Материал к уроку

Политика и физика … радиоволн

Что-то физики в почёте.
Что-то лирики в загоне...
Б. Слуцкий

Я ничего не понимал в науке, но я кое-что знал
об учёных и в качестве министра имел большой опыт
в обращении с тем, чего не понимал.
У. Черчилль

В ноябре 2009 г. исполнилось 125 лет Уинстону Черчиллю – выдающемуся политическому деятелю ХХ в. Он вошёл в политику при королеве Виктории и вышел в отставку с поста премьер-министра при нынешней королеве Елизавете II. Публицист (лауреат Нобелевской премии по литературе), художник-любитель, картины которого многие хотели получить в подарок, Черчилль, как это ни странно для современных молодых политиков, не избегал науки, в частности физики, – там, где это касалось, например, обороны страны. Не будучи, конечно, учёным, Черчилль посвятил немало страниц своих мемуаров, касающихся истории Второй мировой войны, вопросам овладения атомным оружием, развития авиации и флота, радиолокации. Можно сказать, что этот термин, радиолокация, и стал широко известным благодаря его публичным выступлениям.

Ниже приведено несколько фрагментов из воспоминаний Уинстона Черчилля, которые могут быть использованы для постановки простых вопросов о сущности радиолокации на уроках физики, тем более что работа с текстом, входящая в формат ЕГЭ, редко встречается на уроках.

Карта побережья Великобритании. Буквой А отмечены Дувр и мыс Орфорднесс. http://maps.google.ru

Фрагмент I. «Мысль о возможности использования радиоволн, отражаемых самолётами и другими металлическими предметами, в тридцатых годах пришла в голову, по-видимому, очень многим в Англии, Америке, Германии и Франции^*. Мы называли это радиолокацией, а аппаратуру радиолокации – радаром^**. В феврале 1935 года профессор Уотсон-Уотт, сотрудник правительственной научно-исследовательской организации, впервые объяснил технической подкомиссии (британского парламента. – М. Б.), что обнаружение местонахождения самолёта по отражаемым им радиоволнам может оказаться возможным, и предложил провести соответствующее испытание. Была учреждена специальная организация и создана для экспериментальных целей цепь радиолокационных станций в районе Дувра, Орфорднесса.

К 1939 году министерство авиации, используя сравнительно длинные радиоволны (10 м), построило так называемую береговую цепь радарных станций, которая позволяла обнаруживать самолёты, приближающиеся со стороны моря, на расстоянии до 60 миль (≈ 100 км) <...> мы и получали предостережение (об обнаружении приближающегося вражеского самолёта. – М. Б.) по меньшей мере за 15–20 минут. Под руководством маршала авиации Даудинга (истребительная авиация) была создана широко разветвлённая телефонная сеть, связывавшая все эти станции с центральной станцией в Аксбридже, где движение всех обнаруженных самолётов отмечалось на больших картах, что давало возможность управлять боевыми действиями наших военно-воздушных сил» [2].

 

Вопросы

1. Из каких материалов изготавливались самолёты в 20–30 гг. ХХ в.? Какие из них могли быть обнаружены радаром?
2. Найдите по карте месторасположение первых локаторов, определите расстояние между ними.
3. Какова частота электромагнитных колебаний, если длина волны 10 м?
4. Какова была скорость подлёта немецких самолётов?
5. Каким может быть максимальное число импульсов радиолокатора в 1 с при дальности обнаружения цели 100 км?
6. В эксперименте, проведённом в феврале 1935 г., после которого был сделан доклад в подкомиссии, упоминаемой Черчиллем, частота электромагнитных волн (ЭМВ), излучаемых радаром, была 6 МГц. Сравните длину волны радиолокатора с размахом крыльев немецкого самолёта Heinkel-111 (22,5 м) – вероятного объекта поиска радаром. Сделайте вывод.

