всех промышленных странах.
В 1939 году Германия имела уже около 6 000 локаторов, работавших на волнах длиной всего в 50 см. Во время известной Дюнкерк-ской операции в руки немцев попали образцы большинства типов английского оружия. В том числе они захватили и английские локаторы, работавшие на волнах в 3 - 4 метра. Немцы, увидев, что английские образцы локаторов были значительно хуже, чем имевшиеся у них, почти прекратили работы по освоению еще более коротких сантиметровых волн.
Однако ход войны показал, что и в этом случае заносчивость немцев привела их к крупнейшему поражению - они безнадежно отстали в развитии радиолокации.
Но в 1939 году превосходство немецких локаторов приводило к тому, что англичане и американцы во время массовых бомбардировок Германии теряли 10 - 12 процентов бомбардировщиков, принимавших участие в данной операции. Требовалось срочно найти способ борьбы с локаторами. Это было нелегкой задачей. Ведь прекратить отражение радиоволн от самолетов было невозможно.
Но ученые и в этом случае нашли хороший путь. Однажды, перед большим массированным налетом на Германию, одна из бомбардировочных эскадрилий получила приказ вместо бомб взять полный груз нового секретного оружия. Оружейные техники, заправлявшие машины, были удивлены Им было приказано грузить в самолеты какие-то легкие бумажные пачки, напоминающие пачки листовок.
Эскадрилья пошла в указанный район. И вот за несколько минут до того, как поднялись в воздух главные силы союзной бомбардировочной авиации, во многих районах германской противовоздушной обороны была объявлена воздушная тревога. Многочисленные локационные станции сообщили что с разных сторон огромные массы союзной авиации движутся по направлению к Рурскому бассейну, одному из важных промышленных районов Германии. По сообщениям оператордв, число самолетов достигало десятков тысяч. Началась паника. Все истребители были подняты в воздух, я немецкое командование не знало, где они больше всего нужны.
Прошел почти час. Горючее истребителей приходило к концу, а немецкое командование никак не могло понять тактики обнаруженных масс самолетов противника. Вместо того, чтобы сразу обрушиться на цель, они медленно крейсировали в тех районах, в которых их обнаружили. Паника в немецком штабе противовоздушной обороны возрастала, а в это время главные силы союзной авиации, совершив обход с севера, незаметно приблизились к Гамбургу и нанесли ему один из самых сокрушительных ударов. Немцы были ошеломлены, а союзники почти не имели потерь
Все выяснилось только утром. Жители деревень и селений нашли на своих полях бумажные ленты, оклеенные алюминиевыми полосками (Наряду с бумагой, оклеенной алюминиевыми полосами, в большом количестве сбрасывалась и обычная алюминиевая фольга). Союзные самолеты сбросили над Германией большое количество таких лент. Волны немецких локаторов отражались от них, и на экранах локаторов появились сигналы, похожие на те, которые создаются большими количествами самолетов.
Новое средство оказалось очень эффективным. С тех пор перед каждым полетом союзники сбрасывали большое количество металлизированной бумаги и тем дезорганизовывали противовоздушную оборону немцев. Металлизированная бумага сбрасывалась также с ведущих самолетов. При этом ведомые самолеты оказывались защищенными своеобразной "маскировочной сетью". Волны локаторов отражались от бумаги, операторы видели на экранах облака металлизированной бумаги и ие видели заслоненных ею самолетов. Благодаря этому потери бомбардировочных эскадрилий уменьшились в несколько раз.
Отметим, что современные локаторы, которые используют принцип Допплера для различения движущихся целей от неподвижных объектов, могут выделить изображения движущихся самолетов на фоне мешающих сигналов от почти неподвижных лент.
Другой способ борьбы с локацией, который также широко применялся, это создание помех для локаторов противника. Для этого нужно было иметь передатчик, который работал бы на волне локатора противника. Когда такой передатчик работает, то приемник локатора не сможет принять слабый отраженный сигнал, ибо его будут подавлять сравнительно более мощные сигналы, посылаемые мешающим передатчиком.
Имеется еще один путь, который также получил некоторое развитие во время войны, - это создание неотражающих покрытий.
Радиоволны отражаются от различных веществ по-разному: от одних хорошо, от других хуже. Существуют вещества, очень плохо отражающие радиоволны. Однако для того, чтобы отражение стало бы действительно малым, слой поглощающего вещества должен быть очень толстым. Это крайне осложняет применение покрытий, поэтому подобные методы не получили широкого распространения.
