Первые в мире испытания радара состоялись 90 лет назад
Слово «радар» в наши дни используется как метафора чего-то всевидящего. В момент своего изобретения радары были секретным оружием, которое закрыло британское небо для нацистских самолетов. О том, как изобрели первые радары, какую революцию на поле боя они произвели и почему британцы во Вторую мировую посмеялись бы над современными американскими «стелсами» — в материале «Газеты.Ru».
Лучи смерти
В 1934 году на стол Гарри Вимперису, главе отдела научных исследований британского министерства авиации, лег пересказ статьи в одной из немецких газет. В ней журналист рассказывал о созданных в Германии загадочных лучах смерти, способных то ли выводить из строя технику, то ли поражать живую силу на большом расстоянии, а сопровождалась заметка фотографией большой радиоантенны.
Вимперис был человеком образованным и не верил всему, что пишут в газетах, но на всякий случай подстраховался. Он попросил ученого Роберта Уотсона-Уотта и его помощника Арнольда Уилкинса проверить, смогут ли немцы поджаривать английские самолеты своими лучами.
Уотсон-Уотт провел расчеты и дал ответ, что ни сейчас, ни в хоть сколько то обозримом будущем радиоволнам не хватит мощности для того, чтобы повреждать самолеты. Зато, добавил он, радиоволны могут быть идеальным средством для обнаружения самолетов за счет способности их отражать.
Министерство авиации потребовало доказательств, и тогда Уилкинс поставил натурный эксперимент. В качестве радиопередатчика он выбрал вещательную станцию BBC в Давентри (Западный Нортгемптоншир), передающую на частоте с длиной волны 49 метров. В десяти километрах, у Аппер-Стоу, он натянул в поле провода в качестве приемных антенн и подсоединил их к автофургону, в котором стояло оборудование из его лаборатории. Оно включало в себя радиоприемник, настроенный на частоту станции, и подключенное к нему новейшее изобретение — осциллограф, предназначенный для визуального отображения на экране колебаний (например, силы сигнала). В той конфигурации, которую выбрал Уилкинс в тот раз, если сигнал был стабилен, светящаяся точка стояла в центре экрана.
26 февраля бомбардировщик-биплан Handley Page Heyford пролетел между радиостанцией и антеннами. Волны отражались от самолета, и поскольку он двигался, то за счет эффекта Доплера частота излучения менялась (как меняется звук движущегося автомобиля). Это приводило к колебаниям интенсивности сигнала (за счет интерференции волн), в результате чего светящаяся точка начала дергаться по экрану вверх и вниз. Это означало, что самолет находится где-то рядом, и дрожание не исчезло до тех пор, пока он не удалился на 13 км.
Так прошли первые в мире армейские испытания радара для обнаружения самолетов. Министерство авиации было в восторге, но для практического применения режим работы приемника и передатчика пришлось изменить, чтобы вычислить как направление на самолет, так и расстояние до него.
Секретное оружие
Для измерения расстояния передающую антенну радара заставляли излучать сигнал часто повторяющимися короткими импульсами, например, раз в 1 миллисекунду. Приемник подключали к осциллографу, чей электронный луч пробегал слева направо с такой же частотой и чертил светящуюся полосу. Если приемник не улавливал ничего, она была ровной. Однако если он фиксировал эхо, в момент приема сигнала луч дергался вверх, оставляя на линии зубец. Чем дольше была задержка перед получением эха, тем дальше луч успевал уйти вправо и тем правее был расположен зубец. Если самолет удален на 80 километров, то отраженный сигнал вернется через 0,5 мс, и зубец появится ровно посередине дисплея. Оставалось нанести сверху него шкалу, и прибор для измерения расстояния готов.
Для определения направления требовался другой трюк. Первые радары работали на волнах длиной около 10 метров и использовали большие антенны, которые трудно вращать. Поэтому вместо поворотной антенны использовали радиогониограф, который, если опустить термины и технические нюансы, работал очень просто.Он состоял из двух прямых антенн, расположенных крест-накрест горизонтально. Антенны хорошо принимают сигнал боковой стороной, но чем больше источник смещается к торцевой стороне, тем слабее сигнал. Если эхо улавливает только одна из «палок» креста, значит, вторая направлена точно на цель. Если сигнал равносильный на двух антеннах, цель прямо между ними. Таким образом, операторы радара измеряли разницу в силе эха между двумя «палками» и вычисляли направление на самолет.
Сеть из таких расположенных на юго-восточном побережье радаров составила британскую Chain Home, «цепь для защиты метрополии». Она сыграла решающую роль в Битве за Британию 1940 года, когда немцы пытались сломить сопротивление англичан непрерывными бомбардировками.
Немецкие летчики не могли понять, почему как бы они не летели — хоть днем, хоть ночью, на перехват всегда прилетают истребители и либо сбивают бомбардировщики, либо не дают им спокойно выполнять миссию.
До войны военные стратеги были уверены, что защитить небо невозможно, и «бомбардировщик всегда прорвется к цели».
На самом деле, радары на тот момент существовали и в Германии, и в США, и во Франции, и даже в СССР и Японии. Главным британским новшеством было объединение их в единую, тщательно продуманную сеть, связанную через штаб. В штабе на столе лежала огромная карта Британии, по которой офицеры двигали фигурки своих и вражеских самолетов, опираясь на доклады операторов радаров. Глядя на эту картину, командование могло управлять истребителями так же, как древние полководцы контролировали войска, обозревая их с холма.
Немцы знали о самом факте существования британских радаров, но не представляли себе масштаб их использования и уровень организации ПВО. Таким образом, Chain Home стала секретным оружием, к которому немецкие стратеги не готовились.
