Юный техник, 2003 № 06

Как отметил генеральный комиссар и исполнительный директор выставки Магомет Мусаев, форум будет проходить с 12 по 19 июля в Москве. После этого научный экспресс переедет в Санкт-Петербург, где молодые ученые и изобретатели примут участие в праздновании 300-летнего юбилея города. Лучшие работы будут награждены дипломами и получат гранты для внедрения в производство.

МЮОННЫЙ «НЕВОД» создали специалисты Московского инженерно-физического института. Экспериментальный комплекс представляет собой сеть мюонных датчиков, которые позволяют регистрировать направление и скорость приходящих из космоса частиц. При этом на их характеристики, как показали эксперименты, в определенной степени влияют разного рода возмущения в верхних слоях атмосферы. Так что в распоряжении специалистов оказался хороший инструмент для фиксирования и оценки параметров разного рода атмосферных аномалий над столицей нашей страны.

ДЛЯ СБОРА НЕФТИ В МОРЕ специалистами НИИ «Башнипинефть» создан новый высокоэффективный материал. Называется он пламилон и представляет собой множество пластиковых микробаллончиков, наполненных сжатым азотом. Когда порошок пламилона рассеивают по водной поверхности, он очень быстро химически связывает нефтепродукты, превращая их в желеобразную густую массу, которую не так сложно вычерпать. Самого же реагента надо в 80 — 100 раз меньше, чем разлитой нефти.

ВПЕРВЫЕ ПО ЗАКАЗУ АКАДЕМИИ на орбиту выведен научно-исследовательский спутник «Можаец». Как говорит само его название, в создании этого аппарата самое непосредственное участие принимали преподаватели и слушатели Санкт-петербургской Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского. За основу ими был принят уже снятый с вооружения военный космический аппарат. Переделанный с учетом нового назначения, он способен оценивать воздействие космической радиации на радиоэлектронные системы и решать другие учебные задачи. Передаваемая им информация поступает непосредственно на приемную антенну академии. В космос учебный спутник был выведен бывшими выпускниками академии с космодрома Плесецк заодно с алжирским микроспутником «АлКат 1». Запуск коммерческого спутника позволил в значительной степени снизить стоимость вывода на орбиту и нашего спутника. Ведь у академии не так много денег, чтобы осуществить подобный запуск самостоятельно.

С ПОЛКИ АРХИВАРИУСА

Как ракета гонится за целью

Война всегда была соревнованием средств нападения и защиты. Еще перед Второй мировой войной Америка принялась за создание дальних высотных бомбардировщиков — «летающих крепостей». Каждая из них имела более десятка пушек и пулеметов, простреливавших все вокруг.

По замыслу конструктора, они должны были летать на такой высоте, где мотор истребителя уже задыхался от нехватки воздуха. Подобные машины имелись и у нас, и в Германии. Но выпускались в незначительном количестве. Например, Пе-8 мы сделали всего 79 штук, а немцы «летающие крепости» строили вообще экспериментально. Американцы же поставили их на поток, включив в это производство автомобильную фирму «Форд».

В результате на германские города совершали налеты целые тучи из сотен, даже тысяч самолетов. Они ходили сомкнутым строем, защищая друг друга стеной огня. И лучшие немецкие истребители зачастую просто не могли к ним приблизиться. От этих налетов сильно пострадали военные заводы. Но немецкие инженеры их рассредоточили и стали строить под землей в старых, брошенных шахтах.

В ответ на это Америка начала неограниченную воздушную войну против мирного населения Германии. Расчет был прост: новых заводов и машин можно построить сколько угодно, но без рабочих рук не сделаешь ничего. Так к 1944 году было уничтожено более полумиллиона мирных граждан.

Вот, пожалуй, потому Германия раньше всех стала работать над зенитными ракетами. Одной из первых была неуправляемая ракета «Тайфун».

Внешне похожая на снаряд от «Катюши» и таких же размеров, она поднималась на высоту 15 км. Достигалось это, во-первых, тем, что боевой заряд ее весил в 15 раз меньше, всего 0,5 кг. (Но при прямом попадании он уничтожал любой самолет.) Во-вторых, применялся жидкостный реактивный двигатель.

Топливо — эфир — заливалось прямо в корпус снаряда. Внутри его помещался бак с окислителем — азотной кислотой. Кроме того, имелся небольшой заряд пороха. Он зажигался при старте и своими газами выбрасывал эфир и кислоту в двигатель. Смешиваясь, они воспламенялись, и начинался полет.

