Приборы-путеводители 2 страница

Однако во время первой мировой войны русский флот не имел на вооружении гидроакустических приборов. Чиновники Морского министерства, несмотря на успешные опыты, прекратили их производство на Балтийском заводе и в 1915 году отдали заказ американским фирмам. До конца войны из Америки так и не было получено ни одного прибора.

В 1915 году русский инженер Шиловский предложил прибор для обнаружения подводных лодок, основанный на активном поиске их звуковым лучом, испускаемым электромагнитным вибратором. Шиловский работал тогда вместе с известным французским ученым, впоследствии коммунистом Полем Ланжевеном, которому принадлежит честь открытия способов излучения ультразвуковых волн в жидких и твердых средах. На принципе использования отраженных эхо-сигналов для определения глубины моря и построен первый гидролокационный прибор — эхолот.

В первых образцах эхолотов использовались звуковые сигналы — импульсы с частотой, воспринимающейся {184} человеческим ухом¹; однако звуковые волны такой частоты обладают крупными недостатками. Эти звуковые волны распространяются в воде концентрическими сферами во все стороны от центра сферы, где находится источник звука. Поэтому они могут отразиться не только от грунта, лежащего на вертикали под кораблем, но также от какого-либо ближайшего препятствия, например от стенки при стоянке в порту, от обрывистого берега, от подводной скалы или возвышенности. Такие сигналы могут быть подслушаны противником, что приведет к обнаружению подводной лодки и срыву боевого задания. Кроме того, прием эха от звуковых импульсов с частотой, воспринимающейся человеческим ухом, будет постоянно сопровождаться звуковыми помехами в виде шумов от работы собственных механизмов и гребных винтов, от движения волн, рокота прибоя и тому подобных.

Это побудило искать решения звукового «видения» за пределами звуковых частот, действующих на человеческий слух. Звуковой спектр широк, известны звуковые волны, имеющие длину меньшую, чем длина волны, воспринимаемой ухом человека. Такие волны имеют и большую частоту колебаний, поэтому их называют ультразвуковыми. Частота этих колебаний свыше 20 тысяч в секунду. Ультразвуковые колебания имеют свойство распространяться не во все стороны от излучателя этих колебаний, а в определенном за; данном направлении узким конусообразным лучом, подобным лучу прожектора. Угол при вершине этого конуса составляет 35—40 градусов. Ультразвуковые волны не слышит человеческое ухо, но их прекрасно воспринимает слух некоторых животных. Например, собаки слышат ультразвуковые колебания до 40 тысяч герц². Долго оставалось неясным, как ориентируются в полете летучие мыши, обладающие крайне слабым зрением, как они не натыкаются на малозаметные препятствия и ловят в темноте мелких насекомых. Изучение этого вопроса показало, что летучие мыши во время полета через определенные, очень короткие {185} промежутки времени пищат, то есть испускают ртом ультразвуковые колебания с частотой 35—70 тысяч герц. Отраженное от встречных препятствий эхо этих ультразвуковых волн воспринимают уши летучей мыши, предостерегая ее от столкновения с препятствием.

Благодаря прямолинейному распространению ультразвуковых колебаний их можно направить в любую сторону. Если необходимо определить глубину моря под килем, ультразвуковые импульсы направляют вертикально вниз. Эхолот помогает штурману подводной лодки вести прокладку в затрудненных условиях плавания. Сопоставляя показания эхолота в нескольких последовательно расположенных точках с глубинами, нанесенными на морской карте, штурман получает возможность проверить прокладку и уточнить район пребывания подводной лодки. Так как эхолот измеряет расстояние от днища подводной лодки до грунта, то при измерении глубины в подводном положении лодки полная глубина моря будет определяться суммой показаний эхолота и глубомера.

Схема действия эхолота изображена на рисунке. Одна из главных деталей этого прибора — излучатель с вибратором. Его действие основано на изменении размеров тела при изменении его электрического или магнитного состояния. Таким телом в излучателе эхолота является тонкая кварцевая пластинка, помещенная в сильном электрическом поле между обкладками конденсатора. Эту конструкцию излучателя разработал в 1918 году Поль Ланжевен.

