Физика в бою

ИНФРАКРАСНЫЕ ПРИБОРЫ В КОСМОСЕ

Триста лет назад был произведен чрезвычайно простой эксперимент, последствия которого сейчас трудно переоценить. В 1666 г. Исаак Ньютон пропустил солнечный луч через призму и установил, что белый видимый свет неоднороден — он разлагался в спектр, игравший всеми цветами радуги. В 1800 г. английский астроном Вильям Гершель, открывший планету Уран, исследовал с помощью обычного ртутного термометра распределение энергии в солнечном спектре. Продвигая термометр от фиолетовой части спектра к красной, Гершель увидел, что столбик ртути поднимается все выше и выше. Вот термометр уже на самом краю солнечного спектра. Он освещен красными лучами и показывает максимальную температуру. Больше передвигать его некуда: спектр солнца обрывается, за красным концом — темнота…

Но Гершель продвинул термометр дальше, за красный участок, в темноту. Теперь ртуть ничем не освещалась. Можно было предположить, что термометр начнет остывать и ртутный столбик поползет вниз. Но что это? Столбик ртути повел себя, по меньшей мере, странно. Он не только не пошел вниз, но, наоборот, медленно пополз вверх, показывая, что какие-то лучи, не видимые простым глазом, продолжают нагревать его. Оказалось, что солнце испускает не только видимые глазом лучи, но и еще какие-то, на которые человеческий глаз не реагирует. Их назвали инфракрасными, т. е. лежащими за красным концом солнечного спектра.

Позже было установлено, что инфракрасные лучи отличаются от видимых только большей длиной волны. Принято считать, что видимый диапазон спектра лежит в пределах длин волн от 0,38 до 0,78 мк (1 мк = 0,001 мм). Глаз человека как бы выхватывает из всего многообразия электромагнитных колебаний именно этот участок спектра.

До каких же длин волн простирается инфракрасный спектр? На выяснение этого вопроса ушло еще более ста лет. С изобретением радио ученые начали штурмовать инфракрасный участок спектра не только с той стороны, где он соприкасается с видимыми лучами, но и с другой— со стороны радиоволн. Оказалось, что четкой границы между инфракрасными лучами и радиоволнами не существует: трудно заметить, где кончается один участок и начинается другой. Видимый диапазон спектра человек выделил субъективно, применительно к одному из своих органов чувств — глазу. Установить же границу между инфракрасным спектром и радиоволнами не удалось. Этим и объясняется тот факт, что в современной технической литературе нет единообразия в указании длинноволновой границы инфракрасного спектра. Называют числа 340, 350, 420 и даже 1 тыс. мк.

Условно считается, что инфракрасный диапазон спектра простирается от 0,78 до 340 мк. Практически же из всего инфракрасного спектра освоен лишь участок примерно от 0,78 до 200 мк. Более длинноволновое излучение используется в специальных научных исследованиях.

Сделаем вывод: инфракрасные лучи представляют собой электромагнитные колебания определенных длин волн; они распространяются, отражаются, поляризуются и интерферируют (взаимно усиливаются или ослабляются при их наложении друг на друга) точно так же, по тем же самым законам, что и электромагнитные колебания других диапазонов.

Как же получать, генерировать (создавать) инфракрасные лучи? Каждое тело, нагреваясь, начинает испускать все больше и больше видимых лучей. Кусок стали, например, при слабом нагреве светится вишневым светом, потом, по мере повышения температуры, его свечение становится оранжевым, желтым и, наконец, ослепительно бело-желтым, таким ярким, что глазам больно. Но нагретый предмет — мощный источник не только световых, но и инфракрасных лучей. Общая мощность излучения для реальных источников примерно пропорциональна их абсолютной температуре в четвертой степени. Напомним, что абсолютная температура в градусах Кельвина больше температуры в градусах Цельсия примерно на 273°. Выходит, что если увеличить абсолютную температуру источника в три раза, мощность его излучения возрастет в 81 раз, а при увеличении абсолютной температуры в 5 раз мощность излучения возрастет в 625 раз. Этот закон излучения нагретого тела применим с некоторыми поправками ко многим материалам и реальным объектам.

