Радиолокатор и летучая мышь

Радиолокаторы были созданы еще перед второй мировой войной. К началу войны Советский Союз, Англия, США и противник - фашистская Германия уже располагали радиолокаторами различных типов.

Идея радиолокации проста. Она может быть выражена хорошо известной вам задачей:

"Из пункта А в пункт В выехал путешественник. Достигнув пункта В, путешественник тотчас же пустился в обратный путь и вернулся в пункт А через t часов.

Найти расстояние между пунктами А и В, если известно, что скорость путешественника всегда постоянна и равна V, а пункты А и В находятся на концах отрезка прямой".

Задачу эту на бумаге легко решит любой пятиклассник, а на практике ее решает совершеннейшая отрасль техники, радиолокация. Правда, в радиолокации условия задачи формулируются несколько иначе. Вот, примерно, как они выглядят, когда от инженеров требуется создать радиолокатор для обнаружения самолетов:

"Известно местоположение локатора (пункт А). Местоположение самолета (пункт В) неизвестно. Известно, что в воздухе и в вакууме радиоволны распространяются строго прямолинейно со скоростью 299 776 километров в секунду.

Требуется в любое время суток, в любое время года, в любую погоду и в любой обстановке обнаружить одиночный самолет или группу самолетов, определить до них расстояние и определить направление на эти самолеты".

Идея локатора столь очевидна, что даже трудно назвать того, кто первый высказал ее. И в каждой стране чтят своего изобретателя радиолокации. Но, как бы то ни было, основная идея была известна инженерам задолго до войны. Однако претворить ее в практику долгое время не удавалось. И войскам противовоздушной обороны приходилось применять для обнаружения самолетов громоздкие и очень неточные звукоулавливатели, которые по звуковым волнам, излучаемым моторами и винтами самолета, позволяли определять направление (но не расстояние!) на услышанный самолет. С грехом пополам звукоулавливателями можно было пользоваться, покуда скорость самолетов не стала сравнимой со скоростью звука. Звук начал запаздывать настолько, что точно определять направление на скоростной самолет с помощью звукоулавливателя стало невозможно^*.

^* (Скорость звуковых волн в воздухе равна примерно 330 метрам в секунду. Максимальная скорость истребителей в начале войны достигала 170 метров в секунду.)

Инженеры понимали, в чем состоит порок звукоулавливателей, но приступить к созданию радиолокаторов смогли лишь после того, как радиотехника научилась генерировать и излучать очень короткие радиоволны длиной от двух-трех метров до единиц сантиметров. Чтобы генерировать и излучать такие короткие волны, потребовалось значительно усовершенствовать и изобрести новые типы электронных ламп, научиться строить антенны совершенно иных типов. Это было трудным делом, и первых успехов радиотехника добилась только в самом конце тридцатых годов.

Такие короткие волны обладают несколькими замечательными свойствами. Первое из них состоит в том, что радиоволны можно посылать в пространство узким, направленным, подобно лучу прожектора, пучком. Это делается с помощью специальных антенн, часто напоминающих своей формой прожектор.

Узкий "прожекторный" луч радиоволн позволяет весьма точно определить направление на обнаруженный самолет. Но такой луч "освещает" очень малый участок пространства, и чтобы отыскать самолет, небо приходится буквально обшаривать лучом радиоволн. Если на его пути не встречаются препятствия, луч уходит и не возвращается назад. Но, наткнувшись на самолет, он отразится, и к антенне радиолокатора вернется часть (ничтожная) энергии радиоволн. Здесь отраженный радиосигнал будет усилен в радиолокационном приемнике.

Как же измерить длину радиолуча между самолетом и локатором, как найти ответ столь простой алгебраической задачи?

На первый взгляд это совсем несложно. Скорость радиоволн известна. И достаточно измерить время между отправкой радиолуча и приходом отраженного сигнала, чтобы найти ответ. Однако измерить время распространения радиоволн туда и обратно оказалось совсем не просто. Ведь радиоволны движутся с колоссальной скоростью, и поэтому измеряемые отрезки времени крайне малы: миллионные доли секунды. Точность же измерения времени должна составлять стомиллионные доли секунды!

Не сразу сумели придумать и метод разделения и различения посылаемого и отраженных сигналов. Это оказывалось особо сложным еще и потому, что посылаемый радиолокатором сигнал чрезвычайно силен, а принимаемые невообразимо слабы. Когда же нашли выход из положения, он оказался удивительно простым.

Каждому, наверное, не раз приходилось задавать вопросы лесному или горному эхо.

"Кто сел на дива-а-ан?"

"...ива-а-ан", - отвечает эхо.

"Кто украл хомуты-ы?"

И эхо снова отвечает. Можно придумать множество таких шутливых вопросов.

Но почему эхо отвечает только последними слогами вопроса? Почему оно не повторяет его целиком? Нет, оно повторяет весь вопрос, звук за звуком. Просто мы не слышим начала отзвука. Мы еще продолжаем кричать и сами себе заглушаем вернувшиеся очень тихие в сравнении с криком звуки. Но если коротко свистнуть или вскрикнуть, то мы услышим, как через несколько мгновений эхо полностью повторит изданный нами звук.