 

Фрагмент II. «Предлагалось несколько методов направления бомбардировщиков к целям по радио... Мы сконструировали прибор, названный "Джи", при помощи которого радиоимпульсы посылались одновременно с трёх станций, расположенных на большом расстоянии друг от друга в Англии. Благодаря точному определению времени их приёма самолётом последний мог определять своё местонахождение с точностью до мили (1,6 км) <...> у "Джи" радиоволны <...> были слишком короткими для того, чтобы обогнуть земную поверхность. Поэтому его можно было использовать лишь не далее таких расстояний, как, скажем, 200 миль (≈ 320 км), при которых самолёт находился бы на высоте 25 тысяч футов (≈ 7,6 км)» [3].

 

Вопросы

1. Радары, стоявшие на вооружении во время Второй мировой войны, использовали электромагнитные волны метрового и сантиметрового диапазонов. Какие свойств ультракоротких волн (УКВ) используются в радиолокации? (Ответ. Отражение и прямолинейное распространение.)
2. Как называется явление огибания радиоволнами поверхности Земли? (Ответ. Дифракция длинных радиоволн вокруг Земли была впервые обнаружена Г.  Маркони. Рэлей писал в 1903 г.: «Замечательный успех Маркони при передаче через Атлантический океан говорит о более явном изгибании или дифракции вокруг Земли, нежели можно было ожидать, что придаёт интерес теоретической проблеме» [4].
3. Оцените, с какой минимальной точностью должно определяться время прихода сигнала, чтобы различить две цели, отстоящие друг от друга примерно на 1,5 км.
4. Качественно, сделав пояснительный рисунок, объясните, как будет меняться дальность обнаружения самолёта при уменьшении высоты полёта.
5. Рассчитайте теоретически дальность работы радара при высоте полёта 7,6 км. (Для сравнения: советский импульсный «радиоулавливатель» РУС-2 кругового обзора имел генератор мощностью 50 кВт, излучающий волны длиной волны 4 м. Передающая и приёмная станции с антеннами типа «волновой канал» собирались во вращающихся кузовах на шасси ГАЗ-АА, специальное устройство синхронизировало вращение. РУС-2 позволяла непрерывно определять дальность, азимут и скорость полёта цели. Дальность обнаружения – до 95 км при высоте цели 7500 м и 30 км при высоте 500 м, отображение информации – на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ), точность определения дальности 2–3 км. С осени 1942 г. РУС-2 и РУС-2с считались основным средством наведения истребителей ПВО, в этом качестве они зарекомендовали себя уже в Сталинграде [1].)

 

Фрагмент III. «Ещё в 1937 году профессор Линдеман подал мне мысль обратиться к исследовательскому комитету по вопросам противовоздушной обороны с весьма простым предложением. Оно заключалось в разбрасывании с воздуха станиоля или другого проводника, нарезанного полосками определённой длины, с таким расчётом, чтобы симулировать бомбардировщик на экранах неприятельского радара. Если наши самолёты сбросят целую тучу таких полосок, неприятельские истребители не будут в состоянии определить, где наши бомбардировщики, а где полоски станиоля. В дальнейшем эти последние получили название "Уиндоу" <...> Первое испытание "Уиндоу" было осуществлено во время налёта на Гамбург 24 июля 1943 года. Его результаты превзошли все ожидания. Перехваченные нами по радио ожесточенные споры между радистами германской наземной системы управления и пилотами истребительной авиации свидетельствовали о возникшей при этом путанице» [5].

 

Вопросы

1. Почему полоски станиоля, фольги должны были иметь определённые размеры, как указывал Черчилль? (Ответ. Возможно, чтобы избежать дифракции УК-волн. Кроме того, направленный луч радара рассеивался из-за диффузного характера отражения от облака фольги!)

 

Заключение. Не нужно думать, что можно всерьёз изложить на доступном школьникам языке даже самые «пионерские» достижения середины прошлого века в области радиолокации, но «закинуть удочку», намекнуть – очень полезно. Для школьников, владеющих английским языком, небезынтересен будет сайт The Radar Pages [6], в котором кроме истории и описания приведены характеристики многих радарных систем, сведённые в одну таблицу (см. фрагмент ниже). Эти первые радары образовывали цепь по всему побережью Великобритании во время Второй мировой войны, поэтому их условное обозначение было CH (Chain Home), а второй тип, позволявший обнаруживать низко летящие самолёты, – CHL (Chain Home Low).

