Помоги проекту - поделись книгой:
Однако самый распространенный способ является одновременно и самым древним. Еще гений Возрождения Леонардо да Винчи отмечал в своих дневниках: «Если ты, будучи в море, опустишь в воду отверстие трубы, а другой конец приложишь к уху, то услышишь идущие вдали корабли»…
В воде действительно гораздо лучше, чем в воздухе, распространяются звуковые и ультразвуковые колебания. Причем первые гидрофоны были установлены на русских субмаринах «Карп», «Пескарь», «Стерлядь», «Макрель» и «Окунь» специалистами Балтийского завода еще в 1909–1910 годах. То есть 100 лет назад!
Сигналы принимались размещенным в обтекателе угольным микрофоном, который во избежание помех буксировали за лодкой на кабель-тросе. Проведенные опыты показали, что маленький портовый катер выдавал себя шумом винтов за 5 кабельтовых — почти за километр.
Начиная с середины 30-х годов XX века шумопеленгаторные станции МАРС (малые акустические радарные станции) стали устанавливать практически на всех типах советских подлодок. На субмаринах типа М («малютках») — МАРС-8 с 8 датчиками, на Щ и С — соответственно МАРС-12 с 12 датчиками, а на самых больших К и Л — МАРС-16 с 16 приемными гидрофонами.
Перед Великой Отечественной войной, в 1940 году, прошла испытания ультразвуковая гидроакустическая станция «Тамир-1» для надводных кораблей — охотников за подлодками. Работа такого гидролокатора основывалась на посылке ультразвуковых импульсов и приеме сигналов, отраженных, к примеру, от корпуса подводной лодки. Пеленг (направление на цель) определялся поворотом излучателя или фазовращателями, а дистанция — по времени, которое импульс ходил до цели.
Конструкция первого такого прибора принадлежит французскому физику Полю Ланжевену и русскому эмигранту, инженеру Петру Шиловскому. Но запатентован он был англичанином Льюисом Ричардсоном вскоре после гибели «Титаника».
Так или иначе, но советская подлодка Л-3 произвела первую атаку на Балтике, пользуясь данными шумопеленгаторов, 13 ноября 1942 года, в самый разгар Второй мировой войны.
В эпоху «холодной войны», когда начиная с 50-х годов XX века в глубинах Мирового океана начали противостоять друг другу гигантские атомные подводные флоты СССР и США, техника выслеживания субмарин еще более усовершенствовалась. К тому времени гидроакустическими станциями, опускаемыми под воду на тросах, обзавелись и вертолеты. А противолодочные самолеты стали сбрасывать гидроакустические буи, которые устанавливали шумы субмарин или отраженное их корпусами эхо от взрывов сбрасываемых теми же самолетами небольших глубинных бомб. Информация передавалась на борт самолета-охотника, где анализировалась, и по сигналам определялись координаты подлодки.
Мало того, в конце 50-х годов Соединенные Штаты пошли на огромные расходы, создав у побережья Атлантики и Тихого океана гигантские линии стационарных подводных гидрофонов. Звукоприемники соединялись кабелями с береговыми постами обработки сигналов.
Были разработаны специальные программы и процессоры, ставшие основой самых мощных в мире вычислительных комплексов. По характерному спектру сигнала компьютер может определить тип лодки, удаление до нее, ее скорость и курс.
Аналогичная компьютерная аппаратура только меньших размеров стала появляться и на борту самих субмарин. В результате созданный к началу 90-х годов прошлого века американский комплекс AN/UQQ-1 с буксируемыми антеннами способен уверенно обнаружить и классифицировать цель на дальности до 140 км, а в ряде случаев — и до 560 км!
Создатели субмарин ответили на это усовершенствованиями конструкции самих подлодок. Все силовые агрегаты субмарин стали размещать на шумопоглощающих фундаментах, широко применяли резинометаллические амортизаторы, упругие вставки в трубопроводах, а внешние корпуса подлодок начали укутывать в резиноподобные покрытия, слабо отражающие сигналы гидролокаторов.
Но главное внимание обратили на совершенствование винтов. Сейчас все подлодки оборудованы тихоходными винтами с саблевидными лопастями, работающими практически бесшумно. И поговаривают о том, что вскоре появятся субмарины вообще без винтов — с водометами или даже… неким подобием ласт и рыбьих плавников.
В итоге стационарные гидроакустические системы потеряли свою значимость и из-за снижения эффективности были законсервированы. Частично их стали использовать в научных целях, например, для прослушивания песен китов и иных звуков, издаваемых обитателями океана.
А для решения задач противолодочной обороны в США и других морских странах стали создавать быстроразвертываемые многоэлементные региональные системы освещения подводной обстановки (СОПО). Их доставляют на самолетах, надводных кораблях или подлодках в районы, где ожидаются боевые действия или маневры военно-морского флота потенциального противника. Датчики сбрасывают в море, подобно тем же гидробуям или донным минам, и они, затаившись в глубине, ловят малейшие шумы. Полученная информация передается на определенной частоте на заранее развернутые специальные антенны. Командный пункт СОПО производит анализ обстановки и с помощью космической связи передает все данные на командный пункт объединенного оперативного формирования.