Именно эта сеть стала причиной катастрофических потерь Люфтваффе (военно-воздушные силы Третьего рейха), благодаря чему они не смогли в полную силу действовать против СССР во время вторжения 1941 года и защищать Германию от налетов союзников.
Chain Home и их аналоги в других странах были, выражаясь современным языком, локаторами обнаружения, которые давали силам ПВО раннее предупреждение об атаке. Но к началу войны и в ходе нее появилось и множество других. Так, существовали ночные истребители, чей радар отображал на дисплее, есть ли впереди цель и на какой дистанции. Развитие технологий позволило сократить длину волны до десяти сантиметров, что сильно повысило точность, уменьшило габариты и дало возможность видеть мелкие предметы. Сантиметровые радары, имевшие уже облик вращающихся «тарелок» в обтекателе, стояли на английских и американских бомбардировщиках. При сканировании земли они отображали на экране крупные объекты вроде городов и рек, что позволяло точно выходить в район цели. Их дисплеи уже выглядели так, как показывают в играх и кино: круглые экраны, по которым, как стрелка часов, вращается полоса и «высвечивает» объекты.
В корне изменилась и война на море, поскольку радары способны были обнаруживать корабли. Благодаря этому ночной бой перестал быть дракой двух слепых — локаторы позволяли обнаружить как присутствие противника, так и определить расстояние до него для наведения орудий. Более того, под конец войны в США создали планирующие бомбы ASM-N-2 Bat, которые с помощью радиолокационной головки самонаведения (ГСН) могли сами наводиться на корабли. Из-за технической отсталости японцам приходилось использовать для тех же целей живую систему самонаведения, то есть, камикадзе.
Как бы парадоксально это не звучало, именно радары уничтожили немецкий подводный флот (как один из ключевых факторов). Радиоволны не распространяются под водой, но субмарины Второй мировой войны были, по сути, ныряющими торпедными катерами, и могли быстро перемещаться только в надводном положении. Понимая это, немцы старались атаковать конвои ночью, чтобы под покровом темноты занять позицию для пуска торпед.
Однако благодаря радарам британские и американские корабли эскорта прекрасно видели всплывшие субмарины и уничтожали их.
Самые современные образцы позволяли обнаружить даже торчащий из воды перископ или шноркель («дыхательную трубку» для работы дизельных двигателей под водой).
Могут ли радары видеть «невидимки»?
Вскоре после окончания Второй мировой войны в мире появились зенитные ракеты. Вариантов работы их системы самонаведения существует много: в одних системах радар отслеживает ракету и направляет ее к цели командами, в других радиолокационная ГСН расположена прямо в носовой части ракеты. Приблизительно ко второй половине 1960-х годов ракеты стали такими маневренными и надежными, что уклониться от них исключительно за счет маневров стало почти невозможно. Систему наведения можно сбить с толку различными помехами, например, симулируя фальшивое отраженное эхо с помощью радиопередатчика. Еще во Вторую мировую немецкие радары ослеплялись сбрасываемой с самолетов «лапшой» из фольги, которая создавала множество отражений. Однако на каждую помеху есть свои способы борьбы, и ни одна из них не универсальна.
Понимая, что современная воздушная война — это война радаров, в 1970-х годах американцы придумали для нее новое средство.
Еще с начала XX века было известно, что различные объекты отражают радиоволны очень по-разному. В основном, чем они больше, тем сильнее, но зависимость была не строгой, а маленький металлический уголковый отражатель виден на радаре как очень яркая точка. Физики примерно понимали связь между формой объекта и отражением, но не могли его заранее предсказать для предметов сложной формы. Это требовало колоссального объема математических вычислений.
Однако американские авиаконструкторы Дик Шеррер и Дэнис Оверхолсер нашли способ упростить задачу. «Мы можем сделать самолет из плоских поверхностей, направляя их в разные стороны и заставляя их отражать энергию не обратно к радару, а в разные стороны», — предложил Оверхолсер.
Так родился исследовательский проект Have Blue, плодом которого стал знаменитый «стелс» самолет F-117. Благодаря угловатому виду по аэродинамике он напоминал утюг или другой негодный для полетов предмет, но зато имел эффективную площадь рассеивания меньше 0,01 м2. Для сравнения, ЭПР обычного истребителя составляет примерно 5 м2, а маленькой крылатой ракеты «Томагавк» — около полуметра. Чем меньше ЭПР, тем на меньшем расстоянии радар обнаружит цель, и в случае F-117 некоторые системы ПВО не могли фиксировать его присутствие в принципе.
Однако с этим связан еще один забавный парадокс — если бы подобный самолет разработал Третий рейх и направил его бомбить Великобританию в 1940-м, англичане бы легко обнаружили его, не поняв, в чем суть этого супероружия. Дело в том, что долгое время длину волны радара старались уменьшить, и от этого были сплошные плюсы, — кроме возможности их отразить в нужную сторону за счет подобранной формы граней. Однако старые радары использовали метровые волны, которые из-за своей длины в целом не чувствительны к форме предмета, и получаемое эхо зависит, в основном, от размера облучаемого объекта.
Поэтому многие современные радары, созданные специально для обнаружения «стелс» самолетов, вроде российской РЛС «Резонанс-Н», как и в старые времена используют метровые волны, да и многие устаревшие системы способны решать ту же задачу. У них есть множество других минусов, например, низкая точность и уязвимость к помехам. Но, тем не менее, когда «стелс»-самолеты называют невидимками, от правды это очень далеко.
Что думаешь?