Прямую противоположность этого способа представляют специальные отражатели - особые конструкции, интенсивно отражающие локационные импульсы. Устанавливая такие конструкции на пустырях или на плотах среди озер, можно создать ложные цели, отвлекающие внимание бомбардировщиков противника.
Развитие техники вскоре позволило строить локаторы настолько легкие и небольшие по размерам, что стало возможным вооружать ими даже истребители. До этого истребители практически могли работать только днем. Поэтому немцы, после больших потерь во время крупных дневных налетов на Лондон в начале войны, быстро перешли к тактике ночных налетов.
После того, как истребители были вооружены локаторами, положение изменилось. Следуя указаниям локатора, летчик истребитель ночью сбивал бомбардировщик так же уверенно, как и днем, причем сам он даже находился в большей безопасности, так как немецкие бомбардировщики того времени не были снабжены локаторами и, не видели истребителя, не могли причинить ему вреда. Появление истребителей, вооруженных локаторами, прекратило массовые ночные налеты на Лондон.
Однако скоро и бомбардировщики получили специальные типы локаторов, с помощью которых стрелки могли успешно обнаруживать и уничтожать истребители. Началась борьба локаторов с локаторами.
Обе стороны начали снабжать свои самолеты специальными передатчиками, которые работали на той же волне, что я локатор противника, и препятствовали его работе. В этой борьбе побеждал более искусный и более подготовленный.
Союзники усиленно работали в области радиолокации. К моменту, когда Гитлер пустил в ход свое "секретное оружие" - самолеты-снаряды ФАУ-1, уже имелся новый радиоприбор, оказавшийся страшным врагом ФАУ-1. Это был необычный прибор. Он представлял собой генератор сантиметровых волн и помещался вместе с дополнительными устройствами внутри зенитных снарядов. В каждом снаряде находились о миниатюрных радиоламп и другие детали, а также питание и антенна. Как только снаряд после выстрела приближался на расстояние 15-20 метров к самолету, прибор, заключенный в снаряде, автоматически взрывал его, поражая самолет осколками. Эффективность огня зенитной артиллерии, орудия которой управляются локаторами и которые стреляют снарядами, несущими в небе радиовзрыватели, неизмеримо возросла. Для примера достаточно сказать, что к концу войны из каждых 100 самолетов-снарядов ФАУ-1 достигали района цели только четыре.
Комментарии
Радиолампы и другие детали,
Радиолампы и другие детали, которые могут выдержать колоссальные толчок выстрела, представляют собой настоящее чудо техники.
Перед радиоинженерами в самом начале войны стала еще одна задача огромной важности. Надо было научиться иа экране локатора отличать свой самолет от вражеского. Это было нужно не только командирам для наблюдения и управления ходом воздушного боя, но и особенно зенитчикам, которые могли по ошибке обстрелять и сбить свой самолет. То же, конечно, относится и к кораблям морского флота.
Так как радиоволны отражаются от любого самолета и воспрепятствовать этому нельзя, то каждая из воюющих сторон начала снабжать свои самолеты и корабли специальными маломощными вспомогательными радиостанциями. Как только такая станция воспринимала сигналы своего локатора, она немедленно начинала излучать на определенной волне ответные сигналы, и на экране локатора рядом с отраженным сигналом появлялся второй опознавательный сигнал. В последнее время были изготовлены специальные трубки, на которых опознавательные сигналы благодаря особому устройству светились другим цветом, чем отраженные сигналы. Эти двухцветные трубки значительно уменьшают возможность ошибки и очень удобны в обращении. Насколько важно опознавание своих самолетов, можно увидеть из следующего примера. Как известно, 7 декабря 1941 года, японские торпедоносцы и бомбардировщики совершенно неожиданно атаковали военно-морскую базу американцев в Пирл-Харборе. Спрашивается: как они могли неожиданно атаковать эту базу, несмотря на то, что она была оборудована радиолокатором? Следствие установило, что оператор радиолокационной станции обнаружил эти массы приближающихся самолетов, но так как тогда у американцев еще не было системы опознавания, то оператор предположил, что это самолеты американские и что они проводят маневры. Вследствие этого командование не было предупреждено о приближении самолетов противника.
