Покоренный электрон

Полет летучих мышей

Летучая мышь издавна интересовала натуралистов. Это очень странный зверек. Глаза у него крошечные, слабые; с такими глазками даже днем трудно что-либо разглядеть, а летучие мыши летают ночью, охотятся впотьмах, да еще как ловко охотятся! Черными стрелами носятся они меж ветвей деревьев или под стропилами крыш, на лету ловят комаров и ночных бабочек, и при этом ни разу не заденут крылом за ветку или за балку.

Если впустить летучую мышь в большой темный сарай, в котором по всем направлениям натянуты веревки, проволоки, понаставлены шесты и палки, то летучая мышь все равно будет носиться по сараю, удивительно легко и ловко огибая все препятствия.

Птицы так летать не могут. Воробей, выпущенный в комнате из клетки, прежде всего ринется к окну и, ударившись о стекло, расшибется. Летучая мышь в закрытое окно не полетит. Но если форточка будет открыта, мышь быстро найдет лазейку и шмыгнет в нее.

Натуралисты хотели узнать, каким органом чувств руководствуется летучая мышь в полете? Что помогает ей ориентироваться ночью и в весьма трудных условиях? Чтобы выяснить это, делали различные опыты. Нескольких летучих мышей ослепили и выпустили. Слепые мыши летели не хуже зрячих. Значит, в полете мышь «смотрит» не глазами.

Быть может она пользуется осязанием? Кончик носа и лапки летучей мыши покрыли лаком и отпустили ее. Мышь летала, как ни в чем не бывало.

Может быть, у летучих мышей важную роль играет обоняние? Липким пластырем заклеили мышам носы и отпустили, — полетели прекрасно!

Остается еще слух! Уши у летучих мышей отменно большие. Уже сама величина ушей показывает, что этот орган особо важен. Нескольким мышам залепили воском уши.

С заткнутыми ушами мыши стали летать плохо: одна ударилась о столб и разбила крыло, другая налетела на веревку.

Но как можно смотреть… ушами? Понятно, что на ночной охоте слух незаменим. Комар летит — звенит. Мышь слышит комариный писк и ловит комара. Но ведь веревки, палки, ветки, стекла не издают звуков! Мышь не может слышать веревку, натянутую в сарае, а все-таки огибает ее. При чем же тут слух? Это было неясно.

Единственное, чего не догадывались сделать ученые, — это заклеить мышам липким пластырем рты и посмотреть, как будут мыши летать с закрытыми ртами. Людям и в голову не могло прийти, что мышь может «освещать» дорогу голосом и «смотреть» ушами.

Опыты, которые ученые делали с летучими мышами в конце XVIII века, ни к чему не привели. Тайна полета мышей осталась тогда неразгаданной.

Только в недавнее время ученые нашли способ видеть и ориентироваться ночью в тумане не хуже летучих мышей и только недавно способ ориентировки этих ночных летунов стал нам понятен.

Открытие русского ученого

Летом 1897 года учебно-минный отряд Балтийского флота ушел на Транзундский рейд в Выборгском заливе, где обычно производили учебные стрельбы.

По уставу минный офицер, проводивший практические занятия, должен был докладывать в штаб отряда результаты каждой стрельбы. Он сообщал: какая мина благополучно всплыла после выстрела, какая утонула, за какой следует выслать шлюпку. Передать семафором все эти известия было затруднительно, поэтому связь решили организовать с помощью беспроволочного телеграфа.

На транспортном судне «Европа», с которого производились стрельбы, помощник А. С. Попова — Π. Н. Рыбкин установил передатчик, а на крейсере «Африка», где помещался штаб отряда, — приемник.

Крейсер 2 ранга «Африка» был очень удобным кораблем для опытов. Его огромные грот и фок-мачты не несли парусного такелажа. Это позволяло поднять антенну на большую высоту и увеличить дальность передачи до пяти километров.

Во время этих опытов А. С. Попов заметил новое и своеобразное явление. Каждый раз, когда между транспортом «Европа» и крейсером «Африка» проходил крейсер «Лейтенант Ильин», передача прерывалась. Приемная станция не слышала работы передатчика. Перерыв продолжался до тех пор, пока суда не сходили с одной линии. Крейсер «Лейтенант Ильин» заслонял собой передатчик. Он как бы «бросал тень» на приемную радиостанцию, и она переставала принимать донесения.

