Становление

Глава 10

Так что работы по РЛС начались, и я периодически заходил поинтересоваться — как там идут дела. Дела шли странно. Если с ламповиками все было привычно, то антенщики занимались чем-то странным. Я-то ожидал увидеть какие-то параболические изогнутые решетчатые поверхности, а увидел в мастерских набор металлических трубок и штырей — продольных, поперечных им, у которых тоже были поперечные, но еще короче.

Что за черт?

Мне объяснили. Оказывается, это были антенны из штыревых элементов.

— А параболические?

— А параболические для метровых волн не особо подходят. Их будем применять для дециметровых и сантиметровых, да и то еще посмотрим…

— И как все это работает? В параболических-то луч падает на поверхность отражателя — и вперед… угол падения равен углу отражения и так далее… А здесь?

— А здесь… — и далее мне на полчаса закатили лекцию об основах распространения радиоволн и радиолокации. Оказавшуюся очень интересной.

Оказывается, штыревые антенны, или, как их называют, антенны на вибраторах, работают на другом принципе, нежели параболические — на интерференции. Как я понял из объяснений, формирование диаграмм направленности таких антенн основано на сложении фаз. И в РЛС применяются симметричные вибраторы — два провода, штыря или трубки, расположенных в одну линию, то есть их оси совпадают, но не соединенных между собой, и на расположенные по центру концы которых подаются сигналы с генератора — скажем, на левую трубку с одного разъема, на правую — с другого. Такая вот электрически незамкнутая система — она замыкается именно через свое излучение. Переменные токи, подводящиеся к такому излучателю, отражаются от открытого — незамкнутого — конца и образуют стоячие волны. При подборе длины излучателя пропорционально целой части четверти длины волны генератора, в нем образуются стоячие волны, которые и излучают электромагнитные волны. То есть каждый элементарный участок этих излучателей излучает одну фазу при прохождении через них электрического тока от генератора — излучает электромагнитную волну. И, так как ток проходит через участок в какой-то фазе, то и излучать волну он будет в какой-то фазе. Причем эта фаза отлична от фазы излучения соседнего участка. Но, так как вибраторы симметричные, то на соседнем излучателе на таком же расстоянии от центрального конца будет расположен другой участок, который также излучает волну в той же фазе проходящего через него тока. Потому и вибраторы — симметричные. И вот излучение таких симметричных участков одного и другого излучателя и даст общую интерференционную картинку этих двух участков, а совокупность излучения всех участков — общую картину излучения всего вибратора.

И картинка излучения одного вибратора будет зависеть от соотношения длины плеча — длины одного излучателя — и длины волны. Например, если взять симметричный вибратор длиной в полволны, то есть длина каждого плеча будет равна половине длины волны, то в нем установятся полуволны одного направления. Соответственно, каждая пара симметричных участков будет излучать в одной и той же фазе. То есть в направлении, перпендикулярном оси вибратора, излучение будет максимально — фазы излучения сложатся и усилят друг друга. Если же брать направления под углом к этой линии, то излучение одного провода с какого-либо его участка будет уменьшаться излучением симметричного ему участка — ведь излучение второго участка отстает от излучения первого — второй волне надо будет пройти большее расстояние. И чем ближе будет рассматриваемое направление к оси вибратора, тем значительнее будет это ослабление — пока излучение участка со второго вибратора доберется до симметричного ему участка первого вибратора, этот участок излучает волну уже в противофазе — вот они взаимно и "уничтожаются". Так что, рассмотрев по кругу все направления излучения, получим диаграмму направленности в виде восьмерки, чьи окружности будут прилегать к середине вибратора. Сама диаграмма направленности будет иметь раскрытие в 78 градусов — это угол между прямыми, выходящими из центра вибратора по касательной к краям любой из двух окружностей "восьмерки". Но это для полуволнового вибратора. Для вибраторов с другим соотношением длины плеча и длины волны получим другие диаграммы, так как в них излучение симметричных участков будет идти в других соотношениях фаз. В том числе у них появляются не только основные лепестки, но и боковые.