Но в цель, летящую на большой высоте, попадала лишь одна ракета из десятков тысяч. Немцы сделали их более двух миллионов. Вот и подсчитайте, все вместе они могли сбить лишь 50 — 100 самолетов, а их, напомним, были тысячи. Это изменить ход войны не могло. Нужны были управляемые зенитные ракеты, которые с высокой вероятностью поражали бы цель. Но создать их было непросто.

Еще в 30-е годы прошлого века проводились опыты с управлением по радио авиамоделями и небольшими самолетами. Оказалось, что глаз оператора не может их точно направить на цель. На больших расстояниях он плохо оценивает, что ближе, а что дальше.

Для управления по радио самолетом-снарядом «Энциан» (рис. 1) применялась система из двух зенитных дальномеров — оптических приборов, как бы увеличивающих расстояние между глазами человека до нескольких метров.

Оператор у одного дальномера точно управлял перемещением снаряда по горизонтали, другой — по вертикали. Система могла работать лишь в ясный солнечный день, а потому широкого применения не нашла.

Надо признать, что в области ракетостроения немцы смотрели очень далеко вперед и обогнали весь мир на много лет. Не случайно американские космонавты были доставлены на Луну ракетами, которые создал немецкий инженер Вернер фон Браун, автор знаменитой «Фау-2» (А-4), наводившей ужас на англичан во время Второй мировой войны, и зенитной ракеты «Вассерфаль» (рис. 2). Она достигала высоты 18 км, развивала скорость 2800 км/ч и поражала цель на расстоянии до 48 км.

На рисунке 3 приведена ее схема. Топливом, как это ни удивительно, служил жидкий… винил. Он был взят из-за высокой плотности и низкой температуры горения, что позволило заметно уменьшить размеры и вес ракеты. Окислитель — азотная кислота. Подавались они давлением сжатого азота. Для увеличения дальности полета в плотных слоях атмосферы ракета имела небольшие крылья.

Управляли ее полетом сложные системы. Автопилот постоянно вел ракету строго по заданной ему в данный момент прямой. Ни ветер, ни случайные сбои в работе рулей направления не могли ее с этого курса сбить. Но сам курс не был постоянным. Его по мере надобности изменяла система самонаведения, ведущая погоню за целью. Вот как она работала.

Самолет противника облучали с земли пучком волн радиолокатора. Поскольку волны от самолета отражались, он и сам становился источником радиоволн. Оставалось лишь его запеленговать и навести ракету. Простейший радиопеленгатор — это радиоприемник с ферритовой антенной. Она хорошо принимает сигналы лишь с определенного направления. Вот этим свойством и воспользовались конструкторы ракеты «Вассерфаль».

Рис. З. 1 — радиопеленгатор; 2 — азот; 3 — винил; 4 — азотная кислота; 5 — двигатель; 6 — рули.

У них был особый приемник-радиопеленгатор с парой вращающихся антенн, который очень точно определял направление на источник радиоволн. Но из-за общей медлительности всей системы вывести ракету на прямой контакт с целью не удавалось. Поэтому применялся еще специальный взрыватель с собственным радиолокатором, который подрывал ракету за несколько метров от цели. Потому заряд пришлось увеличить до 60 кг. Самолет, на который шла такая ракета, был обречен. Однако «Вассерфаль» не спасла Германию. Во-первых, она появилась слишком поздно, во-вторых, дорого стоила, в-третьих, в самом принципе управления ею крылся серьезный недостаток. Дело в том, что с момента пуска ракеты локатор должен был постоянно отслеживать цель и больше ничем не заниматься. Это затрудняло отражение массированных налетов.

Зенитчикам требовалась ракета, которую можно было бы выпустить и забыть. Для этого уже после войны на ракеты начали ставить автономные радиолокаторы (рис. 4).

Рис. 4

Это помогло. Но настоящим прорывом в совершенствовании ракет стало понимание того, что локатор не нужен вовсе. И в самом деле, зачем «подсвечивать» самолет радиоволнами, если он сам — мощнейший источник электромагнитных волн с длиной от 0,8 до 100 микрон. Это длины волн инфракрасного теплового излучения его двигателей. Так нельзя ли заставить ракету наводиться на самолет по его собственному излучению?

Ответ на этот вопрос искали почти сорок лет.

Еще задолго до войны была предложена очень простая схема теплового самонаведения, состоявшая из линзы и двух пар фотоэлементов, чувствительных к инфракрасному излучению. Они через усилители и электромоторы управляли рулями ракеты (рис. 5).

В зависимости от того, на какой из фотоэлементов попадало излучение, рули поворачивали ракету в нужную сторону так, чтобы изображение цели оказывалось между фотоэлементами. Это означало, что ракета идет прямо на цель.

Казалось бы, все здорово. Но представьте себе, что ракету сильно качнул ветер или самолет резко ушел в сторону. Его изображение окажется где-то сбоку, и система из четырех фотоэлементов его потеряет. Ракета не попадет в цель.

Поэтому реальные головки теплового самонаведения гораздо сложнее. Вначале их оснащали электромеханическими устройствами для поиска цели.

Вот схема одного из них (рис. 6).

Рис. 6

Перед фотоэлементом ставили два вращающихся диска. Один имел спиральную прорезь, другой — прямоугольную. На их пересечении получалось окошко, которое «шарило» по всему небу. Кроме того, диски при каждом обороте замыкали контакт. Когда в окошко попадала цель, на фотоэлементе возникал импульс. По разности времени между появлением этого импульса и моментом замыкания контакта вычислялись координаты цели, и автопилоты получали команды на поворот ракеты. Такая головка теплового самонаведения стояла на немецкой зенитной ракете «Рейнтохтер» (рис. 7).

Она захватывала цель на расстоянии 3 км, однако была медлительной, недостаточно чувствительной и точной. На подходе могла терять цель. После войны появились более совершенные и гораздо более сложные механические устройства.

Но в конце 60-х годов возникла микроэлектроника и механические системы самонаведения заменили электронными. Вообще-то они были гораздо сложнее механических, но зато в сотни раз легче и дешевле в производстве.

В основе их мозаичные фотоэлементы. Это крохотная пластинка германия или кремния, на которой размещено несколько сотен чувствительных к тепловому излучению фотоэлементов. На этой пластинке объектив головки самонаведения создает изображение цели. Где бы оно ни оказалось, логическая система легко определит, как нужно повернуть рули ракеты.

Такое устройство положено в основу советской ракеты «Стрела» и американского «Стингера». Их запускает солдат с плеча при помощи легкой безоткатной пушки.

Для этого он включает электронику ракеты и начинает ловить цель, например, вертолет, в перекрестье прицела. В то же время начинает «смотреть во все глаза» и головка самонаведения. Заметив тепловое излучение двигателя вертолета, она подает сигнал. Остается лишь нажать курок. Взрыв порохового заряда сообщает ракете первоначальный импульс, а далее на безопасном для стрелка расстоянии включается ее двигатель. Ракеты «Стрела» широко применялись при освобождении Юга Вьетнама.

Для головок теплового самонаведения происхождение теплового излучения безразлично. Они могут наводиться и на излучение двигателей танков. На этой основе созданы кассетные снаряды и авиабомбы, начиненные крохотными самонаводящимися сегментами с кумулятивными зарядами. Снаряд взрывается на небольшой высоте, и каждый вылетающий из него сегмент начинает искать свой танк. Он поражает его сверху, где броня наименее крепка. Тяжелая авиабомба может содержать сотни таких сегментов. Ее одной было бы достаточно, чтобы выиграть сражение на Курской дуге…

Но мы, если помните, начали разговор с того, что война во все времена была соревнованием средств нападения и защиты. Еще до появления самонаводящихся ракет инженерам пришлось задуматься, как теперь защищать самолеты, вертолеты и танки. Что они изобрели — тема очередной статьи.

А.ИЛЬИН

Рисунки автора

УДИВИТЕЛЬНО, НО ФАКТ!

Рыбий «телефон»…

…позволяет транслировать звуки за тысячи километров

«Нем как рыба», — говорили когда-то. Теперь известно, что океан полон звуков. Свистят и хрюкают дельфины, «поют» киты-полосатики, ворчат рыбы, щелкают клешнями креветки и омары… А время от времени исследователям удается услыхать и вообще какие-то неведомые звуки…

Впервые о «звуках моря» заговорили всерьез во время Второй мировой войны. Громкий треск, похожий на стрельбу, издаваемый раками-щелкунами, сильно затруднял работу «слухачей гидроакустиков, выслеживавших в морских глубинах субмарины противника. Пришлось специально разбираться, какие звуки издают обитатели моря, а какие — созданная человеком техника. Это оказалось не так уж просто, поскольку, например, японцы сконструировали мини-подлодку-торпеду с таким расчетом, чтобы шум ее винтов как можно больше походил на звуки, издаваемые косяком рыб.

После войны специалисты противоборствующих флотов, в первую очередь СССР и США, продолжали совершенствовать устройства, позволявшие за многие десятки, а то и сотни миль расслышать шум винтов атомных субмарин или надводных кораблей потенциального противника.

Нашим исследователям под руководством академика Леонида Бреховских удалось даже обнаружить подводные каналы-волноводы, по которым звук может распространяться от берега до берега через весь океан, за многие тысячи километров.

Обычно такие каналы находятся на глубине от нескольких сот метров до километра с небольшим. Природные волноводы образуются между слоями воды с различной соленостью, а значит, и плотностью. Звук последовательно отражается от «пола» и «потолка» такого волновода и распространяется очень далеко.

Этим обстоятельством стали пользоваться командиры атомных субмарин для переговоров между собой или с берегом. А чтобы прослушать переговоры вероятного противника, проследить маршруты передвижений его подлодок, в воде было размещено множество станций-гидролокаторов.

Со временем гидролокаторами-сонарами системы SOSUS (Sound Surveillance System — «система слежения за звуками») стали пользоваться и ученые-океанологи. И оказалось, что время от времени из морских глубин доносятся совершенно невероятные, загадочные звуки, источника которых никто не знает.

Чтобы хоть как-то различать их между собой, звукам этим стали давать своеобразные обозначения-клички: Carpenter («плотник» — он был похож на стук молотка или топора), Boeing (звук авиационных двигателей), Whistle («свист») и т. д.

По словам главного научного сотрудника Института океанологии РАН Кира Несиса, часть этих звуков со временем удалось идентифицировать. Так, в середине 90-х годов прошлого века американцы совместно с французами и таитянами установили, что источником звука Upsweep («подъем») был подводный вулкан, в конце конце приведший к образованию нового острова. Затем американец Э.Окап обнаружил, что звук Slowdown («торможение») исходил от гигантского антарктического айсберга, раздвигавшего воду с шумом авианосца, идущего полным ходом.

Тем не менее, далеко не все звуки еще разгаданы. Как сообщил журнал New Scientist, последнее время исследователей больше всего донимает звук Bloop. Таким термином диск-жокеи обозначают щелчки, доносящиеся из динамика, когда звукоснимающая головка магнитофона попадает на место склейки магнитной ленты.

Однако судя по интенсивности звука, океанский «магнитофон» должен быть размерами с небоскреб средних размеров. Ведь в 1997 году, например, звук этот удалось зафиксировать на расстоянии в 3000 миль от его возможного источника.

Перебрав всевозможные причины, могущие привести к появлению такого звука, зарубежные океанологи пришли к выводу, что, возможно, эти щелчки издают своими клювами супергигантские кальмары. Говорят, в морских глубинах водятся такие громадины, которые в Средние века могли утопить целый галеон. Да и ныне эхолоты время от времени ловят в глубине отметки от каких-то объектов размерами с атомную субмарину. Хотя точно известно, что никаких подлодок в данном районе нет. Да и редко какая из них может нырять глубже километра. Неведомый же объект перемещался на глубинах в несколько тысяч метров.

Впрочем, наши специалисты относятся к подобной версии с недоверием, считая, что даже кальмары-громадины вряд ли способны щелкать клювами столь громко. Так что источник загадочного звука остается неопознанным. Может, вы предложите свою гипотезу?

В.ЧЕРНОВ

Не слышно шума городского…

На это открытие испанского физика Франциско Месегуэра из Мадридского института материаловедения натолкнул случай. Прогуливаясь как-то после работы по улицам испанской столицы, он обратил внимание на скульптуры Эусебио Семпере. Не то чтобы творения авангардиста ему уж очень понравились. Исследователь заметил, что поблизости от них городской шум заметно стихает. Почему?

Пытаясь ответить на этот вопрос, ученый обратился к научной литературе. И обратил внимание, что городские скульптуры внешне несколько напоминают так называемые фотонные кристаллы, созданные в 80-е годы XX века для управления светом. Самый простой такой кристалл: микроскопические бусинки стекла, выстроенные в некое подобие кристаллической решетки.

«А что, если скульптор случайно создал нечто вроде акустического кристалла?» Этой догадкой Месегуэр поделился со своим коллегой, экспертом по акустике из Политехнического университета Валенсии Хайме Линаресом. И исследователи вскоре пришли к заключению: если фотонные структуры увеличить до сантиметровых размеров — а именно такую длину волны имеет звук, — можно действительно получить акустический аналог светового кристалла. Внутри его, предположили ученые, звуковые волны должны взаимодействовать друг с другом и затухать.

Однако экспериментальная проверка с участием одной из скульптур, состоявшей из набора полых металлических цилиндров разной длины, поначалу не увенчалась успехом. Лишь когда экспериментаторы попросили у скульптора разрешения поэкспериментировать с самой большой из его композиций — из трехметровых труб, — им удалось обнаружить, что композиция действительно блокирует звук.

Однако и этот «кристалл» оказался далек от совершенства.

Тогда ученые решили создать собственную скульптуру-шумоглушитель. Соорудили каркас, украсили его свисающими цилиндрами из нержавеющей стали или дерева… И обнаружили, что такая структура сильно подавляет звуковые волны в слышимом диапазоне спектра, на частотах от 1400 до 1700 герц.