Радиовзрыватель излучает электромагнитные волны. Взрыв снаряда вызывается волнами, отраженными от цели.
В первой половине войны большая часть погибших английских и американских бомбардировщиков гибла не от зенитного огня немцев и не в результате действий немецких истребителей. Как это ни странно, большая часть бомбардировщиков гибла во время взлета и особенно при посадке на свои аэродромы.
Действительно, поднять с нескольких аэродромов ночью и в тумане сотни боевых машин и собрать их в одном месте представляет нелегкую задачу. Если, например, с каждого аэродрома каждые две минуты поднимается самолет, то для того, чтобы поднять с одного аэродрома 60 самолетов, нужно затратить два часа. Это значит, что самолет, взлетевший первым, должен два с лишним часа жечь драгоценное горючее, кружась на месте в ожидании остальных самолетов.
Еще хуже обстояло дело при посадке, когда бомбардировщики, возвращаясь с операции с почти пустыми бензобаками, оказывались перед необходимостью ожидать очереди на посадку в течение двух, а в плохую погоду и трех часов. Неудивительно, что многие из них ночью и в туман совершали "посадку" на лес, строения и т.п. Не обходилось дело и без столкновений машин в воздухе.
Появление на самолетах локаторов кругового обзора позволило летчикам быстро и точно находить цель бомбометания и затем свой аэродром, а снабжение авиации специальными радиоустановками для взлета и посадки позволило резко снизить количество аварий при взлете и посадке. Теперь летчик может взлетать и садиться ночью и в туман, при абсолютном отсутствии видимости. Он ведет машину только по приборам, а в некоторых системах радиоаппарат, родственный локатору, без участия летчика автоматически ведет машину, обеспечивая ей полную безопасность.
Современные бомбардировщики иногда несут на себе более полутора десятков различных локаторов и радиостанций. Здесь и локаторы, управляющие огнем пушек и пулеметов, и станция кругового обзора для штурмана, и бомбардировочный прицел, позволяющий вести прицельное бомбометание сквозь облака и ночью; здесь и приборы для взлета и посадки, и радиоальтиметры - приборы для точного определения высоты полета, работающие по принципу отражения радиоволн от земли, здесь и станции для посылки сигналов опознавания; здесь и приборы, предупреждающие летчика о том, что его самолет обнаружен локатором противника, и приборы, предупреждающие его о том, что самолет противника атакует его сзади. Появление радиолокаторов изменило привычные методы морских операций и определило результаты борьбы за морские коммуникации.
Известно, что в конце прошлой мировой войны, перед вступлением в войну США, Англия была близка к поражению в результате успешного действия германских подводных лодок.
Такое же положение могло сложиться и в начале второй мировой войны, когда Англия теряла в три раза больше судов, чем она могла строить. Однако, в результате применения радиолокаиии и развития судостроения в 1943 году союзники строили много больше судов, чем они теряли.
О роли и значении локации говорят еще следующие цифры: из 1174 подводных лодок, которыми располагали немцы, было потоплено 785, причем было уничтожено 36000 немецких подводников.
В начале войны немецкие подводные лодки несли сравнительно малые потери. Это объясняется тем, что они всплывали для зарядки аккумуля торов только ночью, когда их не могли обнаружить ни наблюдатели кораблей, ни самолеты.
Как только союзные самолеты были оборудованы локационной аппаратурой, летчики смогли уверенно обнаруживать и топить всплывшие, подводные лопки ночью и в любую погоду. Для борьбы с локаторами немцы стали снабжать подводные лодки приемниками, которые могли бы принимать импульсы английских самолетных локаторов.
Как только с помощью приемника обнаруживается приближение самолета, подводная лодка немедленно погружается. Так как в этом случае принимается прямой сигнал, в то время как самолетный локатор должен, принять слабый сигнал, отраженный от подводной лодки, то подводная лодка могла обнаруживать локационные сигналы на расстояниях значительно больших, чем радиус действия локаторов, тоесть могла погрузиться раньше, чем самолет ее обнаружит.
Однако, после того, как самолеты были оборудованы локаторами, работавшими на волне 10 сантиметров, приемники, не рассчитанные на эту волну, создавали видимость безопасности. Подводные лодки снова гибли, не имея возможности заранее приготовиться к атаке.