В своем отчете об опытах А. С. Попов правильно оценил огромное значение сделанного им открытия. Он предвидел, что оно со временем может стать необычайно полезным: «применение источников электромагнитных волн на маяках в добавление к световому или звуковому сигналам может сделать видимыми маяки в тумане и в бурную погоду… Направление маяка может быть приблизительно определено, пользуясь свойством мачт, снастей задерживать электромагнитную волну, так сказать, затенять ее».

А. С. Попов начал изучать замеченное явление. Два года спустя, на лекции для минных офицеров в Кронштадте, Попов показывал опыты, поясняющие, как отражаются электромагнитные колебания от металлических зеркал.

Преждевременная смерть прервала важные исследования ученого. Открытие радиотени и отражения электромагнитных волн от металлических предметов — радиоэхо — было на время забыто.

Явления «радиотени» и «радиоэха» были исследованы только в советское время академиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. Они выяснили, как распространяются радиоволны различной длины, нашли законы, по которым эти волны огибают препятствия и кривизну земной поверхности, в каких случаях они отражаются, а в каких поглощаются (рис. 93).

Рис. 93. Распространение длинных, коротких и ультракоротких сантиметровых волн. Ультракороткие волны распространяются по прямой линии, как свет.

Свет огибает те препятствия, размеры которых значительно меньше длины световой волны. Так же ведут себя и радиоволны. Но если свет «не замечает» препятствий в доли микрона, радиоволны легко огибают предметы в десятки метров, — ведь длина волны широковещательной станции измеряется сотнями метров. Поэтому трудно говорить о сходстве распространения длинных волн и света.

Но чем короче радиоволны, чем больше они похожи на световые. Метровые волны дают отчетливую тень от предмета в несколько метров величины, а параболическое зеркало диаметром в 10–12 метров сможет направить их узким, малорасходящимся пучком, похожим на луч прожектора. Чем короче радиоволны, тем легче их направлять в нужную сторону, и тем более мелкие предметы можно ими нащупывать, улавливая волны, отраженные или рассеянные этими предметами.

Основываясь на трудах Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси, а также на своих исследованиях, член-корреспондент Академии наук СССР Д. А. Рожанский и профессор Ю. Б. Кобзарев в 1932 году создали проект первого советского радиодальномера. Впоследствии радиодальномер усовершенствовали — появилась радиолокационная станция, определявшая местонахождение цели, то есть направление на цель и расстояние до нее.

Сигнал возвращается назад

Недавно ученые повторили старинный опыт с летучими мышами. В большом и темном сарае натянули множество веревок и проволок. Затем поймали несколько летучих мышей, но им не стали делать каких-либо операций, не выкалывали глаза, не отрезали уши, а просто залепили мастикой рты и отпустили.

Мыши летать на смогли. Они ударялись о натянутые в сарае веревки, потому что перестали их «видеть».

Оказалось, что мышь в полете издает неслышимые человеческим ухом звуки, так называемые ультразвуки. Человеческое ухо в состоянии слышать звуки, имеющие от 16 до 20 000 колебаний в секунду. Самые низкие звуки, какие только доступны нам, это гудение толстой струны контрабаса. Самый высокий слышимый звук — скрип стеклом по стеклу.

Летучая мышь издает в полете писк, недоступный для нашего уха, имеющий частоту 45 тысяч колебаний в секунду. Она посылает звуки короткими отрывистыми сигналами.

При взлете мышь попискивает 16 раз в секунду. В полете частота ее сигналов увеличивается до 30, а в трудных условиях полета среди натянутых веревок она попискивает 60 раз в секунду.