Для наглядности добавим, что акустические излучатели типа LELFAS имеют длину около 3 м и внешне похожи на небольшие торпеды. Кстати, их можно выстреливать с помощью стандартного торпедного аппарата, а рассчитаны они на непрерывную работу в течение 30 суток.
Одна подлодка, имеющая на борту четыре комплекта антенн быстрого развертывания, способна перекрыть площадь более 2500 квадратных миль. А группа из трех кораблей, развернув подобную систему, а также имея на борту буксируемые излучатели для подсветки целей и противолодочные вертолеты, может в течение длительного времени контролировать акваторию общей площадью более 30 000 квадратных миль. И ни одна сколько-нибудь крупная подводная цель не останется в этом квадрате незамеченной.
Что же теперь — подводному флоту становится на прикол? Не скажите… Есть свои недостатки и у СОПО. Они способны эффективно работать лишь в том случае, если целей в районе относительно немного и они сами довольно крупных размеров. Но как отследить перемещение, скажем, обитателей целого рыбьего косяка, если рыбы, его составляющие, вдруг кинутся в разные стороны?
Между тем, именно так будут действовать, по прогнозам экспертов, подлодки в ближайшем будущем. К району, интересующему командование, будет послана большая подлодка-матка. Не приближаясь особо близко к кораблям противника, она выпустит с десяток автоматических субмарин поменьше. А те, словно матрешки, будут содержать в себе другие, еще меньшие субмарины-роботы, предназначенные для выполнения самых разных задач — от разведки до нанесения минно-торпедных ударов. И никакая СОПО пока не способна обнаружить подводные аппараты величиной с рыбу среднего размера, да еще закамуфлированную, скажем, под тунца. Так что остается пока гадать, какие средства противодействия будут придуманы против них.
ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Энергетика на уровне молекул
Для плеера или мобильного телефона нужны аккумуляторы. А какими должны быть источники питания для наноприборов, размеры которых в сотни и тысячи раз меньше? Одним из первых над подобным вопросом задумался Чжун Линь Ван — директор Центра исследования наноструктур Технологического института штата Джорджия.
Он отнюдь не новичок в наномире. В 1998 году он создал самые маленькие в мире нановесы, а в 2000 году — наноленты, о которых пойдет речь ниже.
«Сегодня мы начинаем создавать чрезвычайно малые устройства отбора энергии для мира наномасштабных систем, где размеры исчисляются миллиардными долями метра, — рассказал профессор Чжун Линь Ван. — Мы называем эти устройства наногенераторами и нанобатарейками. Поскольку наноустройства требуют очень мало энергии, то можно подумать и о таких наноисточниках, которые не потребуют периодической замены или подзарядки»…
Такие источники весьма пригодились бы, например, во вживляемых наносенсорах для непрерывного контроля уровня сахара в крови пациента-диабетика, в автономных датчиках, измеряющих механические напряжения в пролетах мостов и мачтах электропередачи или датчиках содержания токсичных веществ в воде и воздухе.
Подобные же источники энергии необходимы и для нанороботов, микроэлектромеханических систем (МЭМС) и во многих других случаях. И вот когда исследователи всерьез задумались над проблемой, выяснилось, что вокруг нас довольно много «бесплатных» источников энергии. Взять хотя бы нас с вами.
Человеческое тело постоянно нагрето до температуры 36,6 градуса Цельсия, что обычно на десятки градусов превышает температуру окружающей среды. Стало быть, наручные часы, те же вживляемые датчики, кардиостимуляторы, в принципе, могут работать на разности температур; нужно лишь использовать соответствующие термопары.
Датчики напряжений мачт электропередачи могут использовать в качестве источника питания случайные вибрации самой конструкции. Датчики движения на дорогах — колебания почвы от проезжающих автомобилей. Метеодатчики — разность температур грунта на поверхности и в глубине (температура грунта на глубине нескольких метров почти постоянна). Есть также предложения использовать в качестве источников энергии городской шум или звуки волн прибоя.
В конце 90-х годов прошлого века стали появляться и первые экзотические источники питания. Скажем, экспериментаторы Массачусетского технологического института разработали обувь на основе пьезоэлектрического эффекта. Человек шагает по улице и одновременно подзаряжает свой мобильник.
Еще один вариант — создание пьезоэлектрического вибрационного микрогенератора. В нем используется двухслойная консоль из цирконата-титаната свинца с грузиком на свободном конце, напоминающим ныряльщика на краю трамплина. При сотрясениях грузик раскачивается. При этом, когда консоль изгибается вниз, верхний пьезоэлектрический слой испытывает деформацию растяжения, а нижний — сжатия. В результате один слой получает положительный потенциал, а другой — отрицательный. При изгибе вверх процессы идут с противоположными знаками. А в итоге при колебании массы генерируется переменное напряжение.