РАДИОЛОКАЦИЯ КАК ЗАМЕТИТЬ
РАДИОЛОКАЦИЯ
КАК ЗАМЕТИТЬ САМОЛЁТ ВРАГА
Радиолокация, т.е. определение местоположения предметов при помощи радиосигналов, получила широкое распространение во время войны, и, наряду с другими техническими открытиями, содействовала успешному её завершению, так как наша техника радиолокации всё время опережала технику врага. Собственно говоря, и радионавигация представляет собою часть радиолокации.
Идея современной радиолокации весьма проста. Пусть радиостанция посылает в пространство узкий радиолуч, подобный световому лучу прожектора. Направление этого радиолуча можно изменять, поворачивая "радиопрожектор", как поворачивается обычный прожектор. При встрече на своём пути самолёта радиолуч частично отразится от него и возвратится обратно (точно так же в луче обычного светового прожектора мы видим самолёт только потому, что свет частично отражается им и попадает в наши глаза).
Чувствительное приёмное устройство позволяет заметить отражённый самолётом радиолуч. Таким образом удаётся определить, в каком направлении находится "освещенный" радиолучом самолёт.
При этом лётчик самолёта, конечно, не знает, что его уже обнаружили, так как радиолуч не действует на глаза человека. При использовании же светового прожектора лётчик видит световой луч и может стараться увернуться от него.
Обнаружив самолёт с помощью направленного радиолуча, можно определить и расстояние до него. С этой целью радиолуч посылается не непрерывно, а только в очень короткие промежутки времени (миллионные доли секунды), так что паузы - отсутствие радиопередачи - между отдельными сигналами длятся примерно в сто раз больше. Благодаря этому во время паузы радиосигнал успевает достичь самолёта и вернуться обратно.
Измеряя время движения сигнала и зная, что он распространяется со скоростью 300 тысяч километров в секунду, можно определить расстояние до самолёта, подобно тому как, слушая звуковое эхо, можно определить расстояние до препятствия, отражающего звук. Современные радиолокационные станции (их часто называют "радары") позволяют обнаружить самолёт на расстоянии до 300 километров и измерить расстояние до него с ошибкой всего лишь в 300 - 500 метров, а направление на самолёт - с ошибкой в 2 - 3 градуса.
Этого вполне достаточно для того, чтобы подготовиться к встрече врага.
Более того, когда самолёты приближаются, то другие радиолокационные станции, способные уловить самолёт на расстоянии 30-40 километров, начинают "следить" за ним, причём теперь расстояние определяется с ошибкой не больше 15 метров, а направление - с точностью до сотых долей градуса. Это позволяет вести по самолёту прицельную стрельбу.
Но если самолёт не видит "радиолуч", то ведь и с радиолокационной станции самолёт тоже не виден. Как же разобрать, вражеский это самолёт или свой? Ведь свои самолёты тоже будут отражать радиолучи. Для этого на своих самолётах устанавливаются небольшие радиопередатчики, автоматически приходящие в действие, если самолёт освещается "радиолучом", и посылающие условные опознавательные сигналы, которые и принимаются радаром. Вражеский самолёт, конечно, не посылает этих опознавательных сигналов.
Рис. 19. Радиопрожектор.
РАДАРЫ В ВОЗДУХЕ
Во время войны все важнейшие объекты были защищены радиолокационной "оградой", пробиться через которую враг мог только ценой громадных потерь.
Перед началом войны англичане оборудовали радарами только узкий участок вблизи Лондона, защитив свою столицу с востока. Но немецкие самолёты, совершая крюк, налетали с юга, севера и даже с запада. Тогда англичане установили "радиозавесу" по всему побережью, чем значительно осложнили операции немецких бомбардировщиков.
На рис. 19 изображён "радиопрожектор", которым пользовались англичане для ловли немецких самолётов. На рис. 20 изображён американский радар.
Рис. 20. Американский радар.
В ходе войны радиоинженерам удалось сконструировать радиолокационную установку таких небольших размеров, что она могла быть поставлена на небольшой истребитель. Это позволило лётчикам обнаруживать самолёты противника в полной темноте на расстоянии 4 - 5 километров.
В первую же ночь, когда в воздух поднялись истребители, оснащённые этими установками, из 500 фашистских бомбардировщиков, участвовавших в налёте на Лондон, было сбито почти 200!
После этого разгрома немцы вынуждены были сократить свои разбойничьи налёты.
В некоторых типах радаров принимаемый сигнал воздействует на специальную трубку, похожую на трубку, применяемую в телевидении. На экране этой трубки отражённый самолётом сигнал производит свечение. Так как радиолуч всё время вращается (в поисках самолётов), то на экране трубки получаются светлые пятнышки в тех направлениях, где имеются самолёты. Причём, чем дальше пятнышко от центрального пятна, тем дальше находится вражеский самолёт.
На фотографии экрана,
На фотографии экрана, изображённой на рис., видно около двадцати следов от самолётов. Специальные устройства позволяют точно определить положение каждого из них.
Немцы также научились строить радары и ловили самолёты союзников, затрудняя последним налёты на военные объекты Германии. Но союзники вскоре придумали способ, позволявший обезвредить немецкие радары. На экранах немецких радаров стали получаться картины, вроде изображённой на рис. Как вы видите, вся нижняя половина рисунка, соответствующая половине неба, покрыта отражёнными сигналами. Можно подумать, что летят тысячи самолётов. Немецкие зенитчики терялись, не зная, куда направить свои орудия.
На самом деле, эти многочисленные отражения, сбивавшие немцев с толку, создавались не самолётами, а полосками алюминия, которые союзники разбрасывали со своих самолётов. Эти полоски, медленно опускаясь на землю, также отражали радиоволны и обманывали немцев. Таким образом удалось обезвредить вражеские радары. Эти алюминиевые "макароны", как их называли англичане, сбрасывались союзниками в громадных количествах. Только над Европой было сброшено 8 миллионов килограммов таких "макарон". Немало их досталось и на долю японцев, с которыми шла война на Тихом океане.
30-СЕКУНДНЫЙ МОРСКОЙ БОЙ
Радары подобного же типа были установлены и на военно-морских судах. Посылая радиосигналы вдоль поверхности воды, они позволяли определять положение вражеских кораблей и руководить стрельбой по этим кораблям, так как удавалось определить даже положение столбов воды, поднимавшихся при попадании в воду крупнокалиберных дальнобойных снарядов и отражавших радиосигналы.
Радиолокационные установки сыграли большую роль в ряде морских операций. Разгром итальянского флота в Средиземном море, уничтожение в ночных боях немецких линейных кораблей "Бисмарк" и "Шарнгорст", уничтожение японского флота в Тихом океане, - во всех этих операциях не малую роль сыграли радары.
Радары, установленные на морских судах, позволяли настолько точно определять положение корабля противника, что при обстреле последнего попадания снарядов были обеспечены без всякой пристрелки, с первого же залпа. Поэтому морские сражения, которые раньше продолжались по целым часам, теперь стали очень короткими. Известно, что в одном из сражений, когда был обнаружен вражеский тяжёлый крейсер, его удалось потопить двумя залпами тяжёлой артиллерии. Весь бой длился всего 30 секунд!
УПРАВЛЕНИЕ ВОЗДУШНЫМИ ЭСКАДРИЛЬЯМИ
Но радары позволяют сделать ещё больше. Определяя при помощи наземных радаров положение своих самолётов, можно наводить их на цель в условиях плохой видимости, можно управлять движением крупных воздушных соединений, давая им по радио нужные указания.
Массированные налёты авиации союзников на Германию, в которых участвовали одновременно тысячи самолётов, не могли бы быть успешно проведены, если бы движение воздушных эскадрилий не управлялось с земли при помощи радаров.
ПРИЦЕЛЬНАЯ БОМБЁЖКА
Наконец, радары позволили вести прицельную бомбардировку небольших по размеру объектов.
Дело в том, что условия отражения электромагнитных волн от земли, воды или металла различны. Поэтому, если тонкий луч радиопрожектора, установленного на самолёте, направляется вниз, то сила отражённого сигнала зависит от того, попадает ли луч на землю или, например, на железную крышу зданий. Следя за силой отражённого сигнала, штурман самолёта может очень точно определить, когда самолёт находится над целью, и сбросить бомбы прямо в эту цель.
Новейшие типы радаров позволяют штурману самолёта видеть на экране трубки радиоприёмника карту местности, над которой летит самолёт. Самолёт летит над берегом. Море, кажется чёрным, земля и строения на ней - белыми. Такая карта получается и в ночное время, и в тумане, и при полёте над облаками. Ведь она создаётся радиолучами, а для них туман и тучи не являются помехой.