То есть уже одним вибратором можно создать антенну РЛС, так как им можно получить какое-то направленное излучение, а, следовательно, можно определить и направление на отраженный от цели сигнал. Но конструкторы идут еще дальше.

Они создают сложные антенны, но на том же принципе наложения излучений, только уже от нескольких вибраторов. Так, если взять два вибратора и расположить их параллельно на некотором расстоянии друг от друга, их излучения будут также складываться, в результате получим какое-то общее поле излучения. Форма этого поля будет зависеть от вида самих вибраторов — четвертьволновых, полуволновых, три четверти волновых и так далее; расстояния между вибраторами и соотношением фаз, подаваемых на них. Меня буквально очаровала та простота, которой можно было образовывать нужную форму излучения путем простого подбора длин и расстояний. Конечно, это была кажущаяся простота, на самом деле там было много тонкостей и нюансов, но вот сам способ, сама возможность управлять невидимым излучением путем видимой перестановки вполне осязаемых предметов — это было сродни волшебству.

Возвращаясь к нашей системе из двух вибраторов, если, например, полуволновые вибраторы расположены на расстоянии тоже полволны друг от друга, то в направлении плоскости, в которой они расположены, их излучение будет гасить друг друга, так как когда от первого вибратора туда идет максимум, от второго туда же идет минимум. А в направлении, перпендикулярном их плоскости, излучение, наоборот, будет удваиваться, так как когда первый вибратор излучает туда максимум, то и второй излучает туда максимум. То есть из двух восьмерок двух отдельных вибраторов получаем одну восьмерку системы из двух вибраторов.

Но такая диаграмма получится, если подавать на них сигналы в одинаковой фазе. А ведь фазами тоже можно поиграть. Так, если же на один из вибраторов подать сигнал, сдвинутый по фазе на сто восемьдесят градусов, то есть противоположный, то диаграмма излучения развернется, и теперь излучение будет идти вдоль оси системы двух вибраторов — когда один вибратор излучает вдоль оси, его сигнал пройдет полволны до второго вибратора и дойдет до него как раз в тот момент, когда тот также начнет излучать этот же сигнал — по фазе-то он отстает, и это отставание будет компенсировано расстоянием между вибраторами как раз в полволны. Соответственно, их сигналы сложатся, и вдоль плоскости системы пойдет удвоенный сигнал. А поперек, соответственно, излучения не будет (пока берем вибраторы без боковых лепестков) — пока один излучает туда максимум, второй будет излучать туда минимум — противоположные сигналы уничтожат друг друга. Так, меняя фазы на вибраторах, можно менять направление диаграммы излучения. Например, если подавать сигналы с разницей в девяносто градусов на вибраторы, расположенные на расстоянии в четверть волны, получим уже однонаправленную диаграмму, правда, пока более широкую, чем отдельный лепесток восьмерки из предыдущих вариантов. Но факт то, что играясь видами излучателей, соотношениями фаз и расстояниями между излучателями, можно получать совершенно разные диаграммы направленности.

Но это самый простой случай — с двумя вибраторами. Тут усиление и острота диаграммы направленности еще не такие большие по сравнению с одним вибратором. Гораздо больший выигрыш дает система из нескольких вибраторов. Собственно, чем больше вибраторов — тем лучше. Направленность излучения и коэффициент усиления возрастают пропорционально количеству вибраторов. Поставим четыре вибратора — коэффициент направленного действия и коэффициент направленного усиления возрастут в четыре раза по сравнению с одним вибратором, поставим восемь — в восемь. И такие синфазные антенны мне показывали — это были массивные сооружения с несколькими этажами излучателей и по горизонтали, и по вертикали, и вперед от рефлекторов, гасивших задний лепесток. Вот только перенастраивать ее было уж очень сложно — поди подай в каждый из вибраторов правильную фазу сигнала — это ведь и тянуть провод, и согласовывать его волновое сопротивление… Мороки просто море. А перейти на другую рабочую частоту — так лучше повеситься. То ли дело — милые моему сердцу антенны "Волновой канал".

Я когда их увидел в первый раз, чуть не спросил про телевидение — хорошо, вовремя опомнился — ну откуда тут сейчас телевидение? А так — видели, наверное, конструкции с закрепленными на длинной трубке поперечными стержнями или трубками. Это Он — Волновой Канал. Уххх… чуть не прослезился, насколько тогда повеяло родным, современным…

Но меня поспешили расстроить.

— Нет, эти уже для дециметровых волн, а для метровых антенны будут по-больше… раза в три, или даже пять. Вон они.

Вдалеке как раз устанавливали растяжки для довольно большой конструкции — наверху решетчатой фермы высотой метров десять горизонтально располагался длинный — метров десять — шест, на котором, перпендикулярно ему, через метр-полтора шли палки длиной метра по три — всего штук семь наверное. Все это стягивалось в устойчивую конструкцию растяжками (я тут же вспомнил про дельтапланы — не забыть бы) — получалась ажурно-фантастическая конструкция, какая-то ненастоящая, как карусель.

— Ого…

— Да, это уже шестая версия антенны на сто километров.

— Ого… а сейчас что у нас есть?

И мне показали первые рабочие варианты, которые уже эксплуатировались в войсках в тестовом режиме. Да, антенны представляли собой совсем не ту конструкцию, что я видел на картинках, да и от того, что показывали мне в мастерских, они были далековато. Длина центрального шеста ну метра три, и на нем — четыре поперечины через каждые полметра. Мда, это были вовсе не те ажурные параболические антенны, что солидно вращались и надежно высвечивали самолеты на экране. Ни-фи-га. Я даже сначала подумал, что это какой-то научный прибор, ну или антенна для радиосвязи — у нас было уже полно таких конструкций, с помощью которых мы обеспечивали устойчивую связь с нашими ДРГ на довольно больших расстояниях. О чем и спросил.

— Нет, это радар.

— Радар?

— Радар.

На мой-то взгляд, радар был обыкновенной радиоантенной, только установленной на вертлюге. Как оказалось, так оно и было — оператор обеими руками шуровал отходящей от антенны длинной рукояткой, поворачивая антенну в нужном направлении, и слушал отраженный сигнал — если было его изменение, то это означало, что что-то в том направлении было. Что именно? Как далеко? На эти вопросы конструкция ответа не давала.

— Ну не все же сразу!

— Ну да… не все…

Люди были явно расстроены моей реакцией — не помогло даже мое актерское "мастерство" — настолько я не был готов к встрече… с "этим"…

Как выяснилось из дальнейших рассказов, все было не так уж и плохо.

Принцип формирования диаграммы направленности у этих антенн примерно такой же, что и у синфазных антенн — интерференция. Только излучение от выходного каскада генератора подается лишь на один излучатель — активный. Сзади него устанавливается тоже излучатель, только пассивный, который работает рефлектором — обрубает задний лепесток, а впереди стоят несколько также пассивных излучателей — директоры, то есть направляющие. Все пассивные излучатели получают энергию только от излучения активного излучателя, от генератора к ним никаких проводов не идет. И полученную энергию они переизлучают, тем самым усиливая излучение активного вибратора в направлении оси антенны. Разница между рефлектором и директорами заключается в том, что рефлектор расположен сзади активного излучателя на расстоянии четверти волны и он чуть длиннее. За счет большей длины его сопротивление становится индуктивным. И за счет индуктивного сопротивления и четверти расстояния от активного излучателя он излучает вперед — в фазе с активным, а назад — в противофазе — и тем самым излучение назад гасится, а вперед — усиливается. С директорами то же самое, только они расположены на расстояниях полволны друг от друга и чуть короче, за счет чего их сопротивление становится емкостным — все это приводит к тому, что они также излучают вперед в фазе с активным излучателем и рефлектором и в противофазе — назад. Так вся система излучает вперед и не излучает назад. Ну, практически не излучает — задний и боковые лепестки у нее все-таки остаются. Но излучение вперед становится основным.

Именно на таком излучателе и был построен первый локатор — еще с ручным управлением с помощью вертлюга. Конструктора даже проработали вопросы использования и уже тестировали систему из нескольких таких аппаратов. Поймав какой-то сигнал, оператор РЛС давал координатору предварительные сведения — направление, по которому обнаружился. Причем, так как диаграмма направленности антенны представляла собой конус с закругленным днищем, оператор давал направление именно этого конуса. То есть, при раскрытии его, скажем, на тридцать градусов, можно было говорить, что в этом угле и в направлении, в котором смотрит антенна, что-то есть. Ну, это уже было что-то. При дальности обнаружения до пятнадцати километров… да поставить аппараты, скажем, километров через десять… получим десять аппаратов на сто километров, и они триангуляцией позволят вычислить хотя бы квадрат, в котором "что-то есть". Терпимо.

Все оказалось еще лучше. Координатор передавал предварительные координаты в центр, а оператор тем временем пытался уточнить положение "цели" — поворотом антенны он находил положение, при котором сигнал пропадал и снова появлялся, если вести антенну обратно. Так, по границе диаграммы направленности, определялось более точное направление на цель. Ну да — это уже примерно пять градусов — а это очень высокая точность обнаружения воздушных целей для этого времени, где основным способом обнаружения самолетов, находившихся вне границ видимости, было звуковое обнаружение… И ведь далее оператор продолжал вручную отслеживать цель и сообщать координатору данные по ней, а тот постоянно сообщал их в штаб. И уже в штабе, собирая эти сведения с нескольких станций, пытались выстроить картину воздушного пространства. Естественно, ни о какой супер-точности определения координат речи не шло, но и сведения "в том квадрате что-то есть" частенько давали возможность упредить воздушные налеты. Причем, уже на момент демонстрации образца у нас были организованы работы по тренировке расчетов и штабных работников, а уже через месяц после начала работы системы из двадцати станций операторы, координаторы и штабные так наловчились в поиске целей и триангуляции по квадратам, что количество ложных вылетов наших истребителей снизилось с семи до двух на десять вылетов, а количество пропущенных пролетов — с пяти до одного.

А наша техника не стояла на месте. Тем более что она основывалась на уже существовавших работах как советских, так и зарубежных ученых и конструкторов. Правда, не все там соответствовало действительности, и мы порой на этом теряли время, когда данные какого-либо "корифея" не бились с результатами испытаний. Ну, справлялись — и мы косячили, и корифеи…

Но вперед двигались. Самым важным для второго варианта станций было добавить определение дальности, чтобы отвязаться от триангуляции, ну и сделать более тонкой диаграмму направленности — в первом-то варианте она была очень большой, то есть разрешающая способность по направлению не позволяла различить несколько самолетов. Да, когда в створе луча находился только один летательный аппарат, его координаты можно было уточнить с помощью границ диаграммы направленности. Но если целей было несколько, то могло быть так, что обе отражают сигнал и когда луч уйдет с одной цели, сигнал будет возвращаться от второй — диаграмма-то широкая, и она не дает различия между двумя целями. Тут уж оставалось ориентироваться на мощность ответа — если он уменьшился, то, скорее всего, одна из целей вышла из створа луча. Но если не уменьшился — не факт что не вышла — могла войти другая. А еще и в зависимости от дальности сигнал был более или менее мощный — соответственно, по громкости можно определить примерную дальность — чем дальше, тем слабее сигнал, тем тише играет динамик. Соответственно, если новая цель входит в створ дальше, чем была вышедшая, то сигнал изменится — уменьшится, и опытный оператор еще как-то мог определить дальность и даже количество целей, но это было доступно только отдельным виртуозам, причем не у всех главным был идеальный слух — парочка уникумов отлавливала количество целей мелкими вибрациями антенны, когда какая-либо цель находится на границе диаграммы — пляски с антенной напоминали какие-то танцы мумба-юмба, настолько человека захватывал сам процесс ловли, охоты на цель. Но вот если обе цели были примерно на одинаковом расстоянии — различить невозможно уже никакому уникуму.

Поэтому заужали диаграмму направленности как только можно. Пока с дециметровыми волнами не ладилось, размер антенн рос невообразимо. Ведь чем больше директоров у волнового канала, тем острее ее направленность — каждый директор добавлял не только 500 % к коэффициенту усиления, но и где-то 10 % к остроте диаграммы направленности. А при длинах волн и соответственно расстояниях между директорами в полволны при волнах длиной, скажем, четыре метра… Поэтому-то и получались монстры под десять метров длиной, поднятые на высоту до двадцати метров.