Рот у летучей мыши устроен рупором. Он направляет звук только вперед. Большие уши служат мышам приемником, которым они улавливают эхо своего писка, отраженного от стен и других препятствий. Звук распространяется в воздухе со скоростью 340 метров в секунду. Мышь летает со скоростью до 20 метров в секунду. Значит, она успевает послать сигнал и получить его отражение — эхо. В этом — секрет уверенного полета мыши. Мышь летит только туда, откуда нет эха, где нет никаких препятствий. Поэтому летучую мышь не обманывает прозрачное стекло, — она слышит эхо от стекла и не летит на него. Летучие мыши — живые локаторы. Мыши пользуются короткими звуковыми волнами, а в радиолокаторах используются очень короткие радиоволны.

Рис. 94. Летучая мышь.

Антенна коротковолновой радиолокационной станции имеет форму вогнутого прожекторного зеркала. Для уменьшения веса ее делают не из сплошных металлических листов, а решетчатой или сетчатой. Такая антенна посылает радиоволны не во все стороны, как широковещательная радиостанция, а узким лучом, подобно прожектеру.

Направление радиолуча можно изменять по желанию: поворачивать антенну, подымать ее или наклонять в любую сторону, как прожектор.

Если поток радиоволн не встретит на своем пути препятствий, то он уходит в межпланетное пространство. Если же встретится какой-либо предмет— корабль, самолет, скала, айсберг, здание, — радиолуч отразится от него и пойдет обратно. Этот отраженный радиосигнал улавливает приемник. Время, которое потратил сигнал на путешествие до цели и обратно, можно точно измерить.

Следовательно, направление на цель с помощью радиолокатора определяется довольно легко. Цель, например самолет или корабль, находится там, откуда вернулось эхо. Указателем направления служит антенна — она «смотрит» на цель. Если цель движущаяся, то. наблюдатель, поворачивая антенну или изменяя ее наклон, может неотступно следить за целью, как следят за самолетом прожектористы, когда его удается «поймать» лучом прожектора.

Современные радиолокационные станции указывают направление цели с точностью в несколько сотых долей градуса. Когда цель расположена примерно в 15 километрах от прибора, то ошибка по вине локаторов составит всего лишь около 10 метров.

Радиолокатор, как и летучая мышь в полете, посылает свои сигналы отдельными, отрывистыми импульсами. Длительность каждого импульса составляет несколько миллионных долей секунды. Передатчик обязан прерывать работу, чтобы приемник в паузах мог улавливать эхо, вернувшееся от цели. «Рот» должен молчать, когда «уши» слушают.

В первых радиолокаторах «рот» и «уши» помещались вдали друг от друга. Но так как передатчик и приемник все равно не могут работать одновременно, то такое разделение оказалось бесполезным, и приборы объединили. Антенна радиолокатора поочередно обслуживает то передатчик, то приемник.

Иногда антенну радиолокатора связывают с мощным световым прожектором; он зажигается по сигналу радиолокатора и направляет свой мощный световой поток прямо на неприятельский самолет, делая его видимым на фоне темного ночного неба.

Измерив время, потраченное сигналом на путешествие до цели и обратно, наблюдатель определяет расстояние до нее. Вычисления несложны: одна десятимиллионная доля секунды соответствует 15 метрам (за это время сигнал проходит 30 метров — 15 метров туда и 15 метров обратно).

Главная трудность заключается не в вычислениях, а именно в измерении необычно малых промежутков времени — миллионных и десятимиллионных долей секунды.

Измерение расстояний

Никакие часы, — ни астрономические с маятником, ни кварцевые эталоны частоты, не в состоянии здесь помочь. Задача осталась бы нерешенной, если бы не существовало электроннолучевой трубки.

Этот замечательный прибор стал в радиолокаторах счетчиком мельчайших долей секунды и одновременно вычислителем расстояний.

Известно, что вертикальные пластины в электроннолучевой трубке заставляют электронный пучок перемещаться в горизонтальном направлении. К этим пластинам в радиолокаторе присоединено пульсирующее напряжение. Оно постепенно и равномерно нарастает, а затем резко, мгновенно обрывается, — падает до нуля.

Под воздействием вертикальных пластин электронный луч очень быстро пробегает от левого края экрана до его правого края. Там он гаснет и в тот же миг снова начинает свой путь слева направо. Глаз видит на экране ровную горизонтальную линию.

Вторая пара пластин в электроннолучевой трубке управляет движением луча в вертикальном направлении. К этим пластинам присоединена антенна радиолокатора. Как только передатчик пошлет в антенну очередной импульс, на пластинах появляются мгновенные электрические заряды, и электронный луч отклоняется — подскакивает вверх. Глаз видит на горизонтальной светящейся линии, у ее левого конца, словно всплеск, — остроконечный зубец.

Спустя некоторое время антенна уловит радиоэхо, отраженное препятствием. В антенне снова возникнут электромагнитные колебания, и на управляющих пластинах опять появятся мгновенные электрические заряды.

Электронный луч вторично отклонится, а на горизонтальной линии образуется еще один всплеск — второй остроконечный зубец.

Так как сигналы быстро следуют друг за другом, а свечение экрана исчезает не сразу, то оба зубца — и от отправленного сигнала и от пойманного радиоэха — бывают видны на экране одновременно. Один — у левого конца горизонтальной линии, другой — правее его. Расстояние между зубцами соответствует времени, которое затратил сигнал на полет до цели и обратно. Если расстояние до цели увеличивается, зубцы расходятся. При приближении предмета — они сближаются.

Под горизонтальной линией на экране локатора нанесена шкала расстояний.

Глядя на шкалу и на всплески электронного луча, наблюдатель сразу отсчитывает расстояние до цели.

На рисунке изображен светящийся экран радиолокатора, имеющего дальность действия до 300 километров. Всплеск, получившийся от радиоэха, показывает, что до цели 140 километров (рис. 95).

Рис. 95. Экран радиолокатора.

Группа ученых, работавших под руководством профессора Ю. Б. Кобзарева, за создание радиолокационной аппаратуры была удостоена Сталинской премии первой степени.

Сквозь тьму и туман

В пушкинской сказке о «Золотом петушке» говорится:

Современная техника осуществила сказочную идею «Золотого петушка» и создала приборы более совершенные, чем предвидела народная фантазия.

При правильном выборе длины волны, работа радиолокатора не зависит от времени суток и погоды. Эти приборы «видят» ночью нисколько не хуже, чем днем. Они «видят» и в тумане, непроглядном, как молоко. Густые тучи, сплошные облака, клубы пыли, дымовая завеса или мгла, иногда застилающая горизонт, — для радиоволн прозрачны, почти как чистый воздух.

Все, что скрыто от глаз тьмой, расстоянием, туманом, дымом или пылью, благодаря радиолокаторам становится видимым.

Некоторые радиолокационные станции имеют вращающиеся антенны, и их радиолуч непрерывно обшаривает небо и землю, показывая наблюдателю план окружающей местности и все, что происходит над ней и на ней.

Вспомогательные электронные приборы сообщают не только направление и расстояние до цели, но и ее высоту над землей, скорость и направление ее движения. Такими радиолокаторами с экраном кругового обзора снабжают самолеты и морские суда.

Наконец, современная техника создала приборы еще более удивительные. Имеются, например, радиолокационные станции, которые не только замечают появление самолета или корабля, но и определяют, чей он — свой или чужой. Если чужой, они начинают следить за ним, одновременно приводя в действие артиллерийские приборы. Орудия, ведомые локатором, подымают и поворачивают свои жерла навстречу врагу. Они неотступно следуют за каждым его движением. Артиллеристу остается только нажать кнопку и в нужный момент открыть огонь, чтобы уничтожить противника.

Один из морских боев во второй мировой войне длился всего лишь 30 секунд: корабли противника были обнаружены радиолокационной станцией и молниеносно поражены огнем артиллерии главного калибра.

Зоркость радиолокаторов не уступает зоркости оптических приборов. Радиолокатор может заметить консервную банку, прыгающую на волнах в 10 километрах от станции.

В последние месяцы войны подводные лодки даже ночью с опаской всплывали на поверхность и делали это в случаях крайней необходимости. Для пополнения запасов свежего воздуха и перезарядки аккумуляторов они предпочитали подымать на поверхность трубу воздухопровода. Однако даже такие предосторожности не спасали немецкие подводные лодки.

Радиолокаторы «морских охотников» и гидросамолетов замечают перископ или конец воздухопровода, едва высунувшиеся из воды. Из 1174 подводных лодок, которыми располагала фашистская Германия, было обнаружено и уничтожено 785.

Радиолокационные станции бывают самых различных размеров. Одни из них весят десятки тонн и снабжены исполинскими антеннами, другие — немного больше чайного стакана.

Локаторы-лилипуты предназначены для снарядов зенитной артиллерии. Эти локаторы представляют собой маленькое чудо современной техники. Они помещаются в головке зенитного снаряда. В столь малом пространстве располагаются: передатчик, приемник, антенна, пять крошечных радиоламп, источники питания и другие детали радиолокационной станции.

Раньше зенитные снаряды, даже при очень меткой стрельбе, зачастую пролетали возле самолета, не причиняя ему никакого вреда. Подсчитано, что на каждый сбитый самолет тратилось до 5000 обычных зенитных снарядов.

Снаряд, снабженный радиолокационными взрывателями, не слеп: он «видит» цель и, оказавшись на расстоянии 15–20 метров от вражеского самолета, взрывается, поражая его осколками (рис. 96).

Рис. 96. Разрез радиовзрывателя зенитного снаряда.

Такими снарядами английская зенитная артиллерия в годы войны вела огонь по немецким самолетам-автоматам— «Фау-1». До применения «видящих» снарядов, из каждой сотни «Фау-1» удавалось сбить над морем 5–6. Снаряды, снабженные «радиоглазом», изменили это соотношение. Из сотни «Фау-1» Лондона достигали только 4–5, остальные уничтожались огнем зенитной артиллерии.

Первый «разговор» с Луной

В Советском Союзе радиолокаторы быстро нашли себе применение в народном хозяйстве. Они широко обслуживают морской и воздушный транспорт.

Теперь грузовой или пассажирский пароход идет в туманной мгле или ночью так же уверенно, как и в ясный солнечный день. Радиолокатор заранее предупреждает капитана о приближении встречного судна или айсберга, в тумане пересекающего путь корабля. Штурман не сетует на облака, скрывающие от него солнце и звезды и мешающие ему ориентироваться.

Радионавигационные приборы, принимая сигналы радиомаяков, позволяют уверенно вести корабль по заданному курсу. Радиорулевой управляет рулем, не позволяя кораблю «рыскать» и уклоняться в сторону. Радиокурсограф автоматически прокладывает на карте курс, отмечая положение корабля. Точность определения места корабля на расстоянии 2000 километров от радиомаяка весьма велика, ошибка не превышает 100–200 метров.

Когда корабль находится близ суши, радиолокаторы показывают панораму берега — скалы и рифы, прибрежные города и гавани (рис. 97).

Рис. 97. Экран кругового обзора. 1 — самолеты, 2 — кучевые облака, 3 — слоисто-кучевые облака, 4 — озера, 5 — крыши домиков, 6 — место наблюдателя, 7 — след газов от моторов самолета, на котором находится наблюдатель.

Летчик на самолете, снабженном радиолокатором с трубкой кругового обзора, сквозь густые облака видит землю под собой. Яркими ниточками светятся на экране железные дороги, сверкают металлические крыши зданий, темнеют ленточки рек и пятна озер. На экране видна карта местности, над которой летит самолет, и летчик без особого труда может ориентироваться. Благодаря радиолокации и радионавигации так называемый «слепой» полет стал «зрячим».

В короткой, но богатой событиями летописи радиолокации записано замечательное достижение. Вечером 10 января 1946 года, когда взошла Луна, радиосигнал, посланный человеческой рукой, ворвался в межпланетное пространство, достиг Луны и вернулся обратно, чтобы доложить о расстоянии, отделяющем Землю от ее соседа и спутника (рис. 98).

Рис. 98. Радиолокация Луны.

Способ радиосвязи с Луной и ближайшими к Земле планетами указали советские ученые Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси. Они же разработали приемы измерения межпланетных расстояний при помощи радиосигналов.

Первый опыт измерения расстояния до Луны показал могущество современной науки.

Когда настанет час старта первого космического корабля, его поведут сигналы астрорадиомаяков, и радиостанции Земли будут поддерживать с отважными путешественниками непрерывную связь.