Однако изготовление кварцевой пластинки требуемых размеров было технически трудной операцией, и поэтому для высокочастотных ультразвуковых приборов начали применять пластинки из сегнетовой соли¹, обладающие теми же свойствами при изменении электрического поля.

Разумеется, эти изменения весьма невелики, но достаточны для изготовления пьезоэлектрических вибраторов — излучателей ультразвуковых волн. В современных эхолотах обычно применяется магнитоэлектрический {186} вибратор, состоящий из пакета тонких никелевых пластинок. Проволочная обмотка, по которой пропускается электрический ток, создает в них замкнутое магнитное поле, изменение величины которого и

Схема действия эхолота

вызывает колебания вибратора, усиливающиеся специальным усилителем.

Вибратор эхолота служит излучателем, посылающим в воде направленные ультразвуковые волны. Возникающее при соприкосновении этих волн с грунтом или другим препятствием ультразвуковое эхо возвращается к другой важной детали эхолота — мембране {187} звукоприемника. Последняя под влиянием этих волн начинает колебаться.

Звуковые сигналы — импульсы — посылаются эхолотом в воду один за другим, через определенные промежутки времени. Колебания мембраны, возникающие от воздействия звукового эха, изменяют магнитное поле звукоприемника, а следовательно, и напряжение электродвижущей силы в цепи звукоприемник — усилитель — указатель глубин. Если разделить число, определяющее промежуток времени между подачей импульса излучателем и приемом его мембраной звукоприемника, на два, а частное от этого деления умножить на величину скорости звука в воде, то в результате получится число, равное расстоянию от киля подводной лодки до грунта. На вращающемся валике эхолота автоматически появляется итог подсчетов, а на ленте из кальки самопишущим прибором вычерчивается кривая, в точности соответствующая профилю рельефа дна. При помощи эхолота удалось исследовать самые глубокие впадины на дне океанов и установить их рельеф.

Эхолот помогает штурману подводного корабля ориентироваться по морской карте, на которой нанесены глубины, и правильно вести прокладку курса.

Точность регистрации отраженных ультразвуковых импульсов на индикаторе эхолота позволяет обнаруживать не только изменение рельефа морского дна или крупные препятствия на пути ультразвукового луча, но даже контуры затонувших кораблей и косяки рыб, идущие на больших глубинах.

Эхоледомер, которым пользовались на американской подводной лодке «Скейт», представлял собой разновидность обычного эхолота. Ультразвуковой луч, направленный вверх, отражался от нижней поверхности слоя льда, и его эхо, воспринимавшееся звукоприемником, преобразованное в электрические колебания, записывало на ленте прибора кривую, соответствующую рельефу этой поверхности. Вместе с тем ультразвук, проникавший сквозь толщу льда, отражался и от верхней поверхности ледяного покрова, что позволяло получать вторую кривую. Расстояние между ними характеризовало толщину льда над лодкой.

Эхолот — только один из видов гидролокатора. {188} В годы второй мировой войны приборы гидроакустики получили широкое применение как на надводных кораблях, так и на подводных лодках. Гидролокаторы, установленные на лодках, использовались для обнаружения кораблей противника, выхода в атаку и разведки минных полей.

Гидролокатор, в отличие от шумопеленгатора, не нуждается в том, чтобы от объекта наблюдения исходили какие-либо шумы. Подобно эхолоту, он сам посылает ультразвуковые импульсы и ловит их эхо, отраженное от корпуса неприятельского корабля или подводной мины.

Специальный излучатель ультразвуковых импульсов, называемый вибратором, помещается, как правило, в специальном кожухе, предохраняющем его от повреждений, в носовой части корпуса подводной лодки. Главной частью вибратора является мембрана, колеблющаяся под влиянием прерывистых импульсов электрического тока.

Колебания мембраны, непосредственно соприкасающейся с водной средой, создают в последней цепочку ультразвуковых волн, движущихся одна за другой в совершенно определенном направлении зависящем от положения мембраны. Ультразвуковое эхо, отраженное от цели, возвращается обратно к мембране вибратора и, в свою очередь, возбуждает в нем механические колебания. Эти колебания преобразуются в электрические и после усиления поступают в прибор, автоматически регистрирующий время, истекшее с момента отправки импульса до возвращения его эха. Акустик, обслуживающий на подводной лодке ультразвуковую аппаратуру, посылает ультразвуковой луч в различных направлениях или, если нужно, «ощупывает» им все водное пространство вокруг лодки. При этом прибор показывает расстояние и направление на любое препятствие, встретившееся на его пути. Следовательно, гидроакустическая аппаратура может применяться не только для ведения прокладки и определения места лодки в море, но и для наблюдения за противником.