Наземные радары типа AMES, использовавшиеся в Великобритании [6]

Тип	Назначение	Мощность, МВт	Длительность импульса, мкс	Частота следования импульсов, Гц	Частота ЭМВ, МГц	Примечание
1	Обнаружение высоко летящих целей	1	5–45	12,5; 25; 50	22,7–29,7	Значения приведены для поздних модификаций. Первые образцы имели выходную мощность 200 и 800 кВт, при частоте ЭМВ 42,5–50,5Мгц. Угловая высота заведомого обнаружения цели 1,5˚–16˚. Объекты с угловой высотой меньше 1˚ не могли быть обнаружены. Дальность обнаружения 120 миль (192 км)
2	Обнаружение низко летящих целей	0,150	3	400	200	При высоте антенны 200 фут (60 м) и высоте цели 500 фут (150 м) дальность обнаружения 110 миль (180 км). Угол захвата по горизонту 20˚

 

Вопросы

1. Пользуясь таблицей, определите:

– на каких длинах волн работали радары;

– сколько электромагнитных колебаний содержалось в одном импульсе;

– каково минимальное расстояние обнаружения цели для радаров обоих типов.

2. Считая, что нет огибания Земли волнами, определите максимальное расстояние, на котором радар второго типа может обнаружить цель. (Ответ. Возможный подход ясен из рисунка. Пусть высота антенны h, а высота полёта самолёта H, тогда максимальная дальность определяется касательным лучом. Общее расстояние L складывается из L₁ и L₂ и может быть рассчитано как

Подставляя числа, получаем:

Полученное число отличается от приведённого в таблице. При решении задачи считалось, что радары испускали лучи – узкие пучки электромагнитных волн. В действительности антеннами служили комбинации излучающих диполей, создававших сложную диаграмму направленности испускаемых волн. Кроме этого, в таблице приведены минимальные высоты обнаружения (150 м) и максимальные дальности обнаружения (180 км). очевидно, что при минимальной высоте дальность обнаружения меньше. Согласно [7] дальность обнаружения на высоте 100 м составляла около 100 км, если высота излучающих антенн составляла не 200 футов, как указано в приведённом фрагменте таблицы, а 360 футов, как указано в тексте [6]. если это так, то искомая величина составит свыше 80 км, что ближе к значению, указанному в [7].

Мемуары Черчилля отражают далеко не всю сложность и многогранность тех задач в области науки и техники, которые решались физиками и инженерами в последние предвоенные годы и в ходе самой войны по радиообнаружению, радионавигации самолётов, разработке атомного оружия, реактивных снарядов и т. п. Однако то, что он отводит этому десятки страниц, пишет о «войне учёных» наряду с описанием военных сражений, политических меморандумов, встреч в «верхах» далеко не случайно. В современной политике естественные науки – физика, химия, биология – занимают далеко не последнее место, однако нынче физики «не в почёте» в СМИ. Надеюсь, что этот «контрпример» с блестящим политиком, хотя представавшим чаще противником России, чем её союзником, будет полезен нынешним ученикам.

 

Литература

1. Семёнов Л. «Радиолокационное поле» боя [Электронный ресурс] //Вестник ПВО. URL: http://www.pvo.guns.ru.
2. Черчилль У. Вторая мировая война: в 3 кн. М. : Воениздат, 1991. Кн. 1. с. 79.
3. Черчилль У. Вторая мировая война. Кн. 2. с. 434.
4. Нобелевские лекции по физике 1901–1921/ Пер. с англ. М.: Успехи физ. наук; Ижевск: Ин-т компьютер. исслед., 2002. 415 с.
5. Черчилль У. Вторая мировая война Кн. 2. с. 487.
6. The Radar Pages [Электронный ресурс] URL: http://www.radarpages.co.uk.
7. Рыжов К. [Электронный ресурс]. 100 великих изобретений//Энциклопедия ламповой аппаратуры. 2005. Вып. № 451. URL: http://www.amradio.ru.

---

^* И в СССР, если говорить о юбилеях, в течение примерно 5 лет – с 1934 по 1939 гг. – разрабатывалась первая станция обнаружения самолётов, использующая электромагнитные волны РУС-1 [1], так что советской российской радиолокации тоже 70 лет!

^** Radio Detection and Ranging.