Точно таким образом заставили работать и радиолокатор. Передатчик радиолокатора излучает радиоволны короткими, но мощными импульсами. Импульсы излучаются один за другим через строго определенные промежутки времени - паузы. Во время паузы локатор с помощью приемника вслушивается в приходящие отраженные радиосигналы. Длительность паузы вполне достаточна для того, чтобы к локатору успел домчаться импульс, отраженный от самого дальнего из самолетов, находящихся в радиусе действия станции. Локатор как бы вскрикивает, а потом вслушивается в приходящее слабое радиоэхо. Время в этом случае измеряется просто: это интервал между началом посылки мощного импульса и моментом прихода эхо-импульса. Второй замечательной особенностью ультракоротких радиоволн является то, что на этих волнах можно излучать особо короткие радиоимпульсы, их длительность может составлять десятимиллионные доли секунды, а в некоторых случаях, когда требуется измерять расстояния с особо высокой точностью или малые расстояния, длительность импульсов делают еще меньшей.

Где и с какой целью применяется радиолокация?

Вначале радиолокация имела чисто военное назначение. Прежде всего радиолокаторы начали применять для обнаружения самолетов противника и вражеских кораблей. Сперва локационные станции были тяжелы и громоздки, и их можно было ставить только на суше или на больших кораблях. Но, как всегда, инженеры боролись за снижение веса, за экономию места и потребляемой энергии. И со временем были созданы весьма компактные локаторы, которые можно было размещать на самолетах. Сперва локаторы на самолетах ставились только для того, чтобы обнаруживать и атаковать вражеские самолеты. Потом инженеры создали очень простой радиолокатор, так называемый "локатор защиты хвоста". Он предназначен только для обнаружения самолетов, заходящих для атаки сзади. Этот локатор предупреждал пилота о том, что в хвосте пристраивается вражеский истребитель. Сигналы летчик слышал в наушниках; это были звуки, высота которых изменялась при изменении расстояния между машинами. На крупных бомбардировщиках ставили еще один локатор, который давал панораму местности под самолетом; этот локатор являлся очень точным прицелом для бомбометания.

Но борьба за экономию места, веса и энергии на этом не кончилась. Были созданы совсем уж простые и такие миниатюрные радиолокаторы, что их можно было помещать в головки зенитных снарядов. Правда, локаторы-взрыватели работали несколько иначе, но задачу свою они выполняли отлично. Когда гитлеровцы стали пускать на Лондон беспилотные реактивные снаряды "Фау-1", их вначале сбивали истребители и зенитная артиллерия. Сперва зенитные снаряды имели обычные взрыватели, которые подрывали снаряд через определенное время. Время срабатывания взрывателя устанавливалось солдатом из артиллерийского расчета перед тем, как другой солдат вкладывал снаряд в орудие. Стрельба такими снарядами была очень неточной. Чтобы сбить "Фау-1", приходилось расходовать десятки, а то и сотни снарядов, хотя зенитные орудия уже наводились с помощью специальных радиолокаторов - так называемых станций орудийной наводки. А когда подоспели снаряды с радиолокационными взрывателями, положение резко изменилось: только единицам "Фау-1" удавалось прорываться к Лондону. Чтобы сбить "Фау-1", требовалось уже не более пяти - десяти снарядов. Гитлеровцам пришлось отказаться от посылки "Фау-1" на английскую столицу.

В наши дни локаторы стоят не только на самолетах и судах, они помогают следить за погодой, предсказывая приближение штормов и ураганов; с помощью локаторов наблюдают за перелетами птичьих стай, за спутниками и космическими кораблями. Локаторы применяли для измерения расстояний до Луны и некоторых планет, с помощью локатора наблюдают за солнечной короной.

По существу, радиолокация - это новое средство, небывало расширившее возможности человеческого зрения. Теперь мы можем видеть и ночью и в тумане; мы можем видеть на огромные расстояния и, что особенно важно, очень точно измерять эти расстояния.

Мы уже знаем: основная идея радиолокации давно известна инженерам. Они изобрели ее, ни у кого не заимствуя. Мы знаем также, что одной лишь основной идеи было недостаточно для практического создания даже самого простого радиолокатора. Локация - необыкновенно сложная область техники. Чтобы радиолокационная станция работала так, как того хотят инженеры, чтобы она могла обнаруживать цели быстро, точно и на очень больших расстояниях, инженерам, помимо основной идеи и основного принципа действия, пришлось изобрести множество необыкновенно важных и остроумных технических приемов, создать сложнейшие устройства и приборы.

В этом они тоже полагались лишь на собственные силы и никому не подражали. И вовсе не потому, что считали подражание зазорным. Просто они даже не предполагали, что, создавая локаторы, можно кому-то подражать, перенимать у кого-то уже накопленный опыт. В те годы им и в голову не могло прийти, что многие технические задачи, с которыми пришлось столкнуться во время работы над радиолокационными станциями, решены природой тысячи и даже миллионы лет назад.

И, уж конечно, они не могли даже помыслить, что между одним из самых совершенных творений инженерного гения и крохотным пушистым зверьком - между радиолокатором и летучей мышью - есть общее. Не догадывались об этой общности и зоологи. Хотя, казалось бы, им следовало знать о самых распространенных в мире млекопитающих - о летучих мышах - все или по крайней мере самое главное. Зоологам уже давно было известно, что летучие мыши отличаются от всех других ночных животных тем, что могут ориентироваться в полной темноте. Однако, как делают это мыши, было неизвестно. Загадку летучих мышей пытались решить на протяжении полутора веков, но все попытки оказались безуспешными.

В течение полутора веков загадка летучих мышей называлась в науке "проблемой Спалланцани". И, быть может, зоологи не решили бы ее по сей день, если бы инженеры, никогда не слышавшие об этой проблеме, не изобрели локации и чувствительных приборов, которые смогли обнаруживать и регистрировать неслышимые человеком ультразвуки.

Читай эксклюзивные полезные советы для девушек на нашем сайте 1001sovet.com