Итак, простейшие генераторы инфракрасных лучей — нагретые твердые тела. Интенсивность их излучения резко увеличивается с увеличением температуры. Следует сразу же оговориться, что источниками инфракрасного излучения могут быть не только твердые и жидкие тела, но и газы. Многие газы также увеличивают мощность инфракрасного излучения с увеличением температуры. Эта физическая закономерность, как мы увидим в дальнейшем, имеет большое прикладное значение и может быть использована в военном деле при решении исключительно важных задач.

Но какова же практическая ценность инфракрасных лучей? Почему они могут использоваться в военных целях? По многим причинам. Пожалуй, главная из них та, что инфракрасные лучи излучаются практически любыми военными объектами, независимо от того, освещены эти объекты или находятся в полной темноте. Если тело имеет температуру больше абсолютного нуля (—273 °C), то оно источник инфракрасного излучения. Большинство военных объектов — достаточно мощные источники инфракрасного излучения.

Таковы, например, современные реактивные самолеты— истребители и бомбардировщики — носители атомного оружия. Сопла их двигателей, раскаленные при работе до нескольких сот градусов, могут быть обнаружены с помощью инфракрасных систем за много километров от цели. Для борьбы с самолетами противника во многих странах созданы снаряды класса «воздух — воздух» с тепловыми головками самонаведения. Так, в США на вооружение приняты два самонаводящих снаряда с тепловыми головками самонаведения — «Сайдуиндер» и «Фолкон». Точность попадания в цель подобных систем можно проиллюстрировать следующим примером. При испытаниях ракет в качестве мишени используют не настоящий самолет-бомбардировщик, а телеуправляемую мишень в виде планера, на плоскость крыла которого устанавливают источник инфракрасного излучения — фару с лампой накаливания. Точность попадания самонаводящихся снарядов с тепловыми головками самонаведения настолько высока, что были случаи, когда ракета «Сайдуиндер» сбивала источник излучения на плоскости летающей мишени, а сама мишень оставалась при этих испытаниях неповрежденной.

Не менее мощные источники инфракрасного излучения и многие наземные объекты, особенно заводы и фабрики. Их обнаружение также возможно на больших расстояниях. В литературе приводятся данные о том, что с помощью инфракрасных систем можно получить изображения различных объектов в полной темноте. К таким объектам относятся производственные сооружения, элементы ландшафта земной поверхности, автомобили, морские суда. Известны многочисленные приборы для снятия так называемых тепловых карт местности по ее собственному тепловому излучению. Специфические возможности инфракрасных приборов и относительная простота их устройства при малом весе и потребляемой мощности приобретают особо важное значение в свете требований к современному оружию.

Однако инфракрасная техника имеет свои пределы. Хотя инфракрасное излучение проходит в условиях дымки через атмосферу значительно лучше, чем видимый свет (это связано с его длиной волны, большей по сравнению с размером рассеивающих частиц), через облака и туманы оно проникает не намного лучше, чем видимое. Таким образом, в условиях Земли инфракрасная техника не всепогодное средство. Пожалуй, это главный ее недостаток.

Другое дело космическое пространство. В печати отмечалось, что оно весьма благоприятно для применения инфракрасных приборов, так как здесь отсутствует ослабляющее излучение среды. Это позволяет более свободно выбирать спектральную область работы инфракрасных приборов. Образно можно сказать, что в космосе инфракрасные системы становятся «всепогодными», так как само понятие «погода» здесь отсутствует. Выходит, за пределами земной атмосферы могут быть принципиально реализуемы все преимущества инфракрасной техники: высокая разрешающая способность, простота устройства, малый вес, малые габариты по сравнению с аналогичными более громоздкими и мощными радиолокационными устройствами.

Прежде чем говорить о тех задачах, которые могут быть решены с помощью инфракрасной техники в космосе, остановимся коротко на физических принципах устройства некоторых описанных в зарубежной литературе типичных инфракрасных систем.