Особенно важны гидролокаторы для экипажей подводных лодок, ПЛО¹, предназначенных для борьбы с {189} подводными кораблями противника. При наличии атомных силовых установок подводная лодка может большую часть времени плавания находиться на глубине, не всплывая, поэтому обнаружить ее гораздо труднее, чем дизель-электрическую. Вот почему в современных условиях роль гидролокатора для поиска подводных кораблей значительно повышается.

Катодная трубка

Техника наших дней сделала безопасным плавание на глубине в несколько сот метров, что значительно затрудняет возможности борьбы надводных кораблей с подводными лодками и вынуждает использовать последние для противолодочной обороны. В конце 1960 года в США была введена в строй специальная лодка — охотник за подводными лодками «Теллиби» подводным водоизмещением около 2500 тонн. Атомная энергетическая установка «Теллиби» в сочетании с дельфинообразной формой корпуса позволяет ей достаточно быстро маневрировать под водой; размещенная в носовой оконечности корпуса совершенная гидролокационная аппаратура должна помочь отыскивать подводные лодки. В целях уменьшения собственных звуковых помех, возникающих при работе машин и механизмов, все источники шумов на «Теллиби» установлены на фундаментах с амортизаторами, а корпус покрыт шумопоглощающей изоляцией.

В период второй мировой войны появились приборы, {190} действующие в воздушной среде так же, как приборы гидроакустики под водой. Вместо ультразвуковых волн в них были использованы ультракороткие радиоволны.

Еще в 1897 году во время испытаний первых радиоустановок на кораблях Балтийского флота изобретатель радио А. С. Попов обнаружил, что электромагнитные волны обладают способностью отражаться от препятствий, возникающих на их пути, и создавать своеобразное электромагнитное эхо. Дальнейшая разработка этого открытия привела к изобретению нового мощного средства радиотехнического наблюдения — радиолокатора.

В темную безлунную ночь, особенно в пасмурную погоду, когда небо затянуто тучами, крайне трудно своевременно заметить корабли или самолеты врага. Еще хуже в тумане, когда бело-серая мутная пелена плотно покрывает море и видимость ограничивается часто несколькими метрами. В таких условиях ориентировка крайне усложняется. Радиолокация вооружает корабли новым надежным средством технического наблюдения, позволяющим «видеть» в темноте. Если оптика была бессильна создать такие приборы, то современная техника, основанная на последних достижениях радиоэлектроники, телевидения и других отраслей физических знаний, успешно решила эту задачу.

Как опытный хирург медицинским зондом нащупывает в теле больного инородное тело, так и тонкий направленный луч ультракоротких электромагнитных волн «зондирует» пространство и обнаруживает цель в воздухе и на море. Радиолокационная установка состоит из излучателя, расположенного в антенном устройстве и наводящего радиолуч, и приемника, регистрирующего возвращение отраженного радиоэха. Излучатель радиолокатора, подобно вибратору гидролокатора, посылает свои радиоволны не непрерывно, а через некоторые промежутки времени, в виде коротких серий импульсов. Перерывы между импульсами необходимы для того, чтобы отраженная волна успела возвратиться в приемник, прежде чем будет послан в пространство следующий импульс.

Появление отраженного сигнала в приемнике {191} радиолокатора показывает, что прибор «нащупал» какое-то препятствие.

Большой вклад в развитие радиолокационной техники был сделан русскими и советскими учеными и изобретателями. В 1908 году наш соотечественник Б. Л. Розинг предложил применять электронно-лучевую, или, как говорят, катодную, трубку для приема изображений. Эта трубка является и ныне главной

Что видно на экране катодной трубки

деталью радиолокатора. Она представляет собой прибор для наблюдения и измерения электрических колебаний. С помощью электронно-лучевой трубки регистрируются отраженные радиоволны и измеряется промежуток времени между подачей радиолокатором импульса и приемом возвратившегося в прибор радиоэха. Таким образом, катодную трубку можно считать как бы своеобразными «электронными часами», способными отсчитывать весьма малые промежутки времени, измеряемые миллионными долями секунды. Циферблатом этих часов является экран, покрытый специальным составом, способным светиться в тех точках, куда ударяет поток электронов, а стрелкой служит остроконечный электронный луч, вычерчивающий на экране катодной трубки светящуюся кривую. {192}

Излучаемая радиолокационным передатчиком электромагнитная энергия распространяется в пространстве с постоянной скоростью, равной 300 тысячам километров в секунду. С такой же скоростью возвращаются обратно отраженные ультракороткие радиоволны. Зная эту скорость, легко рассчитать расстояние от радиолокатора до предмета, отразившего радиоимпульс. Для удобства на экране катодной трубки нанесена шкала дальности, градуированная сразу на кабельтовы или мили, а не на доли секунды. Расстояние между уступами по этой шкале показывает действительную дальность отразившего эхо предмета.

На таких же принципах построен радиолокатор кругового обзора — оригинальный прибор, позволяющий хорошо ориентироваться ночью или в густом тумане, вовремя обнаруживать близость берега, маяки и другие навигационные знаки. На экране такого радиолокатора воспроизводится вся обстановка на море вокруг радиолокационной станции в пределах зоны ее действия.

Современные радиолокационные станции обеспечивают безопасность движения корабля при полном отсутствии видимости, они позволяют определить свое местоположение относительно береговых и надводных ориентиров, предупреждают возможность столкновения с встречными судами и надводными препятствиями, а также дают точные координаты цели в боевых условиях.

Создание совершенных радиолокационных приборов стало возможным лишь на базе высокоразвитой радиотехнической промышленности, развитию которой в СССР уделяется большое внимание.

В настоящее время радиолокационная аппаратура широко используется для астрономических наблюдений. Так, 10 января 1946 года был послан радиосигнал на Луну. При этом опыте продолжительность импульса составляла полсекунды, а пауза между импульсами достигала пяти секунд. Эхо радиоимпульса, отраженное Луной, было зарегистрировано приемником радиолокатора весьма точно. Вычисленное с помощью радиоэха расстояние до Луны полностью подтвердило астрономические расчеты, сделанные ранее другими методами. Во вступительном слове Президента Академии {193} наук СССР академика М. В. Келдыша на общем собрании академии, посвященном итогам работы за 1962 год, отмечается, что нашими учеными осуществлена впервые радиолокация планеты Меркурий и повторная радиолокация планеты Венера, в результате которых получены новые интересные данные в области космической радиосвязи. С этой же целью были проведены опыты по приему отраженных Венерой радиотелеграфных сигналов.

Величайшее открытие гениального русского ученого Александра Степановича Попова вооружило человечество замечательным прибором, от «всевидящего ока» которого нельзя скрыться ни в космическом пространстве, ни в ночной темноте.

Под водой ультракороткие радиоволны не распространяются, вследствие чего на подводных лодках радиолокатор может быть использован только в том случае, когда лодка находится в надводном положении или на перископной глубине и с нее может быть выдвинуто на поверхность выше уровня воды специальное выдвижное антенное устройство.

В 1959 году в США вступила в строй подводная лодка «Тритон» подводным водоизмещением около 8 тысяч тонн. На ней установили мощную радиолокационную аппаратуру не только для обнаружения надводных и воздушных целей, но и для создания радиопомех, препятствующих нормальной работе радиопередающих и радиолокационных станций противника. Несмотря на значительные размеры «Тритона» и насыщенность разнообразным радиовооруженкем, американцы отказались от дальнейшего строительства подводных кораблей такого типа, очевидно просчитавшись в их боевых возможностях.

В минувшую мировую войну радиолокационная техника широко использовалась на суше, на море и в воздухе. Однако недостатки этой техники заставляют непрерывно работать над ее дальнейшим совершенствованием. Одним из недостатков является возможность обнаружения и пеленгования работающей радиолокационной станции с помощью специальной радиоаппаратуры.

Поэтому в условиях боевой обстановки специальные надводные корабли противолодочной обороны {194} противника будут следить за работой обнаруженных в эфире радиолокационных станций подводных лодок, определять их местоположение, частоту повторения импульсов, дальность действия, длину волны и другие данные, необходимые не только для создания радиопомех, но и для нападения на подводный корабль.

Для создания радиопомех применяются ложные цели, которыми могут служить обрезки металлической фольги или кусочки металлизированной бумаги, выброшенные в воздух. Скопление таких обрезков способно отражать радиоволны и соответственно вводить в заблуждение оператора радиолокационной станции, так как на ее экране появятся отраженные сигналы, похожие на сигналы о появлении кораблей или самолетов противника.

Однако при всех существенных недостатках, свойственных этому виду радиоаппаратуры, она остается незаменимым средством наблюдения как для подводных лодок, так и для надводных кораблей. Поэтому систематическая учеба и тренировка радиометристов подводных кораблей, обслуживающих радиолокационные станции, является совершенно обязательной. Высокая квалификация и умелая работа радиометристов обеспечивает надежное действие системы радиолокационного наблюдения, которая служит важным элементом в общем комплексе технических средств современного подводного корабля.

Точно вести корабль по заданному курсу помогают штурманам радиоприемные и радиопередающие устройства, которые на подводной лодке используются для связи с внешним миром. Безопасность плавания помогает обеспечивать радиопеленгатор. Как подсказывает само название этого прибора, он позволяет брать радиопеленг, то есть определять угол между географическим меридианом и направлением движения радиоволн, которые излучает специальный передатчик радиомаяка или какая-либо другая радиостанция. Параметры радиомаяков — координаты передатчиков, длины волн и их время работы — известны заранее, следовательно, штурман лодки имеет возможность ориентироваться в открытом море без астрономических обсерваций, руководствуясь только показаниями приборов радионавигации. Так радио стало не только {195} широко распространенным средством связи, как это было в сравнительно недавнем прошлом, но и надежным помощником мореплавателей.

В последние годы появилась подводная электронная телевизионная аппаратура. Такой аппаратурой оснащена советская подводная лодка «Северянка», предназначенная для научно-исследовательских работ в подводных глубинах, а также наши боевые атомные лодки.

Принцип работы подводной телевизионной аппаратуры основан на преобразовании световой энергии в электрическую, которая на экране кинескопа снова трансформируется в видимое глазом изображение.

Современные подводные телевизоры позволяют получать довольно ясное изображение на небольших глубинах при достаточно хорошей прозрачности воды и солнечной погоде. На глубине, куда не проникают солнечные лучи, и в ночное время приходится освещать объекты наблюдения с помощью мощных электрических ламп подводного прожектора. Телевизионная камера была установлена на американской подводной лодке «Скейт» перед ее походом во льды Арктики. Ее командир Калверт сообщает, что «даже при скудном освещении арктических сумерек на экране были отчетливо видны неясные очертания крупных глыб льда, плавающих над нами»¹. Оставим точность этих сведений на совести автора, так как трудно представить, как можно «отчетливо» видеть «неясные очертания» подо льдом в полярные сумерки.

Однако совершенная телевизионная аппаратура подводного наблюдения в определенных условиях может оказаться весьма полезной. Очевидно, советские подводные телевизоры работают значительно лучше американских, что и было отмечено командиром атомной подводной лодки «Ленинский комсомол» капитаном 2 ранга Л. М. Жильцовым после похода к Северному полюсу².

Мореплавание в высоких широтах имеет свои особенности. Хотя, как отмечалось выше, гироскопический компас лишен недостатков, присущих магнитному компасу, вблизи полюсов Земли и он не обеспечивает {196} точности показаний. Это объясняется тем, что по мере приближения к полюсам окружная скорость вращения Земли постепенно снижается и на самом полюсе становится равной нулю.

Следовательно, никакой прецессии не происходит, и ось гироскопа не располагается в направлении с севера на юг. Практически даже не на самом полюсе, но и в некотором расстоянии от него гирокомпас перестает нормально работать и уже не может служить надежным навигационным прибором. Не годится там и магнитный компас. Известно, что магнитные полюса Земли как в северном, так и в южном полушарии не совпадают с географическими полюсами, что уже приводит к искажениям показаний магнитного компаса, а на самом полюсе картушка магнитного компаса беспомощно вращается в разные стороны.

Условия плавания в высоких широтах неблагоприятны и для астронавигации, так как значительную часть года солнце там не появляется, а определение своего места в море и направлений на страны света по звездам не всегда возможно вследствие облачности, часто затягивающей небо. Эти обстоятельства поставили перед наукой задачу найти другие способы судовождения, не требующие особых условий для определения навигационных элементов.

По данным иностранной печати, такая задача была решена при помощи так называемых инерциальных систем, основанных на физической связи, существующей между ускорениями, скоростями и координатами движущихся тел. Математически эта связь заключается в том, что скорость есть интеграл от ускорения, а пройденный путь, характеризующий координаты тела в каждый момент времени, есть интеграл от скорости. Таким образом, замеряя каким-либо способом ускорения, с которыми движется подводная лодка от известной точки, и интегрируя величины этих ускорений, можно получить скорости движения лодки относительно Земли. Интегрируя полученные значения скоростей, можно найти путь, пройденный подводной лодкой, а следовательно, и определить ее координаты. Если с помощью специальных приборов интегрирование этих величин будет происходить непрерывно, координаты подводной лодки будут известны в каждый {197} момент ее движения. Прибор, измеряющий ускорения, называется акселерометром. Таким прибором может служить обычный маятник, висящий в вертикальном положении. При горизонтальных ускорениях маятник отклоняется от вертикального положения на угол, пропорциональный величине полученного им ускорения. Акселерометром может служить также устройство, состоящее из грузика, прикрепленного к середине плоской пружинки, концы которой закреплены неподвижно в рамке. При движении рамки грузик, вследствие инерции своей массы, будет стремиться сохранить первоначальное положение и натянет пружинку. Степень натяжения ее и будет характеризовать величину ускорения.

В реальных инерциальных системах применяющихся для навигационных целей, используются акселерометры более сложного устройства, обеспечивающие определение величины сравнительно небольших ускорений, возникающих при изменении скорости или направления движения подводной лодки. Эти акселерометры, каждый из которых измеряет ускорения в направлении одной из трех осей координат, помещены на платформе, стабилизированной в пространстве с помощью системы, состоящей из трех взаимно перпендикулярных гироскопов. Точная установка системы гироскопов, оси которых сохраняют заданное положение до тех пор, пока вращающиеся вокруг них гироскопы продолжают свое движение, производится по астронавигационным приборам.

Сигналы акселерометров, пропорциональные ускорениям, поступают в счетно-решающие устройства, где производится двойное интегрирование ускорений и вычисляются расстояния, пройденные подводной лодкой в направлении каждой из осей координат. Математические машины пересчитывают эти расстояния в разность широт и разность долгот и суммируют их с широтой и долготой начальной точки, в которой начала свою работу инерциальная система. Конечным результатом всех этих вычислений являются текущие координаты лодки, определяющие географическое положение ее в море. Кроме того, инерциальная система вырабатывает и другие данные, необходимые штурману и командиру подводной лодки во время выполнения {198} учебных или боевых заданий в высоких широтах. Пользуются инерциальными системами и для других целей. Так, например, на американских подводных лодках типа «Джордж Вашингтон» подобные системы в комплексе с другими навигационными приборами, счетно-решающими устройствами и специальной аппаратурой применяются для обеспечения выхода подводной лодки в подводном положении в точку, намеченную для запуска ракет.

Сочетание всех видов навигационной аппаратуры с быстродействующими вычислительными машинами и кибернетическими устройствами открывает новые широкие возможности для автоматизации управления подводным кораблем в любых условиях плавания.

Как уже упоминалось выше, современные перископы подводных кораблей представляют собой сложное сооружение, в конструкцию которого входят различные устройства для наблюдения за поверхностью моря. В последние годы созданы перископы-секстаны, работающие, как сообщают в иностранной печати, совместно о гироскопическими приборами и другой аппаратурой. С их помощью решаются сложные астронавигационные задачи и ведется автоматическая запись высот небесных светил.

Дата добавления: 2015-06-27