Почему так высоко задирали? А это еще и мало. Ведь на диаграмму направленности в метровом диапазоне очень влияет земная поверхность. Она очень хорошо отражает метровые волны (в отличие от дециметровых и тем более сантиметровых), и эти отраженные волны создают сложные эффекты интерференции, дифракции, наложения с основными волнами. Грубо говоря, в точку пространства приходит волна не только непосредственно от антенны, но и отраженная от земли. И пока она отражалась, она могла поменять фазу, это помимо того, что и по пути в интересуемую точку волны проходят разное расстояние — напрямую и с отражением, то есть под углом, соответственно, как там сложится фаза этих волн — известно одному богу. А он известный шутник. Вот только эти шутки нам не всегда нравились. Вроде бы обнаруженные самолеты, с известной дальностью и направлением, вдруг пропадали. А потом появлялись. Или это появлялись другие…? Неизвестно… — сигнал возникал вдруг, неожиданно, и вроде бы его положение совпадало с положением "пропавшего" ранее самолета, но почему тогда самолет пропадал?

Проблему решил один студент. Все дело в этой чертовой интерференции. Прямой и отраженный лучи пересекаются в точках пространства и накладываются друг на друга. Совпадут по фазе — сигнал усиливается, не совпадут — уменьшается вплоть до полного пропадания. И отраженных лучей на пути прямого луча может быть много — отражаются-то они от всей земной поверхности, со всеми ее неровностями и строениями. Поэтому картинка радиопокрытия оказалась вовсе не однородной. Она была рисунком импрессиониста. Причем как по дальности, так и по объему облучаемого пространства.

По дальности образовывались "пальцы" и провалы — при удачном наложении волн дальность обнаружения по некоторым углам вырастала чуть ли не вдвое, а снизу и сверху этого направления могла упасть до нуля — ну не сложилось… а сверху снова вдаль глядел дальнобойный "палец". То есть вдаль смотрела не одна плотная "сосиска", а "пятерня", причем количество пальцев в ней зависело от длины волны, местности, и еще бог знает каких факторов. И вот какой-нибудь самолет, залетев в один из пальцев, давал отличный сигнал, а потом, залетев в нулевую зону — просто пропадал — как будто его и не было.

Сами "пальцы" тоже были с изъянами. Они могли тянуться непрерывным пространством покрытия, а могли иметь прорехи от сотни метров до нескольких километров — смотря как наложатся прямая и отраженная волны в конкретном облучаемом объеме. Упадут на самолет в противофазе — и "нет" самолета, даже если он "наблюдается визуальными средствами наблюдения", как любят говорить военные, да и я пристрастился вслед за ними.

Так в дополнение ко всем этим бедам, интерференция могла отжать пальцы от поверхности, они были направлены под углом к горизонту, как бы тянулись из локатора все выше и выше, никак не желая идти непосредственно вдоль поверхности — они отжимались от земли этой интерференцией, так что низколетящие самолеты были "не видны" вплоть до самых близких дистанций. Фрицы какое-то время пользовались этой особенностью наших РЛС — просто подныривали под лучи и шпарили к целям. Мы же, получив первое радиолокационное покрытие, расслабились под его "защитой", отчего получили несколько чувствительных ударов — два аэродрома и колонна с грузами были расчехвосчены немцами почти под ноль. Правда, сами фрицы не ушли, так как были все-таки связаны нашими дежурными эскадрильями и затем хорошо так потрепаны налетевшими на подмогу истребителями с соседних аэродромов, но потери были… обидными, да. Я столько надежд возлагал на РЛС, а тут такая подлянка. Хорошо, тот студент быстро нашел причину проблем. Мы его тут же засадили за исследования в этой области, и ему с командой пришлось нехило так покататься по нашим позициям радиолокаторщиков, полетать вокруг них, прежде чем нам удалось как-то наладить проектирование плотного радиолокационного покрытия нашей территории.