Каждая инфракрасная система конструируется для решения определенной задачи. Элементы системы выбираются так, чтобы получить оптимальные условия ее работы в данной спектральной области с максимальной чувствительностью, высокой разрешающей способностью, с учетом характеристик источника излучения, который нужно обнаружить, и вида информации, которую система должна выдавать.

Многие инфракрасные системы пассивные; иными словами, они только принимают излучения от цели. Такие устройства содержат следующие элементы: оптическую систему, приемник или чувствительный элемент, а также электронное устройство для усиления и логической обработки полученного сигнала. Оптические системы большинства инфракрасных устройств состоят из комбинаций линз, зеркал и фильтров и служат, главным образом, для того, чтобы собрать и сфокусировать на приемный элемент поток инфракрасного излучения, приходящий от цели. Наличие фильтров в оптической системе обусловливается необходимостью ограничить нежелательное влияние излучений фона или посторонних источников и тем самым выделить излучение цели.

Один из центральных элементов любой инфракрасной системы — приемник лучистой энергии или чувствительный элемент. Говоря о нем, следует подчеркнуть особую роль физики полупроводников и ее исключительное влияние на инфракрасную технику вообще и на военную инфракрасную технику в частности. В послевоенные годы развитие исследований в области физики твердого тела и полупроводников, а также возросшая роль научного, промышленного и военного применения инфракрасной техники привели к появлению разнообразных чувствительных элементов, область использования которых непрерывно расширяется. Но задача любого приемника инфракрасного излучения — преобразование энергии излучения в электрический сигнал.

Наиболее известные приемники инфракрасного излучения — полупроводниковые фотосопротивления, термоэлементы, болометры, термисторы, термостолбики. Многие из этих приемников работают при комнатной температуре. Некоторые имеют высокую чувствительность лишь при глубоком охлаждении. Рабочая температура многих инфракрасных приемников излучения достигает температуры жидкого азота (77°К), а порой и жидкого гелия (4°К). Таким образом, их применение связано со специфическими вопросами физики низких температур. Выбор приемника инфракрасного излучения производится так, чтобы получить наибольшую чувствительность устройства в заданной спектральной области.

Сигнал с выхода приемника обычно невелик. Для того чтобы извлечь из него информацию и использовать ее, необходимо усилить сигнал и преобразовать его. Это достигается с помощью специальных электронных систем, состоящих из предусилителей, усилителей, устройств формирования и декодирования импульсов, схем совпадения, обратных связей и других. Регистрирующие устройства инфракрасных систем различны. Они определяются целевым назначением самой системы. Для систем тепловой разведки местности регистрирующим устройством может быть электроннолучевая трубка, на которой создается изображение. Для самонаводящихся снарядов выходное устройство — рули управления. У многих систем выходным устройством служит электронное логическое устройство, преобразующее первоначальный сигнал в полезную информацию.

В последние годы зарубежные специалисты пытаются использовать инфракрасные системы и для таких целей, как обнаружение и уничтожение баллистических ракет и спутников в полете, для разведки наземных объектов из космоса по их инфракрасному излучению. Какие выгоды и преимущества, по их мнению, сулит применение инфракрасной техники для выполнения подобных задач?

Как известно, межконтинентальные баллистические ракеты имеют скорость полета, соизмеримую с первой космической скоростью, равной примерно 8 км/сек. Это обстоятельство делает непригодными для их перехвата обычные системы противовоздушной обороны, предназначенные для заблаговременного обнаружения самолетов. При противоракетной обороне дорога буквально каждая секунда. Но с помощью активного радиолокатора большой чувствительности, как считают зарубежные специалисты, можно обнаружить головную часть ракеты лишь примерно за 15 минут до ее падения. Это объясняется тем, что дальность действия активных радиолокаторов ограничена «радиолокационным горизонтом»: без учета искривления луча вследствие рефракции в атмосфере можно считать, что луч радиолокатора распространяется по касательной к поверхности Земли (рис. 16). Таким образом, при помощи активного радиолокатора во многих случаях невозможно обнаружить ракету непосредственно в момент ее запуска. При этом большой участок траектории ракеты остается вне поля обзора радиолокатора. Это значительно сокращает время на вычисление координат точки падения головной части и подготовку антиракеты для ее перехвата. Возникает необходимость создания систем для обнаружения баллистических ракет как можно ближе к точке старта.

В качестве примера попытки решения подобной задачи можно привести разработанный в США спутник раннего обнаружения баллистических ракет «Мидас», оснащенный инфракрасной аппаратурой. Первый запуск военного искусственного спутника «Мидас» был осуществлен 25 февраля 1960 г. После этого запуски спутников «Мидас» производились в течение ряда лет. Сообщалось, что с помощью искусственного спутника Земли «Мидас IV» была обнаружена по излучению факела двигателей специально запущенная с полигона мыса Канаверал (Кеннеди) ракета «Титан». Обнаружение произошло через 90 сек. после ее запуска на высоте 60 км над поверхностью Земли. По заявлениям иностранной печати, подобный спутник раннего обнаружения баллистических ракет якобы может обнаружить их через минуту после старта в любой точке земного шара, а слежение за ракетами со спутников возможно примерно в течение 5 мин., пока работают двигатели ракеты. Однако для боевого использования, по мнению зарубежных специалистов, должна быть создана целая система таких спутников, вращающихся вокруг Земли.

В тропосфере и стратосфере, где проходит активный участок траектории баллистической ракеты, всегда присутствуют водяные пары и углекислый газ. Они поглощают инфракрасные лучи неравномерно на различных длинах волн, т. е. селективно, избирательно. Поэтому атмосфера для некоторых длин волн как бы «абсолютно черный», непрозрачный фильтр.

Чувствительный элемент аппаратуры, установленный на спутниках «Мидас», например, не реагирует на излучение заводов, фабрик, пожаров, костров и других источников, расположенных «на дне» атмосферы, а также и на излучение самой ракеты до тех пор, пока она не вылетит выше плотных слоев атмосферы. Считают, что обнаружение ракеты будет происходить на высотах более 15 км.

Последние сообщения печати показывают, что американские специалисты продолжают вести разработки в целях усовершенствования спутниковой системы раннего обнаружения баллистических ракет. Для этого наряду с беспилотными спутниками они используют пилотируемые космические аппараты. Так, в декабре 1965 г. американские космонавты совершили групповой полет на космических кораблях «Джеминай-6» и «Джеминай-7». В программу полета наряду с другими экспериментами был включен опыт чисто военного характера, который Пентагоном был лицемерно назван «техническим экспериментом». Космонавты с помощью специальной бортовой инфракрасной аппаратуры, размещенной на космическом корабле, должны были измерить характеристики инфракрасного излучения факела двигателей межконтинентальной баллистической ракеты. С этой целью в момент пролета космонавтов над ракетной базой была запущена трехступенчатая межконтинентальная ракета «Минитмен». Ясно, что полученные во время этого эксперимента данные носят чисто военный характер и не имеют никакого отношения к мирному освоению космического пространства.

Большие средства ассигнуются агрессивными империалистическими кругами и на исследования, связанные с созданием инфракрасных систем для перехвата космических целей — как ракет, так и искусственных спутников. В печати сообщалось, что в принципе для уничтожения головных частей баллистических ракет в космическом пространстве могут быть использованы антиракеты, имеющие тепловые головки самонаведения.

Головная часть ракеты, входя в атмосферу, нагревается и становится мощным источником светового и инфракрасного излучения. Высота, на которой начинается нагрев головной части, не постоянна. Она зависит от скорости головной части на нисходящем участке траектории, от ее формы, теплоемкости и теплопроводности материала, из которого эта часть изготовлена, и других факторов.

В естественных условиях лишь нагрев метеоритов можно сравнить с нагревом головных частей баллистических ракет. Для ярких болидов высота возгорания равна примерно 90—135 км. Сила света крупных болидов оценивается в 10 миллиардов свечей, что примерно в 5—10 раз больше силы света мощных зенитных прожекторов. Для той точки тела, в которой скорость газа обращается в нуль, можно, пользуясь формулами газовой динамики, теоретически определить температуру заторможенного газа. При скоростях полета порядка 7 км/сек, характерных для скоростей полета головных частей ракет, запущенных на большие дальности, температура полного торможения газа составляет примерно 26 000°. Истинная температура торможения, правда, ниже теоретической; она составляет 20–70 % от температуры торможения, но по такому мощному источнику, яркость которого соизмерима с яркостью Солнца, возможно, как считают зарубежные специалисты, успешно применять антиракеты с тепловыми головками самонаведения.

В печати были опубликованы сведения о пробных запусках ракет с тепловыми головками самонаведения по космическим целям. Так, в октябре 1959 г. один из первых экспериментальных образцов ракеты «Скайболт» («Болд Орион») был запущен на высоте 10,7 км с самолета-бомбардировщика В-47. Ракета, оборудованная тепловой головкой самонаведения, была запущена с углом возвышения 45° и нацелена на искусственный спутник Земли «Эксплорер», двигавшийся в это время со скоростью 42 тыс. км/час. Согласно сообщениям, ракета прошла на расстоянии 6 км от спутника.

Это был один из первых зарубежных экспериментов по борьбе с космическими целями на больших высотах. Раздувая военную истерию, американские правящие круги уже сейчас ставят задачу разработки антиспутников, или, как их еще называют, спутников-перехватчиков, предназначенных для борьбы со спутниками противника. По одному из таких проектов — «Сейнт» — на борту спутника-перехватчика должны находиться всенаправленный радиолокатор, телевизионные установки, датчики инфракрасных лучей, приборы и оборудование для противодействия системам разведки, аппаратура связи и боевые заряды. Проектный вес всего комплекса аппаратуры спутника «Сейнт» около 2 тыс. кг. Помимо системы обнаружения в комплект аппаратуры должны входить блок памяти и цифровое электронно-вычислительное устройство. В блоке памяти еще перед запуском будут записаны параметры траекторий всех ранее запущенных спутников мирного назначения, включая и иностранные.

Действие спутника «Сейнт» его конструкторы описывают следующим образом. После вывода на орбиту включается вся бортовая аппаратура и обнаруживаются пролетающие рядом в определенной зоне спутники. На этом этапе могут использоваться наряду с другими и методы теплового обнаружения спутников по их инфракрасному излучению. Цифровое электронное счетно-решающее устройство по данным приборов обнаружения вычисляет траектории полета обнаруженных спутников и сравнивает их с теми, которые хранятся в блоке памяти. Если найденная траектория совпадает с одной из них, автоматически делается вывод о мирном назначении обнаруженного спутника и «этап инспектирования» оканчивается. Если же найденная траектория не совпадает ни с одной из хранящихся в блоке памяти, делается вывод о военном назначении обнаруженного спутника и начинается этап перехвата, который завершается либо уничтожением спутника путем подрыва в непосредственной близости от недостаточно мощного заряда, либо забрызгиванием объективов разведывательной аппаратуры специальными жидкостями, либо созданием помех радиоаппаратуре спутника.

Инфракрасные приборы на борту спутника-перехватчика могут использоваться и для его стабилизации, а еще — для обнаружения инспектируемых спутников по отраженному от них инфракрасному излучению Солнца, когда они находятся на освещенном участке траектории, или по собственному тепловому излучению спутников на участке траектории, проходящей в тени земного шара.

Собственное инфракрасное излучение спутника определяется температурой и оптическими свойствами его поверхности — коэффициентами поглощения и излучения. Кроме того, на тепловой режим спутника большое влияние оказывают внутренние источники тепла, основными из которых является его собственная аппаратура. Количество выделяемого тепла зависит от мощности этой аппаратуры и режима ее работы. В печати сообщалось, что практически для очень широкого класса спутников, сильно отличающихся между собой по толщине оболочки, аппаратурному оснащению и оптическим свойствам поверхности, температура, определяющая их инфракрасное излучение, лежит в пределах примерно от 170° К до 420° К. Таким образом, искусственные спутники Земли следует отнести к объектам со сравнительно низкой интенсивностью инфракрасного излучения. Несмотря на это, их обнаружение современными приборами инфракрасной техники, устанавливаемыми на противоракетных снарядах, является вполне реальной задачей.

Так, фирмой Мартин (США) изготовлен поисковый прибор для головок антиракет. По утверждению фирмы, прибором могут быть обнаружены предметы с очень низкой температурой. Зеркальная оптическая система этого инфракрасного устройства имеет диаметр 400 мм. Все элементы поискового прибора, включая зеркала, фотосопротивления и усилитель, могут вращаться как одно целое. Вес самого прибора 22,5 кг. Фокусное расстояние системы 300 мм, угол поля зрения 12°. При слежении за космической целью с площадью поверхности 1 м², температурой обшивки 250° К и коэффициентом излучения 0,5 устройство имеет максимальную дальность действия около 200 км.

Вполне понятно, что создание такого поискового прибора было бы невозможно без последних достижений физики. Приемником излучения здесь является фотосопротивление из германия, легированного цинком. Кстати, монокристалл германия относится к числу наиболее современных примесных фотосопротивлений. Добавка в кристалл определенных «примесей», таких, как золото, сурьма, кадмий, цинк и других, позволяет, как отмечалось в печати, сдвинуть чувствительность приемника в ту область инфракрасного спектра, в которой излучение низкотемпературных источников излучения — искусственных спутников Земли — максимально. Это область длин волн от 5 до 20 мк.

Обычно приемники инфракрасного излучения на основе кристалла германия работают только при очень сильном охлаждении. Так, германий, легированный золотом, охлаждается жидким азотом до температуры —196 °C, а германий, легированный цинком, требует охлаждения жидким гелием до температуры —268 °C. Приемники такого типа создаются за рубежом в виде монокристаллов германия длиной несколько миллиметров, помещенных в двойной сосуд Дюара. Во внутреннем сосуде, наполненном жидким гелием, размещается монокристалл. Весь этот сосуд Дюара помещается во второй сосуд, наполненный жидким азотом, что позволяет в течение более длительного времени предохранять от выкипания жидкий гелий во внутреннем сосуде.

По сообщению фирмы Мартин, прибор для головок антиракет может не только обнаружить искусственный спутник Земли по его собственному тепловому излучению, но и отличить излучение носовых конусов приближающихся межконтинентальных баллистических ракет от ложных целей, которыми, например, могут быть последние ступени ракет, летящие по траекториям, близким к траекториям головных частей.

Как считают зарубежные специалисты, важную роль в военной разведке, производимой со спутников, может играть наблюдение наземных целей в инфракрасных лучах. Однако они отмечают, что создание тепловой аппаратуры для разведки наземных целей встречает большие трудности. Здесь различают два основных вопроса: обнаружение объекта и его опознавание. Обнаружение объектов состоит в получении от них сигнала. Эту задачу в большинстве случаев считают технически разрешимой: чувствительность инфракрасных систем позволяет обнаруживать даже из космоса многочисленные источники инфракрасного излучения на поверхности Земли. Таким образом, главная трудность тепловой разведки состоит не в обнаружении, а в опознавании обнаруженного источника излучения.

По полученному на выходе чувствительного элемента электрическому сигналу надо определить, какой именно из наземных объектов (завод, лесной пожар, город или крупное строительство) обнаружен в данный момент инфракрасной системой. Следовательно, если для обнаружения источников инфракрасного излучения на поверхности Земли нужна лишь соответствующая чувствительность системы, для опознавания объектов нужно решить значительно более сложную задачу — установить однозначное соответствие между характеристиками теплового излучения объекта и его назначением. В некоторых случаях, как отмечается в иностранной печати, эта связь может быть определена достаточно просто, но для многих низкотемпературных объектов, расположенных на поверхности Земли, такая задача может оказаться неразрешимой.

Из рассмотренных примеров видно, что космос продолжает притягивать внимание военных специалистов империалистических государств. Все современные достижения физики и техники они неизменно «примеряют» к космосу, используя их в агрессивных целях. Это заставляет советский народ всегда быть начеку, всемерно укреплять обороноспособность своей Родины.