Можно также использовать миниатюрные генераторы, главным элементом которых будет подвижный магнит или катушка. Подрагивая на пружине, такой индуктор опять-таки генерирует переменное электрическое напряжение.
Однако с уменьшением размеров подобных конструкций они работают все хуже. Грузик весом в микрограммы уже не столь подвержен воздействию сил гравитации, как, скажем, массивная гиря. Поэтому для создания наномасштабного генератора для питания автономных устройств необходим особый подход. Тогда профессор Чжун Линь Ван предложил использовать наноленты и нанопроволочки, которые получают путем спекания оксидов таких металлов, как цинк, при температурах от 900 до 1200 °C в особой инертной атмосфере.
При тщательном изучении оказалось, что нанопроволочки из оксида цинка представляют собой совершенные кристаллы в форме шестигранной призмы. И когда такие проволочки диаметром от 30 до 100 нм и длиной от 1 до 3 мкм изгибаются под действием внешних причин — случайных вибраций, сотрясений воздуха, — они, словно обычные пьезоэлементы, вырабатывают микроток.
Как мы уже говорили, не обходят вниманием исследователи и термоэлектрические генераторы, работа которых основана на использовании эффекта Зеебека; электродвижущая сила (ЭДС) возникает в контуре, состоящем из двух разнородных проводников, контакты между которыми имеют разные температуры. Эта ЭДС пропорциональна разности температур между местами контакта проводников. Основанные на этом принципе термопары широко применяют для измерения температур, а теперь могут использоваться и в качестве наноисточников энергии.
А.
В.
С.
Наконец, весьма интересным для исследователей оказался тот факт, что ряд не являющихся электроактивными в обычном состоянии материалов начинает проявлять неожиданные свойства при переходе к наноразмерам.
Так, скажем, оксид титана в обычном состоянии имеет весьма незначительное количество ионов лития при комнатной температуре. Однако при переходе в наносостояние ситуация изменяется кардинальным образом. При размере частиц около 15 нм наноструктурированный оксид титана можно использовать в качестве отрицательного электрода в литий-ионных аккумуляторах!
Очень перспективными источниками энергии для устройств с размерами порядка 10-9 — 10-8 м являются и водородные элементы. Так, например, в наноструктуре на основе углеродных нанотрубок с примесью титана оказалось очень удобно хранить водород, атомы которого могут составлять до 8 % от общей массы комплекса.
Конечно, наногенераторы вряд ли когда-нибудь станут постоянными источниками электроэнергии для наших жилищ; ведь даже для питания карманных фонариков их мощность слишком мала. Но системы нанопроволочек могут стать идеальными генераторами для устройств, от которых требуется лишь периодическая работа, например для медицинских сенсоров, которые должны собирать и передавать данные в течение одной секунды раз в минуту.
Возможно, в будущем наногенераторы будут преобразовывать энергию, которую теряем в нашей повседневной жизни, например, в результате изменений давления в автомобильной шине, шума и вибраций движущегося автомобиля и даже от давления ветра на стенки походной палатки.
Вообще количество малых источников энергии, которые нас окружают, неисчислимо. Вот, например, вы перелистнули страницу и… выработали при трении бумажных листов электричество, которого хватило бы на полчаса работы, например, датчика уровня сахара в крови.
НАНОБАТАРЕЙКИ
Профессор Корнеллского университета (США) Амит Лал по заказу DARPA — военного Агентства перспективных исследовательских проектов — создал нанобатарейку на основе радиоактивного изотопа никель-63. Размер ее с песчинку, то есть не более 1 куб. мм. Период радиоактивного полураспада изотопа составляет около 100 лет.
Как заявил профессор Лал, этот источник энергии не менее полувека сможет давать энергию для питания мобильного телефона, коммутатора или плеера.
Это не единственный источник такого рода. Профессор Квон Чжэ из университета Миссури изобрел атомную батарею размером с цент. Он полагает, что такой источник в миллионы раз эффективнее, чем современные химические источники, которые используются в мобильных телефонах. Что же касается радиоактивной опасности, то она, как полагает ученый, сильно преувеличена. Изотопные источники уже многие годы используются в медицине, на космических спутниках и подводных лодках и прекрасно себя зарекомендовали.
А в университете Тулса создана нанобатарейка толщиной всего 500 мкм. Такой источник, состоящий из 25 000 параллельно соединенных батарей, представляет собой диск, который по диаметру вдвое меньше копеечной монеты.
НОВАЯ ЖИЗНЬ СТАРЫХ ИДЕЙ
Возвращение паровика?
Паровые двигатели, казалось бы, остались в далеком прошлом. Но это не так.
Поделиться книгой: