Физика в бою

ВВЕДЕНИЕ

Боевой ракетный старт. В гуле и грохоте, в дыму и пламени устремляется огромная ракета к небу. И вот уже стала точкой, пропала из виду… Проходят считанные минуты, и далеко, за сотни километров от пусковой шахты, местность сотрясает гигантский взрыв. Цель поражена!

Так внешне просто выглядит сейчас решение сложнейшей боевой задачи. Но для того, чтобы войска могли располагать и ракетами, точнейшим образом выдерживающими заданную траекторию полета, и боевыми частями, способными поражать любые объекты, науке, технике надо было пройти очень долгий путь развития.

Боевая техника всегда была активным «потребителем» достижений научно-технического прогресса. А так как военное дело включает в свою сферу исключительно разнообразную боевую деятельность, оно использовало успехи почти всех отраслей знаний, и среди них довольно трудно выделить те, которым оказывалось особенное предпочтение. Лишь одна наука бесспорно может быть названа важнейшей союзницей военного дела на всех этапах его развития. Эта наука — физика.

Какой бы новый вид оружия, боевой техники ни создавал человек, он неминуемо сталкивается с физическими законами. Рождалось первое артиллерийское орудие — приходилось учитывать законы движения снаряда, законы расширения газов и деформаций металла; создавалась первая подводная лодка — и на сцену выступали законы движения тел в жидкостях; ставилась задача обнаружения воздушных целей ночью, за облаками — первым делом нужно было узнать закономерности распространения и отражения радиоволн. И физика, словно разведчик, шагающий впереди, всегда давала в руки оружейников и конструкторов нужные сведения. Ей на помощь приходили другие отрасли естествознания, более узкие научные дисциплины, но она всегда оставалась главным ответчиком на самые основные, всеобъемлющие вопросы.

Эта роль физики еще более возросла в последние годы нашего века, когда она почти полностью взяла на себя задачу создания новейшего и самого грозного средства вооруженной борьбы — ядерного оружия. Появление такого оружия вместе с удивительно быстрым и мощным развитием ракетной техники вызвало революцию в военном деле, привело к коренным изменениям в способах ведения боевых действий, методах вооруженной борьбы. Вот почему глубоко осознать особенности технической революции, предвидеть перспективу развития военного дела невозможно без знакомства с основными путями, по которым современная физика воздействует на прогресс боевой техники и вооружения.

Велика роль физических знаний и в обучении, воспитании личного состава армии и флота. Как и другие естественно-научные знания, они служат фундаментом диалектико-материалистического мировоззрения, на них базируется изучение всевозможных образцов боевой техники и вооружения, многие из которых исключительно сложны по устройству и способам эксплуатации. Умело владеть современным оружием, быстро ликвидировать отказы и неисправности может лишь тот воин, который не только хорошо знаком со схемами и инструкциями, но и ясно представляет физические процессы, происходящие в узлах, цепях и агрегатах техники при всех режимах ее работы. Наконец, твердые знания основ физики нужны для того, чтобы организовывать противоатомную защиту войск в различных условиях их боевой деятельности.

Надо нам всем понять, что без высокого уровня технической подготовки всего личного состава, без знания основ физики и математики сейчас невозможно квалифицированное использование современной боевой техники.

Имеется немало литературы, раскрывающей достижения современной физики, показывающей ее роль в создании ядерного оружия. Вместе с тем ощущается нужда в популярных книгах, где бы вопрос ставился шире, всесторонне обрисовывалась та важная роль, какую физика играет в современном военном деле, рассказывалось о том, как используются ее достижения для дальнейшего развития ядерного и ракетного оружия, повышения надежности противоатомной защиты и боевых возможностей сухопутных войск, авиации и военно-морского флота. Познакомившись с подобными книгами, читатель смог бы активизировать общенаучные знания, полученные в средней школе, отчетливей представить себе различные направления, по которым идет военнотехнический прогресс, поднял бы свою техническую культуру.

Такие цели и преследует книга «Физика в бою». В нее вошли переработанные статьи военных специалистов, написанные по материалам зарубежной печати и опубликованные в последние годы в газете «Красная звезда». Эти статьи не претендуют на исчерпывающее освещение темы: слишком многогранно влияние физики на военное дело. Однако авторы надеются, что читатель, познакомившись с книгой, станет увереннее смотреть на проблемы, излагаемые в специальной литературе, заинтересуется более обстоятельными трудами по физике и ее связями с техническими науками и расширит свой военно-технический кругозор.

ФИЗИКА И НОВОЕ ОРУЖИЕ

Генерал-майор инженерно-технической службы И. АНУРЕЕВ, профессор, доктор военных наук

Научно-технический прогресс всегда оказывал решающее влияние на способы ведения войны, ее характер. Но никогда эта его роль не проявлялась столь быстро, так всеобъемлюще и с такими последствиями, как в наши дни. Научные достижения и открытия привели к созданию таких мощных средств ведения боя, которые изменили существовавшие долгое время взгляды на роль различных видов вооруженных сил в войне, заставили пересмотреть основные положения тактики, оперативного искусства и стратегии.

Какие же научные достижения нашего времени оказали столь решающее воздействие на военное дело? К ним следует прежде всего отнести открытие способов использования ядерной энергии, развитие ракетной техники, математики и вычислительной техники, радиоэлектроники, автоматики, химии, металлургии, приборостроения. Особое место принадлежит физике, которая также непременно должна быть включена в этот перечень. Не говоря уже о том, что ей военное дело обязано появлением ядерного оружия, на использовании разнообразных физических законов базируется создание всех без исключения образцов боевой техники и вооружения.

Как известно, физика изучает наиболее общие формы движения материи — механические, тепловые, электромагнитные и другие и их взаимные превращения. В настоящее время эта наука включает разделы: механику, молекулярную физику, учение о колебаниях и волнах, учение об электричестве, теорию электромагнитного поля, оптику, ядерную физику. Границы между физикой и некоторыми другими естественными науками не очерчены резко. В последнее время появились обширные пограничные области между физикой и химией, астрономией, наукой о Земле и другими областями знания.

Успехи физики и химии, наряду с успехами других естественных наук, оказали исключительно большое влияние на развитие материалистического мировоззрения. Диалектический материализм самым широким образом использовал для обоснования своих положений физические открытия.

Толчком к развитию физики, как и всех других наук, послужили требования практики, возникавшие в процессе исторического развития общественных формаций. Крупные открытия конца XVII и начала XVIII столетий были сделаны под влиянием развивающейся техники и военного дела.

Основоположник русской физики и химии М. В. Ломоносов тесно сочетал научную работу с требованиями практики. Его многочисленные и разнообразные исследования по оптике, электричеству, метеорологии, по природе жидких и твердых тел были самым тесным образом связаны с практическими потребностями. Многие примеры из истории развития физики показывают, что нередко весьма абстрактные (отвлеченные), на первый взгляд, физические открытия со временем находили самое разнообразное применение в технике и военном деле.

Открытие в 1831 г. Фарадеем электромагнитной индукции создало условия для широкого использования в технике и в военном деле электрических явлений. Появились различные электрические машины, средства управления, контроля, измерений, что оказало революционизирующее влияние на технику вообще и военную технику в частности.

Периодический закон Д. И. Менделеева не только сыграл выдающуюся роль в развитии учения об атоме и природе химических явлений, но и стал руководящим при решении огромного количества практических задач химии и физики. На базе этого закона и последующих успехов физики удалось открыть элементы, способные участвовать в реакциях деления и синтеза (соединения), что в дальнейшем привело к созданию самого мощного оружия поражения — ядерного оружия.

Во второй половине прошлого века английский ученый Максвелл создал общую теорию электромагнитного поля. На основе этой теории он пришел к выводу о возможности распространения электромагнитной энергии в виде волн. Открытие Максвелла было использовано А. С. Поповым для создания радиотелеграфа. Это выдающееся изобретение русского ученого привело к исключительно мощному развитию средств связи войск, созданию различных радиотехнических систем, к появлению радиолокации — технической основы радиотехнических войск противовоздушной обороны. На счету радиотехники множество и других военных средств, которыми оснащаются армия и флот.

Исследования русского ученого А. Г. Столетова по активноэлектрическим явлениям сыграли большую роль в изучении фотоэлектрического эффекта (физического явления, состоящего в том, что при действии видимого света, ультрафиолетовых, инфракрасных, рентгеновских лучей, а также гамма-лучей на вещество изменяются его электрические свойства). Фотоэлектрический эффект широко применяется в современной технике (телевидение, aвтоматикa, звуковое кино и т. д.). Телевизионные приборы и системы нашли самое широкое применение в военном деле. Они используются в системах управления различными боевыми средствами, служат датчиками информации, используются для связи космических объектов с Землей.

Важнейшее значение для военного дела имеет и такой раздел физики, как оптика. Она возникла как учение о свете в связи с изучением возможностей человека видеть окружающее пространство. Впоследствии физика расширила область исследования, и слово «свет» стало употребляться для обозначения объективного, происходящего вне нас явления, которое, воздействуя на глаз, вызывает субъективное зрительное ощущение. В настоящее время физика говорит о «свете» как о широкой совокупности единых по своей природе объективных явлений, сводящихся к распространению коротких электромагнитных волн. Родилась, таким образом, электромагнитная теория света. Она показала единство световых и электромагнитных явлений и дала новое доказательство основного положения диалектического материализма о глубокой взаимосвязи всех явлений природы.

В развитии современной оптики большую роль сыграли советские физики. А. Ф. Иоффе и Н. И. Добронравов произвели ряд опытов над элементарным фотоэффектом и получили важные результаты, подтверждающие закон, гласящий, что световая энергия поглощается отдельными порциями, величина которых пропорциональна частоте световых колебаний. С. И. Вавилов разработал метод, позволяющий визуально обнаруживать изменения слабых световых потоков, обусловленных их прерывистой структурой. Д. С. Рождественский развил учение о спектрах своими работами по аномальной дисперсии[1] и по теории атомов.

На базе достижений науки возникла мощная оптическая промышленность. Тончайшие оптические явления, изучаемые в физике, нашли самое широкое применение в технике и военном деле. Это различные системы наведения и управления, приборы контроля и измерений, элементы автоматических систем и многое другое. Область использования достижений оптики расширяется с каждым днем.

Но, конечно, особенное значение для военного дела имело развитие ядерной физики. Открытие способов боевого применения ядерной энергии явилось результатом длительного изучения объективных свойств окружающей нас природы, обобщением многочисленных вновь установленных фактов. Оно стало возможным благодаря достижениям современной физики, в результате которых было разработано учение о строении атома, о радиоактивности и изотопах, искусственном расщеплении ядер.

Возьмем такой пример. Элементарные частицы, входящие в состав ядра атома, движутся с большими скоростями. Например, скорость альфа-частиц составляет 20 тыс. км/сек, а их кинетическая энергия в 200 млн. раз превосходит энергию молекулы газа при комнатной температуре. Изучать движение частиц с такими, сравнимыми со скоростью света, скоростями методами классической механики нельзя. Для этих случаев применимы положения теории относительности и квантовой механики.

Важнейший закон теории относительности — закон взаимосвязи массы и энергии. Сущность его такова: внутренняя энергия тела равна массе покоя, умноженной на квадрат скорости света. До установления этого закона можно было использовать лишь ничтожные доли внутренней энергии (тепловая энергия, энергия химических реакций). Достижения в области физики ядра, развитие квантовой механики (науки о законах движения элементарных частиц) позволили открыть и извлечь атомную энергию. У людей появились практически неисчерпаемые запасы энергии. Как известно, это выдающееся достижение физики империализм использовал прежде всего в военных целях, что заставило и Советский Союз создать атомное оружие. Так в арсенале современных вооруженных сил появились атомные бомбы, основанные на реакции деления тяжелых ядер урана-235, урана-233 и плутония-239.

Вслед за реакцией деления была получена реакция синтеза изотопов водорода — дейтерия и трития с превращением их ядер в тяжелые ядра гелия. Такие реакции могут протекать при очень высоких температурах, порядка 10–15 млн. градусов. Подобные температуры возникают во время ядерных процессов на Солнце и на звездах, в результате которых выделяется огромная тепловая энергия. На Земле термоядерные реакции осуществляются пока в момент взрыва термоядерных бомб. Таким образом, другое выдающееся открытие физики привело к созданию еще более мощного оружия массового поражения — термоядерного оружия. В нашей стране созданы самые мощные термоядерные бомбы с тротиловым эквивалентом в 50 и даже 100 мгт. Они обладают колоссальной разрушительной силой и могут вызывать сильное радиоактивное заражение на огромных пространствах.

Во время второй мировой войны наиболее распространенными крупными боеприпасами были фугасные авиационные бомбы, в которые снаряжалось примерно 0,5 т взрывчатого вещества — тротила. Если бы уложить 200 млн. этих бомб в одном месте и взорвать, ударная волна была бы такой же, как при взрыве одной современной термоядерной бомбы в 100 мгт. Однако нужно иметь в виду, что в этом случае появляются новые мощные факторы поражения — проникающая радиация и радиоактивное заражение местности. Взрыв одной термоядерной бомбы средней мощности в крупном промышленном районе с большой плотностью населения может привести, как отмечалось в печати, к гибели 1,5 млн. человек. В последующем от пагубного действия радиоактивного заражения может погибнуть еще 0,5 млн. человек.

В зарубежной печати приводились расчеты, показывающие, что для вывода из строя Западной Германии, например, достаточно восьми термоядерных бомб мощностью по 3–5 мгт.

А вот что пишет американский ученый Полинг: «Всего в районах, по которым, вероятно, будут нанесены сильные ядерные удары, проживает около миллиарда человек. В течение 60 дней с момента атомного удара

Может погибнуть 500–750 млн. человек». Трудно сказать, чем руководствовался Полинг в своих расчетах. Но если он прав хотя бы наполовину, то и это говорит об огромной разрушительной мощи термоядерного оружия.

На вооружении современных армий состоит теперь также ядерное оружие малого калибра, которое коренным образом меняет характер боя. Наша армия сейчас располагает ядерным оружием в большом ассортименте. Необходимость такого оружия диктуется вот какими обстоятельствами. Ядерные заряды большой мощности на поле боя применить трудно. Они поражают большие площади, и использовать их в условиях непосредственного соприкосновения с противником невозможно без риска поразить свои войска.

Как отмечалось в зарубежной печати, в США испытывались ядерные заряды мощностью 100 т и менее. Действие такого заряда в 200 раз слабее взрыва бомбы, сброшенной американцами в 1945 г. над Хиросимой.

Что дают в тактическом отношении малокалиберные ядерные боеприпасы? Ударная волна их взрыва на незначительном удалении вызывает лишь средние разрушения кирпичных зданий. Световое излучение может вызывать ожог второй степени, а проникающая радиация хотя и приводит к лучевой болезни, но не в опасной форме.

Ядерные боеприпасы малого калибра можно применять даже в том случае, когда свои войска находятся в положении непосредственного соприкосновения с противником. Они способны уничтожать или надежно подавлять противотанковые опорные пункты, огневые позиции артиллерии. В результате таких ударов в обороне противника образуются бреши, которые могут быть использованы наступающими для расчленения боевых порядков врага и просачивания в его тыл. Бой принимает исключительно маневренный, скоротечный характер.

Достижения ядерной физики позволили осуществить и управляемую ядерную реакцию. На ее основе были созданы различные атомные силовые установки. Военное использование управляемых ядерных реакций привело прежде всего к созданию атомных подводных лодок-носителей баллистических ракет с ядерными боеприпасами. Применение атомных энергетических установок на зарубежных лодках позволило, как отмечалось, увеличить скорость подводного хода до 50 км/час. Для работы атомных силовых установок не нужен атмосферный воздух, поэтому с их появлением подводные лодки стали подводными кораблями в полном смысле этого слова. Они долгое время могут не всплывать на поверхность.

В перспективе следует ожидать, как считают зарубежные специалисты, применения ядерных двигателей и на ракетах, что позволит резко улучшить их тактикотехнические свойства. Огромное значение будут иметь ядерные силовые установки и ядерные источники питания для космических аппаратов различного назначения.

Ядерное оружие приобрело стратегическую значимость благодаря созданию совершенных носителей его — ракет. Современные баллистические и глобальные ракеты способны доставлять мощные ядерные боеприпасы в любой район земного шара. Чтобы преодолеть расстояние, скажем, в 10 тыс. км, межконтинентальной баллистической ракете требуется всего 25–30 минут. От ее удара вряд ли можно укрыться. А советские глобальные ракеты вообще вычеркнули понятие географической неуязвимости. Их удар неотвратим. Сочетание ядерных боеприпасов и ракет определило характер будущей войны как ракетно-ядерной войны межконтинентального размаха.

К важнейшим открытиям и достижениям физики, использованным при создании современной ракетной техники, следует отнести глубокую разработку вопросов аэродинамики, газовой динамики и ракетодинамики. В настоящее время эти научные направления — уже самостоятельные, чрезвычайно сложные и объемистые науки, имеющие много разветвлений. Но принципиально все они относятся к физическим наукам, их основы закладываются в механике, разделе физики, изучающем простейшее из всех форм движения — механическое движение.

Без развития аэродинамики было бы немыслимо создание современных боевых самолетов и крылатых ракет. Развитие реактивной авиации стало возможным благодаря появлению газовой динамики, основы аэродинамики больших скоростей и теории реактивных двигателей. Основоположник ее — выдающийся русский ученый академик С. А. Чаплыгин. Еще в 1902 г. он установил основные зависимости для движения газов с большими дозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями. Результаты достижений газовой динамики нашли практическое применение при создании современной реактивной авиации и ракетной техники.

Скорости полета современных военных самолетов сейчас в 2–3 раза превышают скорость распространения звука. Но, как выяснилось, и это не предел. Дальнейшее увеличение скорости полета вызвало появление новой ветви аэродинамики — гиперзвуковой аэродинамики. Эта наука позволит обстоятельно изучить движение газа с большими сверхзвуковыми скоростями. Военное использование гиперзвуковой аэродинамики, по-видимому, приведет к созданию новых летательных аппаратов. Как считают за рубежом, они могут явиться новыми совершенными носителями ядерного оружия, а также мощными средствами противосамолетной и противоракетной обороны.

Полеты баллистических ракет и космических аппаратов на высотах 100–150 им в сильно разреженной атмосфере потребовали тщательного изучения законов движения летательных аппаратов в условиях, когда молекулы газа имеют большую длину свободного пробега, исчисляемую сотнями метров и даже несколькими километрами. Не случайно в настоящее время быстро — развивается экспериментальная и теоретическая аэродинамика сильно разреженных газов. Она позволяет рассчитывать параметры движения баллистических ракет при движении их в конце активного участка траектории и при входе в атмосферу, исследовать законы движения орбитальных самолетов, помогает более точно определять время существования космических аппаратов на орбите.

При движении ракет и других летательных аппаратов с большими скоростями в атмосфере, даже разреженной, возникают чрезвычайно высокие температуры, которые приводят к сильному нагреву стенок аппарата. Проблема «кинетического» нагрева весьма остра в авиации и ракетной технике. Необходимо изыскивать новые материалы и покрытия, способные выдерживать высокие температуры. Изучение движения тел при очень высоких температурах нагрева показало, что в так называемом пограничном слое (тонкий слой воздуха у стенок летательного аппарата) возникают электромагнитные явления, которые также необходимо учитывать. Исследованием электромагнитных явлений в пограничном слое занимается новая ветвь аэродинамики — магнитогидродинамика.

И наконец, о ракетодинамике. Основы ее создал выдающийся русский ученый К. Э. Циолковский. В своей знаменитой работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903 г.) великий ученый установил основные законы движения ракет, вывел свою знаменитую формулу для расчета скорости многоступенчатой ракеты. В настоящее время это «настольная» формула для любого специалиста по ракетной технике. В результате развития аэродинамики, ракетодинамики и других направлений физики, использования достижений химии, радиоэлектроники, металлургии, приборостроения и оказалось возможным создать образцы военной ракетной техники. В настоящее время это важнейшая система вооружения.

Для этого вида оружия характерна высокая боевая эффективность во всем диапазоне дальностей, начиная от нескольких десятков и кончая несколькими сотнями километров. Ракеты оперативно-тактического назначения надежны в эксплуатации, не требуют много времени для подготовки к пуску. Они могут нести и ядерные заряды. Это открывает широкие возможности для поражения ядерными ударами любых объектов противника на поле боя. Точность наведения ракет сегодня такова, что ракета, пролетев свыше 12 тыс. км, отклоняется от заданной точки не более одного километра.

Физика в последние годы многого добилась и в области учения об электричестве и магнетизме, теории электромагнитного поля, электромагнитных волн и других разделов. Это привело к появлению таких самостоятельных наук, как, например, радиофизика и электроника. Они стали основой современных достижений в области радиоэлектроники, телемеханики, автоматики, вычислительной техники, без которых немыслимо развитие и применение современной военной техники.

Выдающееся научное достижение замечательного русского ученого А. С. Попова, открывшего принцип радиосвязи и явление отражения электромагнитных волн, последующие открытия физиков в области радиолокации и радиофизики ультракоротких волн привели к бурному внедрению в армии различных радиотехнических и радиоэлектронных систем. Они составляют сейчас основы систем связи, аппаратуры ночного видения, обнаружения самолетов и ракет в полете, управления полетом крылатых и баллистических ракет, используются для создания помех радиотехническим средствам управления противника.

Особое значение в военном деле получила радиолокация. Она стала важнейшим средством при создании эффективной противосамолетной и противоракетной обороны. Современные радиолокаторы, как отмечалось в зарубежной печати, в состоянии отыскать цель (самолет, ракету) на расстоянии 5000 км и более.

Большие возможности открываются благодаря достижениям в области физики твердого тела и полупроводников. Аппаратура связи, радиолокации, наведения становится более надежной в работе, компактной по размерам. Электронные приборы на полупроводниках не боятся ударов, тряски и могут служить в 5—10 раз дольше, чем на обычных радиолампах. Аппаратура становится более удобной и миниатюрной. Уже сейчас на вооружении армий появились компактные радиолокаторы на полупроводниках, легко переносимые одним-двумя солдатами. Есть отдельные типы радиостанций, которые можно разместить в каске.

Однако это не все. Достижения молекулярной электроники позволяют создать аппаратуру поистине микроскопических размеров. Она может быть собрана на специальных тончайших пленках или на так называемых твердых схемах. Твердыми их называют потому, что вся схема прибора спрятана внутри твердого вещества — кристалла.

Несколько слов еще об одном новом направлении в физике — квантовой радиофизике. Ее успехи открывают пути получения электромагнитных колебаний высокой интенсивности в узких лучах. Такие приборы в зарубежной литературе называют лазерами. По данным американской печати, при помощи лазеров удалось получить в импульсе мощность порядка 1–3 млн. вт. Подсчитано, что радиостанции на лазерах будут способны одновременно передавать тысячи телевизионных программ и телефонных переговоров. Некоторые зарубежные специалисты пытаются использовать квантовые генераторы для создания нового вида оружия — лучевого, которое якобы способно уничтожать живую силу и технику.

Мы рассмотрели основные направления, по которым физика — поистине безграничная в своих возможностях наука — влияет на современное военное дело. Как видно, это влияние огромно, и, несомненно, оно будет непрерывно возрастать. Точно так же обстоит дело и с другими областями современной науки. Это обязывает советских воинов всесторонне изучать не только тот вид техники, который им вверен, но и овладевать основами всех научно-технических знаний, связанных с прогрессом в военном деле. Широкие знания помогут воинам лучше усвоить свою роль и место как вооруженных защитников Родины, с большим эффектом выполнять задачи, связанные с дальнейшим укреплением оборонного могущества нашей страны.

ИЗ ГЛУБИН ВЕЩЕСТВА

Инженер-полковник М. ПАВЛОВ, доцент, кандидат технических наук

Сейчас уже всем известно, какой огромной разрушительной мощью обладает ядерное оружие. Тротиловые эквиваленты термоядерных зарядов межконтинентальных баллистических ракет измеряются несколькими миллионами и даже десятками миллионов тонн. Эта цифра станет более понятной, если учесть, что общее количество взрывчатых веществ, использованных за всю вторую мировую войну, составило приблизительно 3 млн. т тротила.

Наряду с мощными ядерными зарядами, предназначенными для решения стратегических задач, созданы ядерные заряды для использования на поле боя. Их тротиловый эквивалент колеблется от нескольких десятков до десятков тысяч тонн. Создание столь разнообразного арсенала ядерного оружия обязано достижениям физики XX столетия — открытию ядерной энергии. Но само это открытие было бы невозможным без познания ряда физических закономерностей микромира.

В 1905 г. великий физик нашего столетия Эйнштейн опубликовал законы теории относительности. Согласно этой теории масса тела (частицы) не остается постоянной при движении. Зависимость массы тела от скорости движения определяется формулой

где m_0 — масса покоящегося тела (масса покоя);

v — скорость движения тела;

с — скорость распространения света в пустоте.

Согласно этому закону для малых скоростей v масса m тела практически равна m_0, но при приближении v к скорости света с масса тела m быстро возрастает.

Другой важный закон теории относительности — соотношение между массой тела m и его энергией E, которое равно:

Разложив в ряд это выражение для энергии Е, получим такую зависимость:

Выведенная формула дает общую энергию, которой обладает тело массы m_0, движущееся со скоростью v. Постоянный член m_0с^2 представляет собой энергию, присущую самому телу. Второй член в формуле не что иное, как обычное выражение кинетической энергии тела (т. е. энергии механического движения), встречающееся в классической механике. Видно, что при малых скоростях тела v второй и последующие члены в формуле малы по сравнению с первым членом.

Этот фундаментальный закон теории относительности — закон взаимосвязи массы и энергии — сыграл выдающуюся роль в раскрытии многих тайн атома и его ядра. На его использовании основано получение энергии при расщеплении тяжелых ядер атомов, которое практически осуществляется в реакторах и ядерных боеприпасах. Этот закон показал и путь получения энергии при соединении легких ядер атомов — путь, используемый пока что лишь в термоядерных боеприпасах. Но недалек день, когда люди научатся управлять термоядерной реакцией по своему усмотрению. Эго навсегда избавит человечество от угрозы истощения энергетических ресурсов.

Но как же практически применяется закон взаимосвязи массы и энергии?

По современным представлениям, вся природа состоит из мельчайших частиц — атомов. Атом — сложная частица, состоящая из ядра, вокруг которого вращаются электроны. В ядро входят частицы, примерно равные по массе — протоны и нейтроны. В ядрах легких и средних элементов число протонов равно числу нейтронов. В более тяжелых ядрах число нейтронов несколько больше числа протонов, а в тяжелых ядрах количество нейтронов примерно в 1,5 раза больше, чем протонов. Число электронов на орбитах равно числу протонов в ядре. Интересно, что по весу протон (нейтрон) примерно в 1836 раз тяжелее электрона. Это значит, что в ядре атома сосредоточена почти вся его масса. Согласно закону взаимосвязи массы и энергии в ядре атома сосредоточена в основном и вся его энергия. Вот почему ученые обратили внимание на ядро атома, когда встал вопрос о выделении ядерной энергии.

Часть энергии атома, заключенная в электронной оболочке, выделяется при химических реакциях (горение топлива, взрыв обычных взрывчатых веществ) и называется химической. Взрыв одного килограмма тротила дает около тысячи больших калорий, сгорание килограмма хорошего каменного угля — до 7 тыс., а килограмма нефти — до 11 тыс. больших калорий химической энергии. Вся эта энергия выделяется только в результате перестройки электронных оболочек атомов, участвующих в реакциях взрыва или горения.

Поскольку электронная оболочка содержит незначительное количество энергии по сравнению с энергией ядра, то и изменение массы при сжигании 1 кг каменного угля очень ничтожное, равно 1,68×10-10 кг. Взвешивание такой массы находится в настоящее время за пределами наших возможностей. Наименьший вес, который можно взвесить микровесами, равен около 10-7 кг. Таким образом, измерить разницу в массах, возникающую при реакции горения, невозможно. Сказанное справедливо для любой химической реакции, поскольку в этом случае выделяется количество энергии того же порядка, что и при горении каменного угля. Совершенно иное положение получается при ядерных реакциях.

Образование ядер из протонов и нейтронов сопровождается выделением энергии. Откуда же она появляется? Измерения масс ядер различных элементов показали, что они меньше суммы масс входящих в них частиц — протонов и нейтронов. Эта убыль массы, проявляющаяся при образовании ядер, называется дефектом массы и обозначается Δm. По закону взаимосвязи массы и энергии можно вычислить энергию, которая выделяется при этом. Она будет равна: Е = Δm×с^2. Эта энергия была названа энергией связи ядра, потому что такое же количество энергии нужно затратить на то, чтобы разбить ядро на составляющие его частицы.

Для всех ядер атомов дефект массы определен специальными приборами — масс-спектрографами. Следовательно, для всех ядер определена и энергия связи. Подсчитаем для примера энергию связи ядра гелия. Масса ядра атома гелия, определенная масс-спектрографическим методом, равна 4,003 атомных единиц массы (аем = 1,66×10-24 г). Сумма же масс двух протонов и двух нейтронов, входящих в ядро атома гелия, равна 4,033 аем. Значит, при образовании ядра гелия дефект (убыль) массы равен 0,03 аем.

На основании закона взаимосвязи массы и энергии энергия связи ядра атома гелия равна:

Е = Δm×с^2 = 0,03×1,66×10-24×(3×10^10)2 = 45×10-6 эрг;

здесь Δm — масса в граммах; с — скорость света в см/сек.

В ядерной физике обычно энергию связи выражают в специальных единицах — миллионах электронвольт (Мэв = 1,6×10-6 эрг). Это значит, что энергия связи ядра атома гелия равна 28 Мэв. Таким же образом можно вычислить энергию связи и других ядер атомов. Например, для ядра урана-235 энергия связи равна 1783 Мэв.

Очень важна величина энергии связи, приходящаяся на одну ядерную частицу — нуклон, E/A, где A — массовое число.

Как видно, энергия связи на нуклон равна величине общей энергии связи ядра Е, деленной на общее число нуклонов в ядре (массовое число А). Для дейтерия E/A равна 1,09 Мэв, трития — 2,77 Мэв, гелия — 7 Мэв, железа — 8,7 Мэв, урана — 7,6 Мэв и т. д.

Рис. 1. Зависимость энергии связи, приходящейся на один нуклон

Для химических элементов энергия связи, приходящаяся на один нуклон, приведена на рис. 1. Здесь по горизонтальной оси отложено массовое число элементов А, по вертикальной — энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон E/A, в мегаэлектронвольтах (Мэв). Кривая имеет важное значение для ядерной физики. Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер, то есть показывает, какую энергию нужно потратить для того, чтобы оторвать один нуклон от ядра.

С другой стороны, кривая показывает, какое количество энергии выделяется на один нуклон при образовании ядра. Легко увидеть, что наибольшей прочностью обладают ядра атомов химических элементов с массовыми числами А, лежащими в пределах от 40 до 100, другими словами, элементов средней части периодической системы Д. И. Менделеева. Ядра атомов химических элементов, расположенных в начале и конце периодической системы, имеют меньшую прочность.

Это-то обстоятельство и дало возможность открыть способы получения ядерной энергии, создать ядерное оружие. Ведь если осуществить ядерную реакцию, в которой будут образовываться ядра большей прочности, чем исходные, то реакция будет сопровождаться выделением энергии. Обратная реакция потребовала бы затраты энергии. Поэтому кривая графика указывает в принципе на два способа высвобождения ядерной энергии: первый — деление ядер тяжелых элементов, расположенных в конце периодической системы Д. И. Менделеева, на более легкие ядра; второй — соединение (синтез) ядер легких элементов (например, водорода) в более тяжелые ядра (например, гелия).

Рассчитаем, какое количество энергии выделится при делении ядер одного килограмма урана-235. При делении одного ядра урана-235 на два приблизительно равных ядра атомный вес каждого из них составит примерно 235/2 = 117, хотя наиболее вероятно получение одного тяжелого ядра с атомным весом 140, а другого легкого — с атомным весом 95.

Так как энергия связи на каждый нуклон этих легких ядер равна примерно 8,5 Мэв, то полная энергия связи одного легкого ядра будет 117×8,5 = 994 Мэв. Полная же энергия связи ядра урана-235, состоящего из 235 нуклонов, равна 235×7,6 = 1786 Мэв. Согласно сказанному выше при делении ядра урана на два легких ядра высвободится энергия, равная 994×2—1786 = 202 Мэв.

В 1 тыс. г урана содержится (6,02×10^23×1000)/235 = 2,56×10^24 атомов. При расщеплении всех их ядер высвободится энергия, равная 2,56×10^24×202 = = 520×10^24 Мэв = 2×10^13 калорий = 2×10^10 больших калорий (1 Мэв = 3,8×10-14 калорий).

Для наглядного представления подсчитаем, сколько, например, нужно взорвать тротила, чтобы получить такое же количество энергии. Как уже отмечалось, при взрыве 1 кг тротила выделяется около тысячи больших калорий. Следовательно, при делении ядер 1 кг урана-235 выделяется такое же количество энергии, как и при взрыве 20 тысяч тонн тротила. Вот почему мощность ядерного оружия выражают обычно в тротиловых эквивалентах.

Реакция деления тяжелых ядер урана-235 и плутония-239 используется в ядерном оружии и ядерных силовых установках.

Иное дело — высвобождение внутриядерной энергии при соединении ядер изотопов водорода в ядра гелия. Практическое применение в этом случае нашла реакция соединения ядер тяжелого водорода (дейтерия) и сверхтяжелого водорода (трития).

Подсчитаем количество энергии, которое выделяется при образовании 1 кг гелия из ядер этих изотопов водорода. Полная энергия связи ядра дейтерия, состоящего из двух нуклонов, равна 2×1,09 = 2,18 Мэв, а ядра трития, состоящего из трех нуклонов, равна 3×2,78 = 8,34 Мэв. Полная же энергия связи ядра гелия, как уже отмечалось, равна 28 Мэв. Следовательно, при образовании одного ядра гелия из ядер дейтерия и трития высвободится ядерная энергия, равная 28 — (2,18 + 8,34) = 17,48 Мэв. В 1 тыс. г гелия содержится (6,02×10^23×1000)/4 = 1,5×10^26 атомов. Поэтому при образовании 1 кг гелия из ядер дейтерия и трития выделится такое количество ядерной энергии: 1,5×10^26×17,48 = 26,2×10^26 Мэв = 1,0×10^14 калорий = 1,0×10^13 больших калорий. Такое же количество энергии выделяется при взрыве 100 тыс. т тротила.

Если сравнить результаты расчетов, показывающих выделение внутриядерной энергии при делении и синтезе ядер, то окажется, что при синтезе изотопов водорода в ядрах гелия энергии выделяется в 5 раз больше, чем при делении ядер урана-235 или плутония-239. На рис. 1 это условно отмечено размером радиоактивного облака.

Реакция соединения ядер изотопов водорода используется, как известно, в термоядерном оружии.

Следует заметить, что закон взаимосвязи массы и энергии сыграл решающую роль в открытии ядерной энергии и создании ядерного и термоядерного оружия. Он открывает возможности создания еще более мощного источника энергии на основе аннигиляции античастиц— превращения элементарных частиц в фотоны энергии. Аннигиляционное излучение было открыто при взаимодействии электрона с позитроном. Электрон, соударяясь с позитроном, превращается в два фотона (кванта) с энергией по 0,51 Мэв каждый.

Аннигиляционное излучение возможно и при соударении других частиц, например, протона и антипротона. При соударении протона и антипротона образуется два кванта с энергией по 940 Мэв каждый. Может быть также получено аннигиляционное излучение и при соударении нейтрона и антинейтрона.

Особенность аннигиляции частиц состоит в том, что частицы «без остатка» переходят в фотоны, в то время как при делении ядер урана-235 и синтезе изотопов водорода дефект массы составляет менее одного процента.

На основании закона взаимосвязи массы и энергии можно вычислить количество энергии, выделяемое при аннигиляции любого количества массы вещества. Подсчитаем для примера, какая энергия связана с веществом, обладающим массой в один грамм:

Е = m×с^2 = 1×(3×10^10)2 = 9×10^20 эрг = 21×10^12 калорий = 21×10^9 больших калорий.

Как видно, в 1 грамме массы скрыта энергия, эквивалентная взрыву примерно 20 тыс. т тротила. Не вызывает сомнения, что наука в будущем научится добывать энергию и на основе аннигиляции частиц. Уверенность в этом дают огромные успехи современной ядерной физики, решившей уже не одну сложную задачу.

Не следует, однако, думать, что физика открывает простор лишь для создания ядерных средств нападения. Использование иных открытых ею закономерностей дает возможность разрабатывать и эффективные средства защиты от поражающих факторов ядерного взрыва. Как это делается, рассмотрим на примере одного из таких факторов — светового излучения.

Если верить легенде, свет стал оружием еще в глубокой древности. До наших дней дошло предание о том, что якобы Архимед сжег неприятельский флот при помощи системы вогнутых зеркал — он будто бы концентрировал ими солнечные лучи, направляя на римские корабли. Правда, расчеты показывают, что возможность такого события маловероятна. Практически зажечь что-либо подобным путем можно на расстоянии, не более чем в десять раз превышающем размеры вогнутого зеркала. Однако древнее пророчество сбылось: свет все-таки сделался оружием. Но им стал не усиленный свет солнца, то есть собранные в одну точку солнечные лучи, а световая вспышка «ярче тысячи солнц» — ядерный взрыв.

На долю светового излучения ядерного взрыва приходится значительная часть всей выделяемой энергии — примерно 35%. Во время ядерной вспышки образуется светящаяся область, которая испускает, подобно солнцу, излучения в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой части электромагнитного спектра. Чем мощнее заряд, тем больше размеры этой светящейся сферы. В иностранной печати сообщалось, что при воздушном взрыве боеприпаса мощностью 1 мгт радиус сферы достигает 885 м, а при заряде в 10 мгт — около 2780 м.

Световое излучение может наносить поражение людям на больших расстояниях от эпицентра. Так, при хорошей прозрачности атмосферы взрыв мощностью 1 мгт, как сообщалось в зарубежной печати, способен нанести ожоги второй степени людям на расстоянии до 18 км, а взрыв мощностью 10 мгт — до 35 км. Заметим, что слова «при хорошей прозрачности атмосферы» сказаны здесь не случайно. Состояние атмосферы играет существенную роль в распространении светового излучения и воздействии его на людей и технику. Не меньшее значение имеет и то, какие материалы встречает свет на своем пути: из чего, например, изготовлена одежда солдат и офицеров. При решении этих вопросов и в первом и во втором случае на помощь специалистам приходит знание законов физики и их рациональное использование. Рассмотрим эти проблемы так, как они освещаются в зарубежной печати. Для начала проследим путь светового луча, ядерного взрыва в атмосфере, а потом взаимодействие его с одеждой человека и другими материалами.

Итак, преграда первая — атмосфера. Она представляет собой среду, состоящую из сложной смеси газов (азота, кислорода, аргона и углекислого газа), водяного пара и твердых частиц (пыли, дыма, сажи). Если количество газов в атмосфере практически неизменно, то количество других примесей может сильно меняться в зависимости от метеорологических условий и географического положения.

Проходя сквозь атмосферу, световое излучение испытывает двоякую потерю — от рассеяния и поглощения. В первом случае частицы, находящиеся в атмосфере, отклоняют лучи от первоначального направления, во втором — лучистая энергия переходит в другие виды энергии, но главным образом — в тепловую. Учет ослабления светового излучения в атмосфере представляет собой сложную задачу. Для его количественной оценки на практике пользуются коэффициентом прозрачности, под которым понимают отношение количества световой энергии, прошедшей через слой атмосферы толщиной 1 км, к энергии, вступившей в этот слой.

Обычно коэффициент прозрачности связывают с дальностью видимости больших темных предметов над горизонтом в дневное время, которая определяется метеорологическими условиями. Например, при дальности видимости 16 км (городские условия) на расстоянии 1 км от центра взрыва коэффициент прозрачности равен 0,8, а на расстоянии 6,1 км от центра взрыва — 0,55. При дальности видимости 80 км (очень ясная погода) на этих же расстояниях коэффициенты прозрачности соответственно равны 0,90 и 0,75.

Сильную преграду на пути распространения световых лучей создают плотные туманы, и особенно облака. При толщине облака 700–800 м отражается примерно 75–80 % падающего на него светового излучения. Средний коэффициент отражения облаков, рассчитанный с учетом их распространенности, форм и толщины, составляет около 50–55 %.

Таким образом, естественные туманы и облака оказывают на световое излучение взрыва существенное ослабляющее воздействие. Однако наличие, их над полем боя, районом сосредоточения войск или каким-либо объектом — явление случайное. Естественно, возник вопрос: нельзя ли туманы и облака создать искусственно, когда это необходимо в прямых целях защиты от светового излучения?

За рубежом проводились специальные опыты с искусственными дымовыми завесами, чтобы выявить степень ослабления ими светового излучения. За 10 минут до ядерного взрыва с помощью дымовых машин производился дымопуск. Образовавшийся масляный туман ослабил воздействие светового излучения на различную технику на 65–90 % в зависимости от расстояния до эпицентра взрыва. По заключению американских военных специалистов, световой импульс в зоне значительного избыточного давления был снижен благодаря дымовой завесе до 3 кал/см^2. Эта величина импульса считается порогом средней тяжести ожогов открытых участков тела и воспламенения горючих материалов. Плотность поставленной дымовой завесы при расходе масла 440–620 л на 1 км^2 примерно соответствовала плотности дымов, используемой для маскировки. Однако считается, что для достижения эффективного ослабления светового излучения концентрация дыма должна быть увеличена по сравнению с указанной в 1,5–2 раза. Ставились опыты и с другими дымами, которые в ряде случаев оказались эффективнее масляных туманов.

Проводятся также опыты по быстрой постановке дымовых завес. Обычно для этого используются выливные приборы, подвешиваемые к самолетам. Принцип действия одного из таких приборов, описанный в печати, заключается в следующем. Прибор заполняется жидкой дымовой смесью и большим количеством полых алюминиевых шариков. При опорожнении прибора часть дыма образуется на высоте полета самолета, а другая — на разных высотах благодаря разбрызгиванию дымовой смеси шариками. Третья часть дыма создается у земли, при ударе шариков о грунт и выбрасывании ими остатков жидкости. Сообщалось, что таким способом самолет может поставить за 25 сек. сплошную вертикальную дымовую завесу высотой 160 м.

Рассмотрим теперь взаимодействие светового излучения и непрозрачных тел. Падая на поверхность непрозрачного тела, световое излучение частично отражается и поглощается. Его поражающее действие определяется поглощенной частью световой энергии. Если она достаточно велика, то происходит сильное нагревание тела, а вследствие этого — обугливание, воспламенение, оплавление или прожиг.

Температура нагрева тел в большой степени зависит от коэффициента поглощения. Темные тела поглощают намного больше световых лучей, чем светлые. Так, черная краска поглощает 96 % падающего на тело светового излучения, белая — 18, белая ткань — 25, материал цвета хаки — 60, а черное сукно — 99 %. Значит, более стойкими к световому излучению будут материалы светлых тонов. Еще в Хиросиме и Нагасаки было замечено, что люди, одетые в белую или других светлых тонов одежду, получили менее сильные ожоги, чем одетые в темное.

Из школьного курса физики каждому известны такие свойства тел, как теплопроводность и теплоемкость. Они также способствуют большему или меньшему нагреванию материалов при воздействии светового излучения. Так, очевидно, чем больше теплопроводность и теплоемкость тела, тем больше требуется световой энергии, чтобы нанести ему поражение в той или иной степени. Свойством проводить тепло объясняется также то обстоятельство, что более толстое тело меньше поражается световым излучением. Установлено, например, что у тонких металлических пластин, таких, как обшивка самолета, температура нагрева обратно пропорциональна толщине. При световом импульсе, равном 100 кал/см^2, и коэффициенте поглощения 0,25 дюралевая пластина толщиной 0,1 см получает прирост температуры примерно на 440°. Если же взять пластину толщиной 0,2 см, то прирост температуры будет в два раза меньше, то есть 220°. Таким образом, у более толстых тел за время их освещения часть тепловой энергии успевает распространиться на большую глубину.

На стойкость тканей от воздействия светового излучения влияет множество факторов. Изучая их, специалисты установили, в частности, следующие особенности различных материалов. Шерсть оказывает большее сопротивление действию светового излучения, чем хлопок, а он легче поддается воздействию светового излучения, чем нейлон. Ткани из легких материалов повреждаются при меньшем световом импульсе, нежели изготовленные из тяжелых материалов. Влажные ткани требуют для поражения значительно больший световой импульс, чем сухие. Эти выводы и учитываются при создании образцов техники и обмундирования для личного состава войск.

Еще одно направление в поисках защиты от светового излучения — это создание специальных средств для предохранения органов зрения, весьма чувствительных к яркому свету. Здесь, как отмечалось в печати, приходится привлекать данные из области не только оптики, но и автоматики. Так, в США уже в течение нескольких лет разрабатываются автоматические приборы для защиты глаз, принцип работы которых сводится к следующему. Световая вспышка воспринимается светочувствительным элементом, который приводит в действие специальный механизм. С его помощью в очки вводится светонепроницаемый материал. Один из способов затемнения очков — впрыскивание графита в виде суспензии между двумя стеклянными пластинками. Суспензия покрывает внутреннюю поверхность пластин, защищая глаза от поражения. Графит хранится в маленьком резервуаре, закрытом тонкой мембраной, которую разрывает давление газов при взрыве маленького заряда. Подобный прибор проходил испытания на перископе танка и в телескопическом прицеле. Существенным его недостатком считают одноразовость действия.

Встречалось в печати описание и других защитных очков, разработанных в США для морских летчиков (рис. 2). Специальная светонепроницаемая жидкость поступает здесь из резервуарчика, размещенного, как и фотоэлемент, в шлеме над стеклами очков.

Рис. 2. Автоматические очки для защиты от светового излучения ядерного взрыва

Как видно, изучение физических свойств ядерного оружия, его поражающих факторов, и в частности светового излучения, на различные объекты позволяет на основе хорошо известных физических законов и принципов применять более или менее эффективные защитные меры.

ВОЗДУХ, СТАВШИЙ ОРУЖИЕМ

Инженер-майор В. НЕКЛЮДОВ, инженер-майор Г. ПОЖИДАЕВ

На первый взгляд, это походило на детскую игру. Воздух накачивали в плотно закрытую камеру обыкновенной металлической трубы, неожиданно убирали одну перегородку и смотрели, как он истекает из камеры и движется в трубе. Ставили на пути воздушной струи игрушечные макеты и наблюдали, как они переворачиваются. Или гнали сжатый воздух по той же трубе, а на пути устраивали большую пустую камеру и опять смотрели, как он поведет себя при внезапно полученной свободе. Или еще лучше: делали воздуху в темном, глухом коридоре «подножку», заставляя разбивать «нос» о совершенно несерьезные, легко разрушаемые деревянные преграды и с любопытством наблюдали, в каком виде он добежит до тупика.

Чего только еще его не заставляли делать! И хлопать заслонками и заглушками, забираться в ловушки и лабиринты, просачиваться через песок и гравий. Додумались даже до того, что давали ему поиграть мячиком, которым он должен был обязательно заткнуть какое-то отверстие…

Однако это были далеко не игрушки. С некоторых пор ласковый и безобидный «эфир» превратился в грозное оружие. Какая же сила сделала его таким? Эта сила — мгновенный удар десятков миллионов атмосфер. Ядерный взрыв. Известно, что о мягкую воду можно разбиться, если падать с высоты более десяти метров. Но вода в 400 раз плотнее воздуха. Теперь же оказалось, что можно «разбиться» и о воздух.

Сжатый воздух со своим неразлучным другом поршнем давно делал и делает много добрых дел в технике. Это и пневматический инструмент, и насосы, пневматические мельницы, даже пневмотранспорт. Служил сжатый воздух и военной технике, правда непродолжительно и бесславно. В конце XVIII века, как пишут историки, некоторые войсковые части Австрии, Франции и других стран были вооружены пневматическими ружьями, которые стреляли на дальность в 100 м. Потом их вытеснило огнестрельное оружие. Сейчас «духовую» винтовку можно встретить разве только в тирах городских парков и кинотеатров, да еще этот принцип нашел применение в детских пистолетах-хлопушках.

Конечно, взрыв тротила, заключенного в бомбы и снаряды, делает существенным воздействие взрывной волны на людей. Но главный поражающий эффект все-таки заключается в фугасном действии и разлете осколков. Взрывная воздушная, или, как ее называют, ударная, волна действует в этом случае в небольшом радиусе.

Совсем иным стало положение с появлением ядерно-го оружия. Известно, что половина всей гигантской энергии, выделяемой при ядерном взрыве, уходит на образование ударной волны. И это, конечно, не прежняя взрывная волна, поражающее действие которой определяется коротким импульсом. Не случайно энергия ядерного взрыва, приведенная к тротиловому эквиваленту, измеряется сейчас уже десятками миллионов тонн. Ударная волна получила новые качества.

Исследованием ее качеств и занялись военные специалисты для того, чтобы найти эффективные способы защиты людей, боевой техники и различного оборудования. Этим и объясняются описанные нами в начале статьи странные, на первый взгляд, «игры», которыми занимаются в лабораториях и на полигонах ряда стран на протяжении уже более десятка лет.

Рассмотрим кратко основные физические свойства ударной волны ядерного взрыва. Уже первые испытания показали, что ударная волна — не простое явление. Гигантский поршень ядерного взрыва настолько сильно ударяет в окружающий воздух, что прессует его в сильно сжатую «стену», которая с большой скоростью, во много раз превышающей скорость звука, начинает распространяться во все стороны от центра взрыва. Приход в какую-либо точку ее передней поверхности, или, как говорят, фронта, сопровождается мгновенным скачком давления. Следом за ударом этой «стены» объект подвергается воздействию скоротечного ураганного вихря, который может иметь скорость в несколько сотен километров в час. Даже на расстоянии около 10 км от места взрыва мегатонной бомбы, как сообщалось в печати, максимальная скорость ветра превышает 110 км/час.

Всестороннее обжатие волной объекта и ее скоростной напор могут продолжаться до нескольких секунд, в зависимости от калибра ядерного боеприпаса и расстояния от эпицентра взрыва. В течение этого времени давление в волне и скорость движения воздуха падают. Давление, сравнявшись с атмосферным, меняет свой знак, то есть превращается в разрежение, и ток воздуха меняет направление на обратное. После этого в окружающей среде восстанавливается равновесие.

Выяснилось также, что при одном и том же давлении во фронте более сильные повреждения наносит ударная волна ядерного взрыва, чем взрыва тротила. Это объясняется тем, что продолжительность действия взрывной волны тротила в десятки и даже сотни раз меньше. Такое существенно новое качество ударной волны ядерного взрыва, которое, кстати, предопределило сложнейшую картину взаимодействия ее с различными преградами, и явилось, наряду с величиной давления, одним из главных факторов ее невиданного поражающего воздействия. Но это сильное качество стало одновременно и слабостью ударной волны. Оно оказалось одним из тех звеньев, взявшись за которое специалисты приступили к планомерным поискам защиты от нее.

Итак, главные физические характеристики ударной волны — избыточное давление, то есть давление воздуха, превышающее атмосферное, и скоростной напор, а также время действия фазы сжатия и ветрового движения воздуха. Не менее важным оказалось и так называемое давление отражения, которое образуется при действии ударной волны на преграду. Оно способно во много раз превысить избыточное давление в падающей волне.

Какими же путями на основании этих и других физических свойств ударной волны осуществляются за рубежом поиски защиты от нее? (Заметим, что мы рассматриваем здесь только воздушную ударную волну, не затрагивая волну сжатия в грунте и ударную волну ё воде.) Как сообщалось в зарубежной печати, сам человек, без защиты, очень уязвим от воздействия ударной волны. В городе он, например, может получить так называемое косвенное поражение, вызываемое летящими осколками оконных стекол и разрушающихся зданий, при избыточном давлении 0,14 кг/см^2. Хотя, как сообщала зарубежная печать, световое излучение ядерного взрыва может нанести ему ожоги второй степени на расстояниях, где давление имеет в два раза меньшую величину, то есть 0,07 кг/см^2.

Однако на основе изучения свойств ударной волны сделаны определенные рекомендации, которые позволяют незащищенному человеку уцелеть при давлениях, в 10 раз и более превышающих названное выше и определяемое величиной его прямого поражения, то есть непосредственным сжатием волной. Для этого надо максимально уменьшить так называемое метательное действие волны, связанное со скоростным напором, и уменьшить вероятность поражения осколками. Все это осуществимо, если после ядерной вспышки, находясь на открытой местности, быстро упасть на землю лицом вниз и головой в направлении взрыва или в противоположную сторону. Времени для этого может быть достаточно. Так, например, на преодоление расстояния в 16 км от эпицентра воздушного взрыва мощностью 10 мгт ударная волна тратит 37 секунд. Площадь тела лежащего человека, подвергающегося действию ударной нагрузки, будет малой, и опасность перемещения его уменьшится. От прямого воздействия ударной волны, и в частности для защиты барабанных перепонок, в этом случае рекомендуется использовать специальные предохранительные капсулы.

Для защиты личного состава от скоростного напора ударной волны и летящих осколков разрушаемых сооружений очень эффективны, как считают зарубежные специалисты, окопы и даже открытые траншеи и простейшие полевые сооружения в виде блиндажей и убежищ легкого типа. Избыточное же давление во фронте ударной волны выше 2 кг/см^2, по их мнению, требует уже постройки специальных защитных сооружений. Остовы таких сооружений возводятся из дерева, волнистой стали, бетона и железобетона. Однако эти сооружения так или иначе связаны с окружающей воздушной средой; потому одной из важных проблем стала борьба с затеканием ударной волны через дверные проемы, вентиляционные и другие сантехнические каналы. Появилась специальная классификация отверстий — отверстия большого и малого диаметра, открывающиеся периодически и открытые постоянно. Все они оборудуются специальными защитными устройствами — защитными герметическими дверями, противовзрывными клапанами или клапанами-отсекателями, волногасителями.

Двери делаются равнопрочными с защитными сооружениями. Но если на остовы заглубленных сооружений действует волна сжатия в грунте, то двери воспринимают воздушную ударную волну. Для защиты от больших давлений они получаются весьма массивными. На рис. 3 показана защитная дверь одного из зарубежных пунктов управления, рассчитанная на избыточное давление в несколько десятков килограммов на квадратный сантиметр.

Рис. 3. Защитная дверь входа в пункт управления

А нельзя ли облегчить условия работы дверей при воздействии ударной волны? Оказывается, можно, если предварительно «загрузить» волну, заставить ее растратить часть энергии. Так, например, считают, что, установив во входных туннелях перегородки, которые разрушаются на пути движения волны к дверям, можно снизить действие ее на дверь, поскольку обломки перегородок блокируют проход и отсекают часть ударной волны, тем самым ослабляя ее.

Для предохранения сооружений от затекания ударной волны через отверстия, которые в обычное время открыты — воздухозаборные, выхлопные и другие, — с успехом может использоваться само свойство большой продолжительности действия ударной волны. В этом случае применяют специальные системы, состоящие из различных типов противовзрывных клапанов, лабиринтных каналов или расширительных камер.

Один из вариантов таких защитных устройств работает по следующему принципу. Ударная волна одновременно подходит к воздухозаборному отверстию и противовзрывному клапану, находящимся на некотором расстоянии друг от друга. Клапан, устроенный по типу золотника, под действием волны перемещается и успевает закрыть вентиляционный канал до того момента, как по этому каналу снаружи подойдет ударная волна. Длина канала-лабиринта выбирается с таким условием, чтобы время движения по нему не превышало времени срабатывания клапана.

Вместо лабиринта может применяться расширительная камера. В этом случае используется свойство сжатого воздуха при резком увеличении сечения канала, в котором он движется, терять скорость, а с ней плотность и давление. Расширительная камера может использоваться и в тех случаях, когда запорные клапаны пропускают в сооружение определенную часть волны. К таким клапанам относится, например, маятниковый. Он представляет собой металлический шар, подвешенный в специально изогнутом участке воздуховода или трубопровода. Под действием ударной волны шар перемещается относительно точки закрепления, запирает сферическое гнездо в воздуховоде и держит его в таком положении во время действия фазы сжатия. Когда наступает разрежение, шар отводится обратным движением воздуха. Объем расширительной камеры определяется или временем срабатывания клапана или допустимым давлением, которое может возникнуть в сооружении.

Там, где потребность в воздухе невелика, вентиляционная система может защищаться песчаными или гравийными волногасителями. В этом случае волна не отсекается, как это происходит при действии клапана, а гасится в результате многократных отражений в толще гравия или песка. По сообщениям печати, испытание таких волногасителей показало, что они способны снизить избыточные давления в ударной волне с 7 до 0,014 кг/см^2.

В ряде случаев, особенно при защите больших воздухозаборных отверстий, использование энергии самой ударной волны становится неэффективным. Из-за громоздкости клапанов-отсекателей, их сравнительно медленного срабатывания она успевает проникнуть в сооружение. В таких случаях на помощь приходит автоматика. Клапаны получают дистанционное управление, закрывая отверстия по сигналу специальных датчиков до прихода ударной волны.

Датчиками могут служить фотоэлектрические реле, срабатывающие при вспышке ядерного взрыва. Сигналом о взрыве могут служить и гамма-излучения. К датчикам подключаются сервомеханизмы, которые и перемещают запорные элементы клапанов. Основным недостатком систем с дистанционным управлением клапанов считается необходимость осуществления специальных мероприятий по защите электронных устройств, весьма чувствительных к различным внешним воздействиям.

Вынужденные считаться с дороговизной ядерного оружия зарубежные военные специалисты одновременно с натурными испытаниями в течение ряда лет разрабатывали методы и средства моделирования и имитации ударных волн. При этом сыграло свою роль и подписанное многими странами соглашение о запрещении некоторых видов испытаний ядерного оружия.

Изучение физических свойств ударной волны ядерного взрыва, а также законов газовой динамики, описывающих механизм образования ударных волн, — кстати, законов, хорошо известных задолго до появления атомного оружия, — позволило разработать несколько способов создания или, как еще говорят, генерирования ударных волн, близких по своим параметрам к волнам ядерного взрыва.

Наибольшее распространение для моделирования ударных волн с нужными характеристиками за рубежом получили так называемые ударные трубы. Простейшие из труб — пневматические. С них как раз и начинался наш рассказ. Как уже говорилось, в одну часть трубы, так называемую камеру высокого давления, нагнетается воздух. После разрыва диафрагмы он устремляется в трубу, генерируя ударную волну. Широко распространены трубы, в которых ударная волна создается и другим путем.

Диаметры ударных труб, созданных за рубежом, самые различные: от нескольких сантиметров до нескольких метров. Известна, например, горизонтальная ударная труба диаметром 1,8 м. Длина ее 75 м, а расчетное давление до 7 кг/см^2. Как сообщалось в печати, в США, близ Киртленда (штат Нью-Мексико), создается ударная труба в виде тоннеля, пробитого в горе, длиной 1 тыс. м и диаметром 6 м. В этой трубе предполагается испытывать крупные модели сооружений, а некоторые сооружения и в натуральную величину.

Следует отметить, что многие из перечисленных выше защитных устройств прошли испытания именно в ударных трубах. Однако зарубежные специалисты считают, что из-за ограниченных размеров труб с их помощью не удастся в полной мере решить сложный комплекс задач по исследованию ударных волн и их воздействия на различные объекты. Поэтому ведутся поиски способов имитации воздействия ударной волны на больших площадях. Так, например, для исследования реакции заглубленных защитных сооружений, стартовых позиций межконтинентальных баллистических ракет разработаны способы создания давления на площади в 10 тыс. м^2 с помощью разложенной на поверхности земли сети из детонирующего шнура. Сообщалось, что удалось достигнуть давления в ударной волне при таком способе в 21 кг/см^2 и больше.

Для имитации ударной волны ядерного взрыва может быть использовано и специальное устройство, излучающее импульсы мощностью 20 тыс. мегаватт в миллионные доли секунды. Этот эффект достигается подачей заряда в очень короткое время от пятнадцати параллельно включенных больших конденсаторов на мостик сопротивления, который, взрываясь, имитирует ядерный взрыв.

Мы рассмотрели только некоторые проблемы, связанные с защитой от воздействия воздушной ударной волны ядерного взрыва. Из приведенных примеров видно, что эффективные способы защиты от поражающих факторов ядерного оружия, и в частности от ударной волны, основываются на знании ее свойств и использовании физических закономерностей.

РАКЕТА И ЯДЕРНЫЙ ВЗРЫВ

Инженер-полковник В. МАЛИКОВ, доцент, кандидат технических наук

Множество самых различных движений встречаем мы на каждом шагу: вращаются колеса электровоза, упало яблоко с яблони, прочертил небо самолет… Но если внимательно присмотреться к процессам, протекающим в природе и технике, то легко подметить и выделить особую группу движений — тех, которые периодически, через равные промежутки времени, повторяются: качается маятник часов, волна за волной набегает на морской берег, четкую синусоиду (т. е. кривую линию волнистой формы, графически изображающую изменение синуса в зависимости от изменения угла) вычерчивает электронный луч на экране осциллографа. Физики давно занимаются изучением подобных процессов, и результаты их наблюдений, выводов широко используются в решении самых различных технических задач.

С разнообразными формами колебаний — электромагнитными, звуковыми, механическими и другими — сталкиваются и военные специалисты. Чтобы познакомиться подробнее с их работой в этом направлении, давайте остановимся только на механических колебаниях, многие виды которых успешно используются при создании различной военной техники и позволяют решать проблемы, связанные с повышением эффективности ее боевого применения. Вместе с тем некоторые виды механических колебаний, возникающие при эксплуатации отдельных образцов, вредны, снижают их боевые качества и требуют осуществления целого ряда специальных конструктивных и технологических мероприятий. Так, повышение дальнобойности и скорострельности наземной, и особенно зенитной, артиллерии вызвало увеличение колебаний стволов и орудий, что привело к значительному снижению кучности стрельбы. В связи с этим потребовалось усовершенствовать конструкции лафетов и стволов, чтобы снизить разброс снарядов.

С появлением на поле боя танков, корпуса которых подвержены трем видам угловых и трем видам линейных колебаний, возникла проблема повышения эффективности стрельбы с ходу, что было осуществлено разработкой систем стабилизации вооружения танка в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Моряки с незапамятных времен имеют дело с колебаниями судов в волнующемся море, с вибрациями отдельных частей корпуса судна из-за действия неуравновешенных масс судовых механизмов. Помимо вертикальных колебаний, корпус корабля подвергается так называемой бортовой и килевой качке. Для уменьшения таких колебаний разработаны специальные устройства, получившие названия поглотителей колебаний судовых механизмов и успокоителей качки корабля.

В авиации, в связи с увеличением скоростей, возникла проблема исключения вибраций крыла и других несущих поверхностей самолета от действия аэродинамических сил, которые могут вызвать вибрации с нарастающими амплитудами, получившие название флаттера.

Наконец, успешное развитие ракетной техники во многом определялось решением проблемы колебаний корпусов ракет, вибрации отдельных частей, устройств и систем. Вибрационные нагрузки, возникающие в корпусе ракеты во время старта и полета, как сообщалось в зарубежной печати, часто приводили к снижению надежности механических и электронных систем. Появились в ракетной технике и другие проблемы, связанные с защитой от механических колебаний. Американские военные круги, делая ставку на межконтинентальные баллистические ракеты, сильно обеспокоены тем обстоятельством, что ракеты легко уязвимы от воздействия ударной волны и других поражающих факторов ядерного взрыва. Это вынудило специалистов искать пути обеспечения неуязвимости ракет от воздействия ядерного оружия.

По мнению руководящих деятелей Пентагона, эта задача должна решаться созданием подземных, так называемых шахтных пусковых установок. Однако на деле это оказалось не так-то просто. При разработке и строительстве шахтных установок возник ряд сложных научно-технических проблем. Одна из них как раз и ставит вопросы обеспечения сохранности ракет и различного электронного пускового оборудования от силового воздействия взрывов ядерных зарядов и вызываемых ими колебаний грунтовых массивов в местах расположения защитных сооружений — пусковых шахт и центров управления ракетных баз. Решить эту задачу, как отмечали зарубежные специалисты, оказалось особенно трудно в связи с тем, что американские межконтинентальные ракеты на жидком топливе типа «Атлас» и «Титан» и на твердом топливе «Минитмен» весьма чувствительны к сравнительно небольшим силовым перегрузкам.

Известно, что при взрыве ядерного заряда на поверхность земли действует огромное давление. От эпицентра взрыва распространяются ударные волны в воздухе и волны сжатия в грунте. В результате их воздействия в сооружениях возникают, как правило, быстрые по времени перемещения, приводящие к вертикальным, горизонтальным и крутильным колебаниям шахтных пусковых установок с относительно большими амплитудами и частотами, а на ракеты и оборудование, размещенные в шахтах, действуют значительные инерционные и вибрационные нагрузки.

Характер колебательных движений шахты существенно зависит от физико-механических свойств грунта и геологического строения района, где сооружена шахтная пусковая установка. В специальной литературе указывается, что параметры движения шахты при одном и том же избыточном давлении больше зависят от геологических условий, чем от мощности ядерного взрыва. Если шахта заложена в мягком грунте, имеющем низкочастотные характеристики колебаний, она будет подвержена большим перемещениям и сравнительно малым ускорениям. Иное дело — шахта, размещенная в твердых породах, обладающих высокочастотными характеристиками колебаний. Под воздействием взрыва она получит лишь небольшие перемещения, но зато значительные по величине ускорения.

В большинстве случаев шахтные пусковые установки, из-за их больших вертикальных размеров, приходится располагать в неоднородных грунтах, характеризующихся различной плотностью и частотными характеристиками. В связи с этим в американской практике возникли два направления в проектировании таких установок. Первое базируется на заблаговременной геологической разведке в районах предполагаемого строительства ракетных баз. В зависимости от геологического разреза и расчетного эквивалента ядерного заряда определяются период и амплитуды колебаний грунта и расчетные параметры движения шахты. Второе направление предусматривает разработку и проектирование шахтных пусковых установок для наиболее распространенных, так называемых «стандартных», грунтовых условий, с последующим проведением проверочных расчетов применительно к конкретным геологическим условиям, выявленным в процессе проходки шахт и их возведения. В американской печати сообщалось, что, как правило, проектировщики используют второе направление и только в исключительных случаях первое.

На рис. 4 показана зависимость перемещений и ускорений шахты от частотных характеристик колебаний «стандартного» грунта, возникающих при наземном ядерном взрыве. Как видно из графиков, чем меньше частота колебаний грунта, тем больше перемещение и меньше ускорение шахты.

Рис. 4. Зависимость перемещений и ускорений пусковой шахты от частотных характеристик колебаний грунта

Проектирование и строительство шахтных пусковых установок и обеспечение сохранности ракет и электронного пускового оборудования, отмечалось в иностранной печати, в значительной степени усложняется, когда ракетные базы размещаются в районах с водонасыщенным грунтом. Требуется знать его гидростатическое давление (гидростатика — часть гидродинамики, изучающая равновесие жидкости, а также равновесие твердых тел, полностью или частично погруженных в жидкость). При наличии гидростатического давления грунтовых вод горизонтальные ускорения пусковой шахты по своей величине будут близкими к вертикальным и могут достичь весьма значительных величин.

Следует, однако, заметить, что источником нагрузок и вибраций могут быть не только взрывы ядерных зарядов, но и работа вспомогательных агрегатов и машин. Ее тоже приходится учитывать проектировщикам.

Колебания шахтных пусковых установок вызывают расстройство функций аппаратуры и систем, размещаемых на борту ракеты, а также механизмов технологического оборудования. Все это может сорвать боевой пуск ракет. И вот, для того чтобы снизить действующие на ракету перегрузки до безопасных значений, применяют специальные системы амортизации как для ракет в целом, так и для отдельных, наиболее чувствительных объектов технологического оборудования и пусковой аппаратуры.

Системы амортизации, по мнению зарубежных специалистов, значительно повышают вибростойкость ракет и позволяют изолировать от нежелательных колебаний оборудование шахты. Действительно, если ракета жестко соединена с опорным основанием шахтной пусковой установки, она и ее системы будут испытывать те же ускорения, скорости и перемещения, которым подвержена сама установка. Особенно опасны ускорения, поскольку они способны развивать значительные силы инерции и приводить в конечном счете к расстройству бортовых систем ракет и механизмов шахтного оборудования.

Чтобы избежать этих нежелательных явлений, ракеты в шахтах устанавливают на упругие элементы — амортизаторы, которые растягивают во времени действие сил инерции и таким образом уменьшают передаваемые усилия.

Однако разработка эффективных систем амортизации ракет и объектов технологического оборудования вызывает за рубежом значительные научно-технические трудности. Процессы взаимодействия шахт с грунтом при механическом действии ядерного взрыва еще недостаточно изучены. В американской практике расчетные параметры амортизации ракет и технологического оборудования выбираются на основании обобщения большого количества опытных данных с учетом собственных колебаний амортизируемых объектов.

Ракеты и другие крупные объекты технологического оборудования шахты имеют низкие частоты собственных колебаний, в то время как большинству элементов электронно-пусковой аппаратуры свойственна высокая частота колебаний. Поэтому системы амортизации ракет и оборудования шахт и центров управления ракетными базами в США конструктивно выполняются по трем различным схемам.

По первой схеме ракета и все оборудование шахты объединяются в общую клеть, снабженную единой системой амортизации.

По мнению американских специалистов, основное преимущество такой схемы заключается в том, что из-за большой массы она способна гасить высокочастотные колебания и ускорения шахты, а также снижать низкочастотные колебания. К таким колебаниям чувствительны ракеты и крупные объекты технологического оборудования.

При разработке подобной амортизации общая масса колебательной системы и суммарная жесткость ее упругих элементов выбирается в зависимости от частоты вынужденных колебаний шахты. Сообщалось, что, если удачно выбраны расчетные параметры, такая система значительно ослабляет действие вынужденных колебаний шахты на ракету и оборудование. Она особенно эффективна для шахт, размещаемых в грунтовых породах, частотные характеристики которых мало изменяются при взрывах ядерных зарядов различной мощности.

Надо сказать, что общая система амортизации накладывает определенные условия на конструктивную стойкость отдельных элементов оборудования. Элементы, находящиеся в общей колебательной системе, должны быть устойчивы к перегрузкам, возникающим при избыточных давлениях во фронте воздушной ударной волны до 2 кг/см^2. Что же касается работающих агрегатов технологического оборудования, размещенных в шахте, то они должны иметь собственные системы виброизоляции, чтобы исключить передачу вибраций (колебаний, дрожаний) опорным основаниям.

Общая система амортизации нашла применение в шахтных пусковых установках для амортизации ракеты «Атлас». Она состоит из четырех пружинных блоков-подвесок, поддерживающих квадратную клеть с ракетой и необходимым оборудованием. Общий вес клети составляет 1350 т, высота ее 45 м при длине стороны основания 14,7 м.

В клеть вмонтирована ферма, обеспечивающая распределение нагрузки от четырех точек крепления на десять вертикальных несущих элементов. Верхняя часть пружинного блока крепится к металлическим кронштейнам на стене шахты, а нижняя — к кронштейнам клети. Каждая блок-подвеска представляет собой набор из шести пар параллельно работающих телескопических пружин. Диаметр одной пружины 600 мм, толщина прутка, из которого она изготовлена, — 62,5 мм.

Амортизация клети в вертикальной плоскости осуществляется за счет упругости пружин, а в горизонтальной плоскости — маятниковой конструкцией подвески. Для уменьшения амплитуд горизонтальных колебаний маятниковой подвески между клетью и стенками шахты установлены специальные гасители. Они ограничивают перемещения клёти до приемлемых пределов. Зазор между стенкой шахты и клетью составляет 45 см, что, по мнению зарубежных специалистов, достаточно для максимально возможных перемещений клети при действии на шахту избыточного давления во фронте воздушной ударной волны, равного 7 кг/см^2.

По второй схеме для ракеты и каждого из объектов оборудования шахты разрабатывается отдельная, так называемая автономная, система амортизации. Сообщалось, что это требует не только огромной конструкторской работы, но и проведения весьма дорогих натурных или стендовых испытаний. Если же испытательные стенды, позволяющие воспроизводить или моделировать действия ядерного взрыва на шахты, отсутствуют, разработка систем автономной амортизации в еще большей степени затрудняется. Применение автономной системы амортизации за рубежом признается оправданным в конструкциях тех пусковых установок, где предусматривается небольшое количество объектов технологического оборудования, нуждающихся в амортизации, или если используются устройства, обладающие высокой стойкостью к механическому действию ядерного взрыва. По этой схеме выполнена, в частности, система амортизации американских ракет «Титан II» (рис. 5). Несколько другая, но основанная на тех же принципах система амортизации ракеты «Минитмен». Особенность ее — наличие специального устройства, обеспечивающего вертикальное положение ракеты путем поджатия или ослабления упругих элементов амортизаторов.

Рис. 5. Система амортизации ракеты

Третья схема предусматривает объединение групп оборудования, размещаемых на одном уровне (этаже) шахты или центра управления ракетными базами и применение для этой группы оборудования индивидуально-групповой системы амортизации. Такая схема амортизации получила наименование комбинированной. Она находит применение при амортизации электронно-пусковой аппаратуры как в шахтных пусковых установках, так и в центрах управления.

Так, центр управления шахтными пусковыми установками ракет «Минитмен» для защиты электронно-пускового оборудования и предупреждения травм у обслуживающего персонала при воздействии ядерного взрыва имеет маятниковую систему амортизации. Она представляет собой подвешенную к верхнему перекрытию платформу размером 8,4 на 3,6 м и весом 31,5 т. Четыре упругих элемента обеспечивают снижение перегрузок, действующих на платформу в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Для гашения колебаний платформы в горизонтальном направлении предусмотрены четыре пневматических демпфера.

Вертикальные упругие элементы платформы представляют собой пневмопружинные амортизаторы. Они состоят из прикрепленного к платформе цилиндра высокого давления, поршня и штока, шарнирно соединенного с перекрытием. В статическом положении равновесия платформа удерживается давлением воздуха и пружиной, находящейся в цилиндре. Цилиндр подвески амортизатора размещается в воздушном баллоне, внутри которого находится воздух под тем же давлением, что и в цилиндре. Если под воздействием ядерного взрыва перекрытие пункта управления перемещается, увеличивается объем цилиндра и давление в нем уменьшается. Но тотчас в цилиндр из баллона начинает поступать воздух и динамичность нагрузки снижается. Уменьшается и перемещение платформы вниз. При обратном перемещении перекрытия избыточное давление в цилиндре снижается за счет выпуска воздуха.

Эффективность подобной системы амортизации может быть практически изменена в любом диапазоне путем изменения количества воздуха, поступающего в цилиндр и выпускаемого из него. По мнению зарубежных специалистов, основное достоинство пневмопружинных элементов состоит в том, что они позволяют достичь низкой частоты колебаний амортизируемой платформы. Это дает возможность в широком диапазоне снижать действующие нагрузки при относительно небольших горизонтальных перемещениях платформы. В целом же такая система обеспечивает снижение ускорений платформы центра управления вниз до 0,5 g, вверх до 3 g, а в горизонтальном направлении до 1 g, что, по американским данным, вполне допустимо для безопасного обслуживания оборудования управления подземными ракетными базами.

Многим читателям, вероятно, помнится описываемое в школьных учебниках явление резонанса. Оно состоит в том, что размах колебаний какого-либо тела резко возрастает, когда на его собственные колебания, частота которых определяется свойствами самого тела, накладывается действие внешних сил, имеющих ту же частоту. Классический пример резонанса — разрушение моста, по которому шел в ногу строй солдат.

О резонансе приходится думать и конструкторам систем амортизации ракет в шахтах. При расчетах они следят за тем, чтобы частота собственных колебаний ракетной амортизирующей системы, помещенной в шахту, находилась в определенном соотношении с частотой колебаний, которые могут возникнуть при воздействии ударной волны ядерного взрыва.

По мнению зарубежных специалистов, достоверный расчет систем амортизации предполагает очень точное предварительное знание всех собственных частот колебаний амортизируемого объекта и частот вынужденных колебаний шахтного сооружения. Но если первые определяются сравнительно просто, значения других зависят от многих трудно учитываемых факторов, а потому и вычисляются весьма приближенно. Существенное влияние на частоты и амплитуды колебаний шахтных сооружений оказывает характер колебательных движений грунтовых пород. Однако для того чтобы выяснить качественную и количественную картину этих колебаний, необходимы сложные экспериментальные работы. Последнее, как считают зарубежные специалисты, составляет одну из серьезных научно-технических проблем, разрешение которой может значительно повысить степень защищенности ракетных комплексов от воздействия ядерных взрывов.

Таковы некоторые особенности учета механических колебаний при создании современных образцов боевой техники. Как видно, они непросты и требуют глубокого проникновения в суть разнообразных физических процессов. С дальнейшим развитием военного дела круг подобных проблем будет, несомненно, расширяться. Ученым, инженерам придется решать все новые и новые задачи. А это, в свою очередь, повысит требования к знаниям, кругозору тех специалистов, которым придется эксплуатировать, использовать в бою новые образцы вооружения и боевой техники.

САМОЛЕТ — ПТИЦА?

Генерал-майор инженерно-технической службы запаса Г. БУРАГО, профессор, доктор технических наук

В удивительном прогрессе авиации с момента ее зарождения и до наших дней, наряду с колоссальным ростом грузоподъемности самолетов, высоты и дальности полета, особенно выделяются успехи в штурме скоростей. Взгляните на график (рис. 6). На нем показано, как из года в год росли абсолютные рекорды скорости полета самолетов. Из графика видно, что с 1906 по 1962 год скорость увеличилась примерно от 50 до 3 тыс. км/час, т. е. в 60 раз! Какими путями был достигнут такой гигантский скачок скоростей? Конечно, прежде всего увеличением мощности авиационных двигателей, и главный прирост в рекордах скоростей произошел с внедрением в авиацию реактивных двигателей. Да и материалы, из которых делают самолеты, стали более прочными.

Рис. 6. Так росли по годам абсолютные рекорды скорости полета самолетов

Обратите также внимание на то, как изменилась за эти годы форма самолетов, их внешний вид. Случайно ли это? Прихоть ли руководила конструкторами, стремление к более красивым формам или какая-то закономерность, целесообразность? Конечно, не прихоть. Внешние формы быстроходных самолетов подсказаны необходимостью. Посмотрите еще раз на график. Случайно ли, что силуэты тихоходных самолетов в нижней части кривой чем-то напоминают цаплю или аиста в полете, а в верхнем — стрижа, ласточку или сокола, сложившего крылья для стремительного броска на добычу? Нет, не случайно. И в том и в другом случае в борьбе за скорость надо было уменьшить сопротивление воздуха. Но человек, однако, не копировал птицу. Он шел к этой целесообразной форме крыла современных скоростных самолетов своим, сложным путем.

Впервые летчики почувствовали неладное в конструктивных формах довоенных самолетов при полетах с большой дозвуковой скоростью. Она достигалась при крутом пикировании и в тех случаях, когда использовались ракетные ускорители. В этот момент с самолетом начинали происходить странные и опасные явления: он трудно поддавался управлению, а то и совсем выходил из-под контроля летчика.

Стало ясно, что нельзя безнаказанно увеличивать скорость полета, устанавливая на самолетах все более мощные двигатели, пока не будет определена физическая причина этих и других непонятных явлений. Почему еще в дозвуковом полете самолет вдруг начинает испытывать какое-то дополнительное и очень большое сопротивление? И почему он при этом становится неуправляемым? За выяснение этой загадочной картины взялись ученые-аэродинамики.

Надо сказать, что в механике, в этом старейшем разделе физики, за последние десятилетия очень сильно развилась аэродинамика — наука о движении воздуха. С тех пор как Н. Е. Жуковский разгадал тайну птичьего крыла и объяснил механизм образования его поистине чудодейственной подъемной силы, которая затем помогла поднять в небо аппараты намного тяжелее воздуха, ученые немало сделали для развития авиации. Не одна научная проблема, важная для практики, была решена ими. И вот теперь предстояло решить новую.

Были созданы специальные аэродинамические трубы с большими дозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями потока. В них подверглась тщательному исследованию модели самолетов различной формы. В результате множества опытов было установлено, что при обтекании околозвуковым потоком модели самолета с толстым крылом большого удлинения (то есть имеющего большое отношение размаха крыла к хорде или, попросту говоря, ширине) около поверхности машины образуются обширные зобы со сверхзвуковой скоростью потока. В конце этих зон возникают сильные ударные волны, которые и оказываются источником большого дополнительного сопротивления, названного поэтому «волновым».

Похожие результаты ученые получили и при сверхзвуковых скоростях потока в трубе, если модель самолета имела тупую носовую часть и крылья были установлены под большим углом (так называемым углом атаки) к направлению потока. Более простыми оказались течения воздуха около тонких тел с заостренной носовой частью и около тонких крыльев с острой передней кромкой и малыми углами атаки.

Таким образом, было установлено, что обычные прямые крылья большого удлинения и большой относительной толщины (по отношению к ширине крыла), очень хорошие при малых скоростях полета, совершенно непригодны для самолетов с большими дозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями. Слишком велико их волновое сопротивление. Кроме того, при переходе к большим дозвуковым скоростям полета (вспомним пикирование) происходит резкое перераспределение давления воздушного потока на поверхности самолета, что сразу же ухудшает его управляемость и даже может вывести из повиновения летчику.

Этими недостатками, как выяснилось, почти не страдают тонкие стреловидные или треугольные крылья с малым удлинением. И чем большая предполагалась максимальная скорость самолета, тем большим должен был быть угол стреловидности, меньше удлинение и относительная толщина крыла. Так самолеты-цапли стали самолетами-ласточками, а точнее — застывшим изображением птиц в самой выгодной для данной скорости полета форме. Однако этой внешней аналогии не стоит придавать большого значения: ведь самой быстрой птице не угнаться за самым тихоходным самолетом, и тем более птицам никогда не узнать, что такое волновое сопротивление, рожденное сверхзвуковыми скоростями.

Итак, благодаря могучим современным двигателям и найденной совершенной форме крыла скорости самолетов на сегодня перевалили рубеж 3 тыс. км/час. А как будет дальше? Конечно, скорости будут расти, ведь техника не может стоять на месте, жизнь требует новых, более быстроходных самолетов. Ученые — аэродинамики и термодинамики — с уверенностью говорят, что наука уже дала ответ на то, какие скорости полета в авиации могут быть освоены в недалеком будущем. Называют цифры, превышающие скорость звука в 10–12 раз! Такие скорости длительного и экономичного полета в атмосфере могут дать в будущем, как считают зарубежные специалисты, прямоточные воздушно-реактивные двигатели.

Но одно дело наука, другое — практика. Пока что освоены скорости, равные только трем звуковым. Но уже при такой скорости появились проблемы, которые начинают всерьез волновать специалистов. Вот хотя бы посадка самолетов. Практика показывает, что с возрастанием максимальной скорости неизбежно увеличивается и посадочная. Сейчас она у некоторых самолетов стала превышать 250 км/час. Пришлось принимать специальные меры, чтобы обезопасить посадку. Однако, по мнению зарубежных специалистов, ни удлинение посадочных полос, ни использование тормозных парашютов не сняло определенной тревоги за каждый самолет, идущий на посадку с большой скоростью. Режим посадки находится уже на грани аварийного. Каков же выход из этого положения?

Ответ в общем-то давно известен. Уменьшить посадочную скорость можно, используя на посадке крылья дозвуковых самолетов, тех, что находятся в нижней части нашего графика. Но такие крылья, как мы уже говорили, для сверхзвуковых полетов совершенно неприемлемы. Они ведь должны быть стреловидными. А если объединить два этих качества в одно — сделать крыло с изменяющимся положением относительно самолета и потока воздуха? Подлетает, скажем, такой самолет к аэродрому, разворачивает, подобно птице, стреловидное крыло, делает его прямым и начинает планировать, совершая посадку с малой скоростью…

Идея создать крылья с изменяющейся в полете конфигурацией, вообще говоря, не нова. Однако зарубежные специалисты долгое время считали, что достигнутый уровень современной техники не позволяет осуществить надежную конструкцию такого крыла.

В последнее время в среде зарубежных военных специалистов не раз обсуждался вопрос о том, как создать самолет, который обладал бы одновременно качествами боевых машин разного назначения, например истребителя-перехватчика и тактического бомбардировщика. Однако истребитель должен обладать способностью длительно патрулировать в воздухе на самом экономичном режиме дозвукового полета и при необходимости резко набирать большую скорость, а бомбардировщик — иметь возможность на низкой высоте преодолевать на сверхзвуковой скорости зону действия наземных радиолокационных станций противника.

И все это, оказывается, возможно осуществить, если самолет уподобить соколу или орлу, которые раскидывают крылья и делают их прямыми при длительном полете— парении и складывают для стремительного броска на добычу. Проект такого самолета, «самого спорного в мире», как назвала его зарубежная печать, был разработан в США. Построен и опытный образец, известный под названием многоцелевого сверхзвукового истребителя-бомбардировщика F-111.

Максимальная скорость этого самолета составляет 2655 км/час на высоте 18,3 км. При взлете, патрулировании и посадке стреловидность его крыла минимальная — 16°, а размах крыла при этом равен 19,2 м. При крейсерском режиме полета стреловидность максимальная — 75,5° и размах — 9,7 м. Различные положения крыла F-111 показаны на рис. 7.

Рис. 7. Самолет, у которого в полете может изменяться форма крыла

Во время одного из летных испытаний при умеренной скорости полета — 740 км/час посадочная скорость F-111 составила всего 125 км/час. В другом полете со скоростью 1900 км/час даже отказ тормозного парашюта, как сообщала печать, не помешал летчику произвести безаварийную посадку.

Некоторые из зарубежных специалистов считают, что крыльями с изменяющейся в полете геометрией будут обладать в будущем только многоцелевые самолеты, т. е. такие, которые способны решать несколько различных задач. Но есть и другие мнения, согласно которым подобные крылья будут иметь более широкое применение, например в сверхзвуковой транспортной авиации и даже на гиперзвуковых самолетах. Кстати, как сообщалось в печати, крыло с изменяющейся в полете геометрией собирается использовать фирма «Боинг» при постройке нового сверхзвукового транспортного самолета. Считают, что это позволит улучшить взлетно-посадочные характеристики и уменьшит необходимую длину взлетно-посадочной полосы.

А вот пример из арсенала сторонников первой точки зрения. Экспериментальный гиперзвуковой пилотируемый самолет Х-15А-2 имеет неподвижное прямое крыло. В том, что крыло сделано прямым, видно стремление конструкторов в какой-то мере облегчить посадку. Но крыло тонкое и имеет малое удлинение, а это уже дань большой сверхзвуковой скорости, так как этот самолет рассчитан на максимальную скорость 8800 км/час на высоте 30,5 км. Х-15А-2 снабжен ракетным двигателем и не может взлетать с земли. Он доставляется на определенную высоту самолетом-носителем. Однако садится машина по-самолетному, но с громадной посадочной скоростью (340 км/час, а по некоторым данным, и выше), требующей от пилота поистине циркового искусства в точности приземления.

Таковы вкратце некоторые проблемы, с которыми сталкивались и сталкиваются специалисты при конструировании новых самолетов больших сверхзвуковых скоростей. Однако как будут выглядеть будущие гиперзвуковые самолеты, сказать сейчас трудно. Этот вопрос находится еще, как мы видим, в стадии предварительных исследований и разработок. Большой отпечаток на внешнюю форму гиперзвукового самолета может наложить сложная проблема защиты конструкций от аэродинамического нагрева.

СЕКРЕТЫ СКОРОСТИ

Инженер-капитан 1 ранга В. ГЕРАСИМОВ, кандидат технических наук

Механика составляет древнейшую часть физики. Основы механики твердых тел и гидростатика разрабатывались еще Архимедом. Динамика жидких и газообразных тел куда моложе. Она зародилась как наука лишь в XVIII веке и действительно больших успехов добилась только в нашем столетии. Зато теперь ни один проект корабля, самолета, ракеты не может быть создан без учета законов гидро- или аэродинамики.

Этим-то ветвям могучего древа физики мы в значительной степени и обязаны тем, что живем в век больших скоростей. Взять, к примеру, авиацию. Она уже давно перешагнула звуковой барьер. А космические аппараты и ракеты преодолевают за один час десятки тысяч километров.

В кораблестроении пока еще результаты намного скромнее. Да это и понятно: ведь вода в 800 раз плотнее воздуха. Значит, во столько же раз больше и сила сопротивления, которая воздействует на движущееся в ней тело. Но и на воде можно получить высокие результаты, если подчинить всю конструкцию судна идее достижения рекордной скорости. За рубежом, например, был создан катер, который за час проходит более 440 км. Однако плавать он способен лишь в штилевую погоду, а его полезная нагрузка практически равна нулю.

Именно эти особенности таких судов и делают их непригодными для всех иных целей, кроме спортивных и исследовательских. Ведь грузоподъемность, например, имеет огромное военное значение. И здесь корабли, вообще говоря, находятся вне конкуренции. Так, если для ракет полезная нагрузка исчисляется несколькими тоннами, а для самолетов десятками тонн, грузоподъемность современных транспортных судов достигает многих десятков тысяч тонн.

Быстроходность, грузоподъемность и мореходность корабля неразрывно связаны друг с другом. Не удивительно, что получить желаемые тактико-технические данные конструкторы могут только в результате компромиссных решений. И не случайно, что современные эскадренные миноносцы капиталистических флотов имеют скорость 65–70 км/час, т. е. на 10–12 км/час меньшую, чем лучшие итальянские эсминцы 30-х годов. Эта уступка была сделана для того, чтобы улучшить мореходность, взрывостойкость, повысить прочность новых кораблей, оснастить их радиоэлектронной техникой, ракетным оружием.

Понятно, что это — временная уступка. Инженеры и ученые усиленно работают сейчас над тем, чтобы не только вернуть надводным кораблям потерянную скорость, но и повысить ее.

А вот скорости хода подводных лодок зарубежных стран за последние 20 лет уже возросли в два-три раза и достигают 50–55 км/час. Отдельные же опытные лодки способны развивать скорости свыше 60 км/час. Это значит, что современные корабли морских глубин по своим скоростным качествам вплотную приблизились к эскадренным миноносцам и фрегатам, составляющим ядро надводных сил противолодочной обороны.

Высокая скорость подводного хода составляет одно из ценнейших качеств подводной лодки. Она повышает вероятность перехвата целей, сокращает время, затрачиваемое на переход в район позиций, открывает возможности активных боевых действий, облегчает отрыв от кораблей противолодочной обороны. Но очевидно, не в меньшей степени значительная скорость хода нужна и надводным кораблям — основным соперникам и противникам подводных лодок.

Как же ученые и инженеры борются за скорость кораблей?

Существуют два главных направления улучшения скоростных качеств всякого корабля. Первое из них — повышение мощности его главных механизмов, второе — совершенствование гидродинамики корабля и прежде всего снижение его сопротивления.

Учитывая реальные возможности этих направлений, американские специалисты считают вероятным, принципиально возможным повышение скоростей хода атомных подводных лодок как максимум до 50 узлов (90 км/час). Полагают, что лодки со столь высокими скоростными качествами будут более всего походить на торпеды. На них уже не останется таких выступающих частей, как ограждение рубки или выходящие за обводы корпуса обтекатели гидроакустических станций, а их наружная обшивка приблизится по гладкости к полированной поверхности. Но даже при этих условиях будет необходимо еще и значительное повышение мощности энергетической установки.

Конечно, 90 км/час — это огромная скорость для водной среды. Но в иностранной печати можно встретить заявления, что в дальнейшем и она не будет считаться достаточной. Например, американский специалист-подводник Ч. Момсен считает, что лодки будущего должны обладать скоростью подводного хода 110 км/час и более. А в выступлениях других специалистов встречаются и такие цифры, как 130–165 и даже 185 км/час (100 узлов).

Какими же путями можно обеспечить подводным лодкам столь высокие скоростные качества? Ведь одним повышением мощности механизмов здесь не обойтись. Это подтверждается расчетами американских инженеров, которые показывают, что, например, для-достижения скорости в 110 км/час удельный вес ядерных энергетических установок должен быть не более 4 кг/л.с. Но в настоящее время по этим расчетам он выше в 12–15 раз, и лишь в перспективе ожидается его снижение вдвое-втрое. Следовательно, для выхода за рубеж 90 км/час нужно изыскивать принципиально новые способы снижения сопротивления.

Еще труднее решается проблема больших скоростей для надводных кораблей и судов. В отличие от глубоко погруженных подводных лодок, сопротивление движению которых обусловлено в основном силами трения воды о их обшивку, у надводных кораблей есть еще и так называемое волновое сопротивление. Дело в том, что с повышением скорости резко возрастает интенсивность вызванного движущимся кораблем волнообразования. Образовавшаяся система волн неотступно следует за кораблем, приводя к такому распределению сил давления воды по корпусу, которое сильно увеличивает его сопротивление. Вот почему даже возрастание мощности машин вдвое-втрое могло бы дать лишь 10—20-процентное приращение скорости корабля.

Таким образом, кораблестроители оказываются вынужденными искать «обходные маневры» и призывать в союзники не только гидродинамику, но и физику в широком смысле слова, чтобы «обмануть» природу и создать еще более быстроходные корабли.

Известно, что некоторые инженерно-физические задачи нередко лучше всего решаются в живой природе. Вот почему в поисках путей преодоления «барьера трения», стоящего на пути повышения скоростей подводных лодок, зарубежные гидродинамики принялись разгадывать некоторые «биологические секреты». И это не удивительно. Ведь считается, что отдельные разновидности дельфинов могут развивать скорость до 45 км/час, а меч-рыба — до 90 км/час. Но дело не только в абсолютных величинах скоростей. Ученые уже давно установили, что сопротивление дельфина, рассчитанное обычным для кораблестроения способом, оказывается примерно в 8—10 раз больше того, которое способна преодолевать мышечная система животного.

Это удивительное несовпадение, получившее название «парадокса Грея», объясняется по-разному. Некоторые ученые считают, что кожный покров дельфина благодаря своей гладкости и эластичности, обусловленным свойствами не только самой кожи, но и толстого жирового подслоя, гасит, или, как еще говорят, демпфирует возмущения в потоке воды, которые могли бы срывать ламинарный режим течения вблизи тела дельфина и переводить его в турбулентный. При ламинарном движении жидкости отдельные струйки — слои воды — текут параллельно, обтекая препятствие равномерными слоями (в отличие от турбулентного — вихревого, хаотичного движения). Известно, что при ламинарном, или слоистом, обтекании тела, когда слои жидкости не перемешиваются друг с другом, сопротивление трения пропорционально скорости в степени 1,5. При турбулентном режиме течения жидкость вокруг движущегося тела интенсивно перемешивается (рис. 8 — вверху), и сопротивление пропорционально почти что квадрату скорости. Правда, ламинарное течение неустойчиво, и для его поддержания необходимы особо благоприятные условия. Но ученые считают вполне вероятным, что при обтекании кожи дельфина такие условия как раз существуют.

Немецкий инженер М. Крамер, живущий сейчас в США, даже разработал специальное эластичное покрытие для торпед и подводных лодок, имитирующее основные свойства кожи дельфина. Оно делается из специальной резины и имеет внутренние полости, которые заполняются кремнийорганической жидкостью, заменяющей дельфиний жир. При опытах с относительно небольшими моделями подводных снарядов Крамеру удалось снизить их сопротивление на 50–60 %.

Но у идеи Крамера нашлись противники. Они утверждают, что для большого снижения сопротивления кожа дельфина должна быть не пассивным, а активным демпфирующим покрытием. Это значит, что ее эластичность сама по себе еще недостаточное условие для эффективной работы. Необходим и какой-то физиологический механизм регулирования податливости кожи. Так, профессор Пикар считает, что нервные окончания в кожном покрове морских животных улавливают изменения давлений, предшествующие переходу течения из ламинарного режима в турбулентный, и передают соответствующие сигналы в центральную нервную систему, которая регулирует надлежащим образом демпфирующую работу кожи. Такого же мнения придерживается американец Бетчов, считающий покрытие Крамера с пассивным демпфированием бесперспективным.

Рис. 8. Обтекание тела жидкостью. Турбулентное (вверху), оно может стать ламинарным, если при движении тела часть жидкости будет удаляться от пограничного слоя (внизу)

Встречаются также попытки отнести малое сопротивление дельфина за счет особого действия какой-то смазки типа рыбьей слизи, якобы выделяемой его кожным покровом. Но они оказались необоснованными. Ни дельфины, ни многие другие быстроходные представители подводного мира не имеют такой смазки. Более того, установлено, что слизистое покрытие характерно прежде всего для относительно тихоходных рыб, живущих в заиленных водоемах.

Есть и такие специалисты-гидродинамики, которые объясняют «парадокс Грея» тем, что большая часть тела дельфина участвует в создании той движущей силы, которая обеспечивает плавание его в воде с необходимой скоростью. Они принимают во внимание, что тело животного выполняет в одно и то же время функции «корпуса» и «движителя». А потому, по их мнению, неверно рассчитывать сопротивление дельфина таким же порядком, как сопротивление корпуса корабля.

Для повышения же скоростей подводных лодок они предлагают снабдить их многокамерной резиновой оболочкой поверх обычного корпуса и поочередно подавать в секции этой обшивки воздух с одновременной откачкой его из других секций. Так будет создана бегущая по поверхности корпуса волна, имитирующая изгибные движения тела морского животного, с помощью которых и создается движущая его «сила упора».

Наконец, некоторые биологи сомневаются в достоверности имеющихся данных о максимальной скорости дельфинов и утверждают, что при длительном движении она обычно не превышает 18–20 узлов. Не отрицая того, что в отдельных случаях дельфины могут плыть и быстрее, они считают это возможным лишь за счет весьма кратковременного перенапряжения мышц, к которому способны в определенных обстоятельствах и другие животные.

Различные истолкования одного и того же явления говорят о том, что настоящий ключ к «тайне дельфина» еще не найден. Однако специалисты биологи и гидродинамики уже серьезно принялись за изучение секретов больших скоростей в животном мире.

Возможны и другие способы сохранения ламинарного режима обтекания подводных тел. Они основаны на удалении или отсосе из потока, обтекающего тело, некоторой части жидкости из области, непосредственно прилегающей к обшивке. Эта часть потока называется в гидродинамике «пограничным слоем». Основные физические явления в этой области течения изучает специальная наука — теория пограничного слоя. Именно в пограничном слое в результате возмущающего действия движущегося тела и происходят явления, которые срывают ламинарное течение. Отсос уменьшает толщину слоя и удаляет из него наиболее возмущенные движущимся телом массы жидкости, что способствует сохранению ламинарного обтекания (рис. 8 — внизу).

Сообщалось, что американские специалисты исследуют возможность ламинаризации обтекания скоростных торпед путем отсоса пограничного слоя через пористую обшивку. Правда, есть опасения, что мелкие поры будут засоряться взвешенными в морской воде минеральными частицами и планктоном. Для исследования особенностей отсоса в натурных условиях ведутся исследования на специальном опытовом судне. Ч. Момсен считает принципиально возможным применение такого способа ламинаризации и на подводных лодках. Ожидают, что применение отсоса повысит скорость хода при неизменной мощности механизмов в 1,5 раза.

Но не только отсосом можно уменьшать сопротивление. Ряд поставленных в США опытов говорит и об эффективности введения в пограничный слой так называемых «неньютоновских жидкостей». К их числу относятся водные растворы полимерных веществ, обладающих высоким молекулярным весом. Например, раствор даже относительно слабой концентрации (менее 0,2 %) при введении его в пограничный слой подводного тела способен снизить сопротивление в 2,5 раза, что ведет к значительному увеличению скорости. Такое действие полимеров объясняется тем, что в них действие сил трения подчиняется иным, чем для воды, законам из-за иной структуры и другой ориентации молекул этих веществ. В изучении подобных процессов гидродинамика тесно переплетается с молекулярной физикой.

Некоторые из отмеченных здесь идей уже проходят экспериментальную проверку в натурной водной среде. Например, бюллетень «Интеравиа эйр леттер» сообщал о проходивших в США испытаниях подводных самоходных снарядов «Дельфин-1» и «Дельфин-2». Сопротивление их удалось понизить примерно вдвое за счет применения одной из систем управления пограничным слоем. Так, «Дельфин-2» развивал скорость до 110 км/час (60 узлов).

Испытывалась также торпеда с системой подачи в пограничный слой раствора полимера. По данным журнала «Дейта», при работе этой системы скорость торпеды возросла за три секунды на 45 %.

Проверялись и другие, менее плодотворные идеи. Так, многие зарубежные изобретатели предлагали покрыть подводные части корпуса гидрофобными (водоотталкивающими) веществами. Но проведенные эксперименты не обнаружили снижения сопротивления.

Излюбленная идея изобретателей — применение «воздушной смазки», т. е. создание воздушной прослойки между днищем корабля и водой. Долгое время этот способ уменьшения трения не давал желаемых результатов, и лишь совсем недавно голландским конструкторам удалось заметно снизить сопротивление модели транспортного судна. Ожидается, что новая схема будет вскоре испытана на натурном корабле.

Изобретатели предлагали также нагревать жидкость в пограничном слое, применять для обшивки различные обмазки, выделяющие газовые пузырьки при контакте с водой, и т. п. Однако ни одна из этих идей еще не оправдала себя даже в опытах.

Особые варианты «воздушной смазки» разрабатываются для подводных лодок. Так, американский инженер Эйхенбергер предложил создать подводный снаряд или подводную лодку с резко уменьшенным сопротивлением трения (рис. 9). Этот эффект достигается созданием между обшивкой корпуса и водой тонкой воздушной прослойки с замкнутой циркуляцией воздуха.

Рис. 9. Проект подводной лодки с резко уменьшенным сопротивлением трения:

1— щель для отсоса воды; 2 — щель для подачи воздуха

За головной частью такого снаряда имеется щель (1), служащая для отсоса воды, с тем чтобы, как считает изобретатель, не допустить формирования турбулентного (вихревого) пограничного слоя. Затем следует щель (2), через которую подается воздух для образования воздушной прослойки. Той же цели служат и щели, расположенные на днище тела. Внутри прослойки воздух будет перемещаться вверх, что повлечет за собой неравномерное распределение толщины прослойки по обводу тела. Чтобы помешать перетеканию воздуха, на боковой поверхности тела с каждого борта имеются выступы, не соприкасающиеся с водой.

Из рисунка видно, что тело предлагаемой конструкции опирается на воду лишь носом и кормой, а вся средняя часть обтекается тонким слоем воздуха. Для возможно большего снижения сопротивления Эйхенбергер считает необходимым, чтобы течение воздуха было ламинарным. Насколько трудно решить эту задачу, видно хотя бы из того, что воздушная прослойка для торпеды, удовлетворяющая этому условию, должна иметь толщину не более 0,3 мм. Кроме того, как показали опыты, искусственно вентилируемые полости такого типа при движении пульсируют и деформируются. Значит, потребуются какие-то дополнительные решения для преодоления этих трудностей.

Каков простейший способ снижения волнового сопротивления, мешающего повышению скоростей надводных боевых кораблей? Он заключается в увеличении относительного удлинения корабля. Сильно заостренные корпуса с отношением длины к ширине около 20 вместо обычных 10–12 обладают малым волновым сопротивлением. Но такие корабли никто не строит: у них плохая остойчивость. К тому же они были бы очень тяжелыми, ведь длинные корпуса требуют конструкции повышенной прочности.

Кораблестроители предпочитают «обманывать» природу другим путем. Например, придают подводной части носа корабля бульбообразную форму. Бульб размещается таким образом, чтобы его волновая система, накладываясь на волновую систему всего корабля, уменьшала высоту волн, снижая тем самым волновое сопротивление, т. е. в данном случае умело используется хорошо изученное физикой явление интерференции двух волновых систем (интерференция — взаимное усиление или ослабление волн звуковых, световых, тепловых, электрических при их наложении друг на друга). Такие бульбы нашли применение в ряде стран на больших надводных судах со скоростью около 45–50 км/час. Правда, в этом случае «волновой барьер» не преодолевается, а лишь отодвигается в область более высоких скоростей.

Самыми результативными способами преодоления «волнового барьера» считаются два (рис. 10). Надо либо погрузить корабль под воду, т. е. превратить его в подводную лодку, либо, наоборот, поднять его из воды. Первый способ становится выгодным только при скорости примерно 40 км/час и более. Но преобладающее значение имеют экономические соображения. Ясно, что такие транспорты были бы очень дорогими, поэтому все проекты подобных судов до сих пор остаются лишь на бумаге. Зато широкое применение нашел второй способ, выразившийся в создании быстроходных кораблей на подводных крыльях. Весь корпус такого корабля при плавании полным ходом выходит из воды. Под водой остаются лишь несущие корабль крылья и движители-винты.

Рис. 10. Два пути преодоления «волнового барьера»:

I — корабль погружен в воду; II — корабль поднят из воды

Размеры подводного крыла небольшие (здесь высокая плотность воды идет на пользу делу), а раз оно довольно сильно углублено в воду, то и его волновое сопротивление невелико. Но движение на крыльях становится выгодным при еще большей скорости, чем плавание под водой, и для прихода в зону выгодных для крылатых кораблей ходовых режимов необходимо также повышать мощность механизмов. Сейчас максимальная скорость кораблей на подводных крыльях достигает 80–90 км/час, в будущем ее предполагается довести до

170—200 км/час. Разумеется, создание кораблей с такими скоростными характеристиками без применения новых решений было бы просто невозможным. Однако мощные механизмы и крыльевая система сокращают более чем вдвое относительную полезную грузоподъемность кораблей, иными словами, в значительной степени лишают их важнейшего преимущества перед другими средствами транспорта. С увеличением водоизмещения вес крыльевой системы прогрессивно возрастает. В этом причина, что даже в проектах еще не встречаются крылатые корабли водоизмещением более 300–400 т.

Крылатым кораблям не уступают по скоростным качествам корабли на воздушной подушке, которые полностью отрываются от воды и парят над ней на небольшой высоте. Мощные вентиляторы нагнетают воздух под их корпус, имеющий вид перевернутого блюдца. Это не дает судам опускаться на воду, а их движителями служат воздушные винты. Такие корабли могут одинаково хорошо двигаться как над водой, так и над сушей, что делает их отличным средством для проведения десантных операций. Но и они имеют недостатки — прежде всего малую грузоподъемность, недостаточную мореходность.

Таковы некоторые необычные пути решения проблемы больших скоростей в кораблестроении. Отдельные из них изучены еще относительно слабо и нередко производят впечатление фантастических предложений. Для их практической реализации придется преодолеть огромные трудности как теоретического, так и технологического характера. Возможно, что интерес к некоторым из описанных предложений специально раздувается капиталистическими фирмами в чисто рекламных целях, а потому трудно ожидать, что все эти идеи обязательно будут воплощены в жизнь.

Интересен уже сам факт обращения специалистов-кораблестроителей не только к гидродинамике и физике в более широком смысле, но и к смежным областям науки, в том числе к биологии, в поисках решения этой проблемы. Он свидетельствует о критическом положении, создавшемся за рубежом в этой области. Не исключено, что для разрешения «кризиса скорости» потребуется создать даже такие корабли, которые не будут пассивно обтекаемыми водой телами, а смогут активно воздействовать на окружающие их массы воды и регулировать протекающие в них физические процессы для снижения сопротивления.

Уместно также заметить, что современные советские боевые корабли и транспортные суда не только не уступают лучшим заграничным образцам, но во многом их превосходят. Именно в СССР были созданы первые корабли на воздушной подушке и наиболее совершенные суда на подводных крыльях. Военно-Морской Флот СССР и советский торговый флот имеют новые быстроходные корабли, которые гордо несут флаг нашей Родины по морям и океанам всего мира.

ЧЕГО НЕ ЗНАЛ АРХИМЕД

Инженер-капитан 3 ранга Г. СВЯТОВ

Давайте заглянем в школьный учебник физики. Почти на каждой его странице — знакомые рисунки, формулы. Книга чем-то напоминает музей. Музей тех великих открытий, которые теперь уже стали прописными истинами, словно бы вещами повседневного обихода. Даже нет, кажется, большой разницы в том, когда сделаны эти открытия. И теорема Жуковского о подъемной силе крыла, выведенная ученым в начале нашего столетия, и закон о плавании тел, открытый Архимедом в третьем веке до нашей эры, вошли в школьные программы. А это значит, что все такие закономерности изучены, как говорят, вдоль и поперек и добавить к известному вроде бы нечего.

Однако история показывает, что академическое спокойствие разгаданных истин время от времени нарушается. Познанные законы природы нет-нет да и получают новое преломление в техническом творчестве человека, делают его еще более могущественным. Не думал же Архимед, что его закон о плавании тел в воде потребуется когда-нибудь для создания аппаратов, плавающих в воздухе, — аэростатов или дирижаблей. Любопытно отметить, что только через две тысячи лет после смерти Архимеда начал строиться первый управляемый аэростат, который получил название дирижабля. Это произошло в России, в дни, когда на территорию страны вторглись полчища Наполеона. Дирижабль предназначался для обстрела и бомбардировки вражеских войск.

Не знал Архимед и того, что открытая им «поддерживающая сила, действующая на тело, погруженное в жидкость», не будет вечно существовать в одиночку, что у нее появится могущественная союзница — подъемная сила и что ее даст — кто бы мог подумать! — обыкновенное птичье крыло.

Вряд ли и сам «виновник» этого интересного события в истории техники — Н. Е. Жуковский подозревал, что его теорема о подъемной силе крыла сравнительно скоро понадобится судостроителям. Правда, ученый доказал свою теорему для жидкости, или, точнее сказать, для идеальной жидкости (то есть несжимаемой и не имеющей вязкости), которая одинаково хорошо (в известных пределах) сочетает свойства воздуха и воды.

Одним из важных показателей технического прогресса общества, пожалуй, можно считать время, которое проходит от разработки научной теории до создания орудий труда или средств вооружения, всесторонне использующих эти достижения науки. Двадцать веков потребовалось, чтобы закон Архимеда обрел новую жизнь в воздухоплавании, и меньше полвека понадобилось, чтобы крыло Жуковского погрузили в воду.

Известно, что самый дешевый транспорт — водный. Но он и самый тихоходный. Борьба за увеличение скорости судов — это не только борьба за экономичность, но и борьба за более высокие боевые, тактические качества. Однако всякое увеличение скорости надводных судов повышает и сопротивление корпуса. А если каким-то образом максимально вытащить корпус из воды? Ведь сопротивление его в воздухе во много раз меньше, чем в воде. Так-то и родилась идея ввести под воду крылья, которые благодаря своей подъемной силе, образующейся при движении судна, выталкивают вверх его тяжелый корпус. И скорость судов буквально скачком возросла в 1,5–2 раза.

Так появились и сразу получили бурное развитие суда на подводных крыльях. Особенно большие успехи в этом, как известно, достигнуты в Советском Союзе. Строят суда на подводных крыльях и за рубежом. Иностранные специалисты попытались использовать этот принцип для создания специальных военных судов, и в частности малых морских противолодочных кораблей. Однако выход их на морские просторы, как сообщалось в зарубежной печати, потребовал решить проблему повышения устойчивости хода на морских и океанских волнах. Это осуществляется путем создания специальных крыльевых систем с автоматическим регулированием их угла атаки в зависимости от характера волны. Такими устройствами обеспечен, в частности, малый противолодочный корабль «Хай Пойнт» (рис. 11). Как сообщалось в печати, большие суда на подводных крыльях еще не созданы, самые крупные имеют водоизмещение не более 300 т. Однако эти суда прельщают специалистов своими высокими скоростными качествами. Скорость «Хай Пойнт», например, 40 узлов (около 75 км/час), а другого противолодочного корабля «Плэйнвью» — 60 узлов.

Рис 11. Противолодочный корабль на подводных крыльях

Оказалось, что подъемную силу крыла можно с большой выгодой использовать и для подводного плавания. Первыми начали применять крылья в подводной технике конструкторы торпед. Известно, что торпеда, как и подводная лодка, обладает нулевой плавучестью. Это значит, что она, согласно закону Архимеда, вытесняет столько воды, сколько весит сама. А если построить торпеду с отрицательной плавучестью, т. е. вес ее сделать больше, чем вес вытесненной воды, и недостающую выталкивающую силу компенсировать подъемной, которую во время движения создадут специальные крылья? Выяснилось, что в этом случае можно повысить скорость, дальность хода и глубину погружения торпеды.

Как сообщалось в зарубежной печати, скорость одной из проектируемых крылатых торпед должна быть на 14 узлов выше скорости обычной. Кстати, и крылья для торпед, имеющих довольно большую отрицательную плавучесть, оказались невелики. При расчетной скорости 55 узлов и дальности хода 18 км длина крыльев 533-мм торпеды не превысит 9 см, а хорда, т. е. ширина крыла, будет чуть больше 7 см. Такие малые размеры получаются из-за того, что плотность морской воды примерно в 800 раз выше плотности воздуха. А так как плотность входит в формулу подъемной силы крыла (как и скорость потока, и площадь крыла), для создания одинаковой подъемной силы при одной и той же скорости площадь крыла в воде должна быть в 800 раз меньше, чем в воздухе.

Дальность хода крылатых торпед по сравнению с обычными, как считают зарубежные специалисты, может быть увеличена в три раза. Это объясняют тем, что в том же объеме корпуса можно теперь разместить более эффективное, но в то же время более тяжелое топливо, а также ставить и более мощные двигатели, которые при прежних размерах могут иметь существенно больший вес. Особенно это преимущество сказывается при движении торпед на высоких скоростях. Так, при скорости более 60 узлов величина отрицательной плавучести (т. е. тот самый «лишний» вес, который несет на крыльях торпеда) уже почти не сказывается на ее движении, так как гидродинамические силы, куда входит и подъемная сила крыльев, существенно преобладают над гидростатическими.

Большие возможности, как считают зарубежные специалисты, дает применение крыльев для увеличения глубины погружения торпед, которое необходимо для атаки глубоководных подводных лодок. Подсчитано, что при одной и той же прочности материала корпуса глубина погружения торпеды прямо пропорциональна толщине обшивки, т. е., по существу, весу корпуса. А он, как известно, составляет примерно 20 % от полного веса торпеды. Значит, если в два раза увеличить вес корпуса или, что то же самое, увеличить на 20 % отрицательную плавучесть торпеды, можно удвоить глубину ее погружения. Повышение же веса для крылатых торпед существенного значения, как мы видели, не имеет. На рис. 12 показаны общий вид крылатой торпеды, ее предполагаемые дальность и глубина хода (2) в сравнении с характеристиками обычной торпеды (1).

Рис. 12. Боевые возможности обычной (1) и крылатой (2) торпеды

Обратили пристальное внимание на возможности плавания под водой с отрицательной плавучестью и конструкторы подводных лодок. Однако до последнего времени их останавливало одно существенное обстоятельство. Если самолет при выходе из строя двигателя может совершить вынужденную посадку или летчик просто покинет машину, спасаясь на парашюте, остановка двигателя подводной лодки с отрицательной плавучестью неизбежно приведет к тому, что она провалится на большую глубину и будет раздавлена давлением воды. У торпедистов такой проблемы нет. Выход двигателя из строя в боевых условиях означает, что торпеда до цели не дойдет, а если уж это произошло, разрушение ее давлением воды на большой глубине значения не имеет.

Считают, что с появлением более надежных атомных двигателей к этой проблеме уже можно подступиться. Некоторые зарубежные специалисты выдвигают даже конкретную идею создания маленьких крылатых подводных лодок с отрицательной плавучестью, которые действовали бы с палубы большой подводной лодки-носителя. По существу, это уже должен быть подводный авианосец с подводными самолетами. Так опыт аэродинамики пытаются перенести в гидросферу.

У читателя может возникнуть вопрос: ну, хорошо, лодка с крыльями, но под водой — это естественно, а возможно ли, чтобы она, обладая крыльями, порывала, когда необходимо, с водной стихией и совершала полет в воздухе? Иными словами, может ли подводная лодка летать, как самолет?

Попробуем разобраться в этой проблеме.

В самой идее создания летающей подводной лодки вроде бы и нет ничего особенного. Ведь есть же птицы, которые ныряют и плавают под водой, в океане живут рыбы, способные парить в воздухе. Однако когда такой своеобразный гибрид — летающий и плавающий — задумали создать зарубежные военные специалисты, они столкнулись с немалыми трудностями.

Первый вопрос, который предстояло решить: что строить — погружающийся самолет или летающую лодку? Попробовали взять за основу гидросамолет — ведь он уже приспособлен для плаваний. И тут обнаружилось важное обстоятельство: по весу гидросамолеты близки к сверхмалым подводным лодкам, а по объемному водоизмещению к другому подклассу — малым лодкам. Таким образом, выяснилось, что в самолете не соблюден самый главный принцип подводного плавания, вытекающий из закона Архимеда, — равенство весового и объемного водоизмещения.

Следовательно, чтобы гидросамолет плавал под водой, нужно в несколько раз увеличить вес его корпуса и снизить запас плавучести с 300 %, скажем, до 15–30.

Но такая машина — весом 150–300 т — при прежней мощности двигателей не полетит. А если подвести под общий знаменатель лодку? Облегчить ее корпус и принять запас плавучести в 300 %? Такая лодка будет очень долго погружаться, причем лишь на незначительную глубину, низкими будут у нее ходовые и маневренные характеристики.

В зарубежной печати проектируемое подводно-летное средство назвали сабпланом, что означает погружающийся самолет. Это говорит о том, что за основу взят все-таки самолет. Предполагаемый вес сабплана 6–7 т, примерно тот же, что и у сверхмалой лодки. Рассчитывают, что он будет летать со скоростью 300–400 км/час при дальности полета 1000–1800 км и иметь скорость подводного хода 9—18 км/час при дальности плавания под водой 70–90 км. Глубина погружения сабплана 25–50 м, вес полезного груза до 700 кг.

Считают, что по формам машина будет напоминать современный гидросамолет (рис. 13). На сабплане думают установить три воздушно-реактивных двигателя: один на фюзеляже и два на пилонах над крыльями. Фюзеляжный двигатель предназначен для полета в район боевых действий, а крыльевые — после выполнения заданий.

Рис. 13. Возможный вид подводной лодки-самолета

Так какие же проблемы, по мнению зарубежных специалистов, встали при создании погружающегося самолета? Основная — уменьшение габаритов оборудования сабплана.

Объем его корпуса уменьшается по сравнению с гидросамолетом в 4 раза. А ведь в таком маленьком корпусе нужно разместить не только всю авиационную «начинку», но и оборудование сверхмалой подводной лодки: ее энергетическую установку, запасы энергии для подводного плавания, торпеды, мины или другое оружие весом до 700 кг. При всем этом хотя бы 30 % объема корпуса надо оставить для цистерн главного балласта, без которых нельзя погрузиться и всплыть.

В ходе проектирования возникают и другие проблемы. Как уже говорилось, в район выполнения боевой задачи сабплан полетит на одном фюзеляжном двигателе. Так как единица объема машины будет иметь значительный вес, этот двигатель должен быть небольшим, легким и достаточно мощным. В то же время сабплан должен обладать развитыми крыльями с большой подъемной силой. Тогда его взлетно-посадочная скорость будет небольшой, он сможет взлетать и садиться при значительных волнах.

Во время полета в заданный район сабплан израсходует примерно половину горючего, которое, как предполагают, разместится в цистернах главного балласта. Перед посадкой на воду машину надо подготовить к подводному плаванию. К этому моменту горючее в балластных цистернах должно быть или израсходовано или удалено, а другие переменные грузы размещены так, чтобы центр тяжести сабплана находился на одной вертикали и несколько ниже центра его водонепроницаемого объема.

Как же будет осуществляться плавание под водой? Для этого в кормовой части будет установлен гребной винт, приводимый в движение электромотором или парогазовой турбиной. Так как скорость подводного хода сабплана сравнительно невелика, сопротивление крыльев, очевидно, не будет очень большим. Однако на управляемость сабплана крылья окажут большое влияние.

Для плавания подводной лодки с нулевой плавучестью под водой крылья не нужны. Кстати, и наличие их практически не скажется на устойчивости движения лодки. Маневренные же характеристики крылатой подводной лодки в вертикальной плоскости даже улучшаются.

При погружении сабплана через каждые 10 метров давление на него будет возрастать на одну атмосферу. Значит, при глубине погружения 25–50 м корпус должен быть рассчитан на давление в 5—10 атм. С такими давлениями авиационным конструкторам обычно не приходится иметь дело. Следовательно, корпус сабплана должен быть построен не только по правилам строительной механики самолета, но и по законам строительной механики подводной лодки.

Выполнять боевую задачу под водой невозможно без современного гидроакустического оборудования, да и без обыкновенного перископа. Понятно, что без совмещения ряда функций приборов и органов управления, обеспечивающих полет и плавание сабплана, будет невозможно втиснуть всю аппаратуру в корпус машины. Совмещение потребуется и при обеспечении аварийно-спасательными средствами экипажа самолета на случай аварии под водой и в воздухе.

После выполнения боевой задачи сабплан должен выйти под водой из опасной зоны, всплыть к поверхности и взлететь с помощью двух крыльевых двигателей. Взлет — наиболее трудная проблема. Уже говорилось, что запас плавучести сабплана не может быть выше примерно 15–30 %. Поэтому при взлете крыльевые двигатели должны буквально вырвать машину из воды. Для этого, очевидно, будут использоваться рули высоты и закрылки, причем не только в воздухе, но и в воде.

Какова же будущность сабплана? Сейчас трудно утверждать что-либо определенное. Военные специалисты США считают, что «концепция целесообразна и осуществима». Современная техника может решить практически любую задачу. Вопрос, очевидно, будет заключаться в том, насколько такое специфическое боевое средство необходимо и насколько оно будет эффективнее обычного противолодочного гидросамолета и сверх-малой подводной лодки.

Надо сказать — и это подтверждают сами зарубежные специалисты, — что не всем из приведенных выше проектов суждено сбыться. Время, новые научные открытия могут также внести свои коррективы. Мы привели эти примеры лишь для того, чтобы проиллюстрировать мысль, к каким неожиданным поворотам в развитии техники, и в частности военной, может привести расширение границ применения тех или иных хорошо известных законов физики.

Теперь давайте обратимся к более близким по времени вопросам. Ведь использование разнообразных физических закономерностей играет важную роль и в совершенствовании обычных, традиционных форм подводных лодок. Чтобы убедиться в этом, любопытно рассмотреть одну очень важную проблему — пути увеличения глубины погружения подводных кораблей.

Пытливые умы человечества давно стремились проникнуть в глубины вод и за пределы атмосферы. Последние десятилетия были свидетелями штурма человеком, и в первую очередь советским, стратосферы, а затем и космоса. В то же время освоение гидросферы, начатое несколько столетий назад, двигается относительно медленно.

Хотя люди и научились создавать аппараты с глубинами погружения до нескольких тысяч метров, их пока единицы, и обладают они весьма ограниченными возможностями для изучения, а тем более освоения глубин океана. А ведь 70 % поверхности нашей земли покрыто океанами и морями. Значит, под водой скрыто по меньшей мере 2/3 богатств недр земли, не говоря уже о неисчерпаемых богатствах самих океанов и морей.

Большое значение в современных условиях имеют морские глубины для ведения войны на море. Известно, какое развитие получили в первую и вторую мировые войны подводные лодки. И на всех этапах существования подводного кораблестроения шла борьба за то, чтобы лодки могли действовать на все большей глубине. Так же, как большая высота полета самолетов при прочих равных условиях повышает их неуязвимость и боевые возможности в воздушном бою, большие глубины погружения подводных лодок улучшают их тактико-технические показатели — скрытность действий, маневренность, взрывостойкость, возможность уклонения от противолодочного оружия.

Сейчас, когда важнейшее боевое значение приобрели атомные подводные корабли, борьба за большие глубины плавания не только не ослабла, но усилилась.

Однако путь в глубину труден. Ведь при погружении на каждые 10 м гидростатическое давление возрастает на 1 атм. Это значит, что на глубине 100 м на каждый квадратный сантиметр поверхности прочного корпуса лодки действует давление 10 кг, на глубине 1 тыс. м — 100 кг и т. д.

Первой крупной жертвой на пути к большим глубинам атомных подводных кораблей стала новейшая американская подводная лодка «Трешер» с экипажем в 129 человек. Катастрофа произошла 10 апреля 1963 г. в Атлантическом океане во время глубоководного погружения.

В практике подводного кораблестроения используются следующие понятия глубин погружения: рабочая, предельная и расчетная (разрушающая). Отношение расчетной глубины к рабочей называется коэффициентом безопасности. Зарубежные специалисты принимают его равным 1,5–2. Рабочая глубина погружения подводных лодок периода второй мировой войны колебалась в пределах 100–150 м. У американских атомных подводных лодок постройки прошлого десятилетия она достигла 200–250 м, а у построенных в последние годы увеличена до 350–400 м.

Дальнейший рост глубины погружения зависит в первую очередь от возможности повышения прочности корпуса. Чтобы представить, какие громадные внешние силы давят на прочный корпус современной подводной лодки, достаточно произвести элементарный расчет. На каждый квадратный метр поверхности прочного корпуса на глубине 400 м действует сила в 400 т. При водоизмещении подводной лодки 4 тыс. т — 7 тыс. т площадь обшивки прочного корпуса исчисляется 2000–3500 м^2, и следовательно, внешняя нагрузка на него на глубине 400 м достигает 800—1400 тыс. т!

Напомним, что на современной подводной лодке имеется два корпуса: прочный и легкий. В прочном корпусе размещается внутреннее оборудование, экипаж, а легкий образуют балластные цистерны погружения и всплытия.

Известно, что максимальная глубина Мирового океана— 11 тыс. м, но в океанах и морях имеется много мелководных районов. Какой должна быть глубина погружения будущих боевых подводных лодок? На этот вопрос можно ответить, если проанализировать распределение глубин по площади Мирового океана. Такой анализ показывает, что подводная лодка с глубиной погружения 5500 м может достичь дна на 90 % площади океанов и морей, а с глубиной погружения 4600 м — на 60 % площади.

Какова же должна быть конструкция прочных корпусов современных подводных лодок, чтобы выдержать на столь больших глубинах огромное давление? Наиболее оптимальная форма оболочки, рассчитанная на большое наружное давление, — сферическая, но она используется лишь при конструировании глубоководных батискафов. Корпуса же подводных лодок, для которых высокая скорость не менее важна, чем большая глубина погружения, делают, как известно, сигарообразными.

Развитие теории проектирования подводных лодок связано с анализом напряженного состояния цилиндрических и конических оболочек, подкрепленных кольцевыми ребрами-шпангоутами. Если обшивка воспринимает основную часть нагрузки, т. е. обеспечивает прочность, то шпангоуты увеличивают жесткость оболочки, создают ее устойчивость. Повышают устойчивость прочного корпуса и поперечные межотсечные переборки, устанавливаемые для непотопляемости.

Когда подводная лодка идет в глубину, с ростом глубины увеличивается давление на цилиндрический прочный корпус и трубопроводы забортной воды, охлаждающей различные агрегаты и механизмы. На современном этапе развития подводных лодок наиболее слабым местом считают трубопроводы.

Вот к каким выводам о возможных причинах гибели «Трешера» пришла специальная комиссия, несколько месяцев занимавшаяся этим вопросом. Вблизи предельной глубины погружения (400–500 м) в кормовом машинном отсеке разорвало один из трубопроводов. Вода под давлением в несколько десятков атмосфер (струя воды под таким давлением способна разрушать твердые породы грунта) начала поступать в отсек. Затопление отсека и короткие замыкания оборудования еще до его полного затопления повлекли за собой выход из Строя энергетической установки лодки. Это привело к потере ею хода. Лодка проваливалась все глубже, и на расчетной глубине погружения между шпангоутами появились сначала вмятины, затем отсеки начало коробить, и, наконец, вода через трещины хлынула во все отсеки и затопила их.

В качестве материала прочных корпусов современных боевых подводных лодок используется высокопрочная сталь с пределом текучести 70 кг/мм^2. Это означает, что по прочностным качествам такая сталь приблизительно в два раза превосходит сталь, используемую в общем машиностроении. В настоящее время за рубежом признано, что дальнейший рост глубин погружения подводных лодок может быть обеспечен либо за счет утяжеления прочного корпуса, либо за счет дальнейшего повышения механических характеристик сталей, или посредством использования других высокопрочных материалов.

На современных подводных лодках на долю корпусных конструкций приходится около 40 % весового водоизмещения, причем на долю прочного корпуса — около 20 % веса лодки. В первом приближении можно считать, что при неизменном материале утяжеление прочного корпуса прямо пропорционально увеличению глубины погружения подводной лодки. Иностранные специалисты считают, что дальнейший рост глубин погружения лодок может быть обеспечен за счет увеличения толщины конструкционных элементов прочного корпуса.

Такой путь использован американскими специалистами при конструировании экспериментальной глубоководной подводной лодки «Дельфин» (рис. 14), строительство которой заканчивается на военно-морской верфи в Портсмуте. «Дельфин» — это подводная лодка, предназначенная для решения проблем, связанных со строительством атомных подводных лодок с увеличенными глубинами погружения.

Из-за отсутствия малогабаритных атомных энергетических установок, способных работать на большой глубине, на лодке будет смонтирована одновальная дизель-электрическая установка. Глубина погружения этой подводной лодки — около 1200 м, водоизмещение — порядка 1000 т, а в качестве материала цилиндрического прочного корпуса диаметром 5,8 м использована сталь с пределом текучести 70 кг/мм^2. Поэтому у подводной лодки «Дельфин» на долю прочного корпуса приходится 50–60 % весового водоизмещения. Столь резкое уменьшение доли легких корпусных конструкций, фундаментов, механизмов, вооружения и оборудования стало возможным благодаря специальному назначению лодки, на которой энергетика не обеспечивает высокой скорости и большой дальности плавания, а вооружение состоит всего из одного экспериментального торпедного аппарата.

Рис. 14. Глубоководная подводная лодка «Дельфин» — такой представил ее художник

Однако есть и другой путь в глубину: повышение пределов текучести стали, из которой строится корпус лодки. Общепроектные требования развития подводных лодок медленно меняются в сторону увеличения доли прочного корпуса в общем весовом водоизмещении. Поэтому практически рост глубин погружения подводных лодок обычно следует за повышением предела текучести корпусной стали. Считается, что такое положение сохранится и в будущем.

Каковы же перспективы повышения механических характеристик корпусных сталей? Еще в начале этого десятилетия в качестве материала первой американской ракеты «Поларис» использовалась сталь с пределом текучести 140 кг/мм^2. Подводники же до сих пор не перевалили за предел текучести 70 кг/мм^2. Почему?

Дело в том, что толщина обшивки прочных корпусов современных подводных лодок превышает 40 мм. Сварка листов стали такой толщины — дело весьма сложное. Но не только трудности сварки листов препятствуют созданию сталей со значительно повышенными пределами текучести. Ограничения накладывают также специфические для подводных лодок требования взрывостойкости и усталостной прочности. И все же эти трудности постепенно преодолеваются. В настоящее время освоенной сталью для корпусов лодок иностранные специалисты считают сталь с пределом текучести 100 кг/мм^2. Они не исключают возможности того, что к началу следующего десятилетия эта цифра удвоится.

Кроме строящейся экспериментальной глубоководной подводной лодки «Дельфин» со стальным корпусом в США построена экспериментальная океанографическая подводная лодка «Алюминаут», в качестве материала прочного корпуса которой использован высокопрочный несваривающийся алюминиевый сплав с пределом текучести 45 кг/мм^2. Из-за несвариваемости этого сплава для основных корпусных конструкций использованы болтовые соединения со склеиванием стыков и пазов. Предельная глубина погружения «Алюминаута» — 4600 м, диаметр прочного корпуса — 2,14 м, толщина обшивки — 152 мм, вес научно-исследовательского оборудования — 2700 кг, скорость хода — 4,8 узла и дальность плавания 96 миль. Водоизмещение лодки — 68 т.

Оценивая эффективность использования алюминиевых сплавов для увеличения глубин погружения подводных лодок, надо иметь в виду, что строительство подводной лодки «Алюминаут» носит в значительной степени рекламный характер. Инициаторы ее постройки — руководители американской промышленности алюминиевых сплавов.

Иностранные специалисты изучают также проблемы освоения титановых, бериллиевых сплавов и стеклопластиков для корпусов глубоководных подводных лодок. Однако эти проблемы пока не находят практического решения в подводном кораблестроении.

Почему в последнее время внимание конструкторов-подводников привлечено к новому материалу — бериллию? Хотя стоимость этого материала еще выше стоимости титановых сплавов, но у него высокий модуль (мера) упругости (на 30 % выше, чем у стали) наряду с высоким пределом текучести.

Изучением проблемы использования стеклопластиков для корпусов подводных лодок заняты американские специалисты в Тейлоровском опытовом бассейне. Ими проведены модельные эксперименты со стеклопластиком с удельным весом порядка 2 г/см^3, пределом прочности 50–60 кг/мм^2 и модулем упругости в 4 раза меньшим, чем у стали. Интересно, что в ракетостроении сталь с пределом текучести 140 кг/мм^2 не выдержала конкуренции со стеклопластиком. В настоящее время многие части корпуса ракеты «Поларис» изготовляются из стеклопластика. Характер распределения напряжений в цилиндрической оболочке, на которую действует гидростатическое давление, открывает большие возможности для стеклопластиков. Известно, например, что напряжения в продольных сечениях такой оболочки в два раза выше, чем в поперечных. Значит, если поперек цилиндра намотать в два раза больше стеклонитей, чем вдоль, материал конструкции будет использован наилучшим образом.

Таковы некоторые пути решения проблемы увеличения глубин погружения подводных лодок. К какому времени будет решена проблема создания боевых подводных лодок с глубинами до 5 тыс. м, трудно сказать. Пока же считается, что боевые лодки следующего десятилетия с прочными корпусами из стали с пределом текучести 210 кг/мм^2 смогут погружаться на глубины до 1200 м.

ТАМ, ГДЕ КОНЧАЕТСЯ АСФАЛЬТ

Инженер-подполковник И. БЕСКИН, кандидат технических наук

«Движение есть явление, по-видимому, всем знакомое, но между тем, несмотря на то, что философы написали об этом предмете большое количество толстых томов, важнейшие свойства движения остаются неизвестными…» Эти слова написаны более трех веков тому назад одним из основоположников естествознания, великим итальянским ученым Галилеем. С тех пор наука многое сделала для изучения движения. Однако практика, и в частности военное дело, ставит в этой области все новые и новые задачи, и, оказывается, даже в такой простой, узкой области движения, как перемещение из одной точки в другую, еще есть над чем потрудиться ученым и инженерам.

Ракетно-ядерное оружие властно преобразовало тактику и стратегию, сделало бой скоротечным и в высшей степени маневренным. А на стремительные прорывы, глубокие обходы, многокилометровые марши способны только полностью механизированные войска. Значительно возрос вес армейских грузов, увеличились расстояния, на которые их надо перебрасывать. Все это вызвало к жизни очень серьезные научно-технические задачи, связанные с созданием всевозможной армейской боевой и транспортной техники, способной надежно осуществить в требуемые сроки доставку армейских грузов. Решение поставленных задач потребовало проведения соответствующих теоретических работ и, в первую очередь, изучения физических процессов, происходящих при движении тел в различных средах.

Реальные случаи движения — в том смысле этого термина, который был определен в начале статьи, — всегда связаны с преодолением сопротивления внешней среды. Летящий самолет преодолевает сопротивление воздуха; мчащийся торпедный катер — и воздуха, и воды; погруженная подводная лодка — сопротивление воды, а движущийся танк — сопротивление грунта. С другой стороны, внешняя среда необходима для движения, так как само движение может осуществляться только при взаимодействии движущегося тела с окружающей его средой. Следовательно, и тело, и окружающая его среда должны рассматриваться совместно, в их диалектических связях и взаимодействии, так как они составляют единую систему, характеризующуюся наличием известного количества движения.

Оставив в стороне некоторые неизбежно сопутствующие явления, можно утверждать, что, например, для движущегося самолета или корабля справедлив закон сохранения количества движения. Этот закон, так же как и законы сохранения энергии и момента количества движения— одна из конкретных форм проявления в природе общего закона сохранения движения, впервые сформулированного М. В. Ломоносовым. Напомним его: «Суммарное количество движения замкнутой системы тел (не взаимодействующей с другими телами) остается постоянным».

где mi — массы тел, образующих систему;

vi — скорость этих тел;

Р — вектор количества движения системы.

Из закона сохранения количества движения, в частности, следует, что, например, корабль массой m_1 плывущий со скоростью v_1, должен для осуществления своего движения перемещать массу воды m_2 со скоростью v_2. При этом должно соблюдаться равенство

m_1v_1 = m_2v_2.

Подобное равенство можно написать для любого движущегося тела, будь то самолет или ракета, танк или автомобиль, подводная лодка или железнодорожный состав.

В некоторых случаях можно отчетливо наблюдать перемещение внешней по отношению к движущемуся телу среды — это струя воды за винтом корабля или вихри воздуха за самолетом. Если же среда, с которой осуществляется взаимодействие, имеет достаточно большую массу, перемещение ее на глаз не заметно. Так, смещение железнодорожных рельсов происходит в основном в пределах упругих деформаций металла и только за длительный период проявляется в виде так называемого угона, измеряемого сантиметрами, а то и миллиметрами.

Итак, поскольку окружающая движущееся тело среда, с одной стороны, обеспечивает саму возможность передвижения, а с другой — оказывает сопротивление движению, решение задачи создания средств доставки армейских грузов должно начинаться именно с изучения свойств сред, в которых этот процесс происходит. Заметим, что такие разделы физики, как гидродинамика и аэродинамика, возникли и достигли нынешнего, столь высокого уровня развития именно в связи с необходимостью изучения свойств воды и воздуха при движении по ним кораблей и самолетов.

Однако вода и воздух, пожалуй, не самая сложная среда для движения. Свойства их достаточно однородны, сопротивления, оказываемые ими, зависят в основном от скорости движения и могут быть описаны сравнительно несложными математическими уравнениями. Поэтому и удалось отыскать совершенные гидро- и аэродинамические формы кораблей и самолетов, разработать достаточно эффективные конструкции их движителей — устройств для преобразования работы двигателя в работу, расходуемую на движение транспортных средств. Иными словами, высокая эффективность технических решений, примененных в конструкциях кораблей и самолетов, имеет своей первопричиной прежде всего однородность сред, в которых эти транспортные средства движутся. Всякое же изменение свойств среды, как показал опыт, требует соответствующей переработки конструкции. Например, изменения свойств взаимодействующего с самолетом потока воздуха при переходе к полетам со сверхзвуковыми скоростями привело к существенным переменам в конструкции самолета. Увеличение сопротивления воды при росте скорости движения кораблей оказалось настолько значительным, что пришлось прибегнуть к специальным конструкциям — подводным крыльям, позволившим судам вырваться из воды в среду с меньшим сопротивлением — в воздух. Следует напомнить, что и воздух, и вода, с точки зрения физического состояния вещества, — однофазные среды: воздух только газообразен, а вода только жидка.

Посмотрим теперь, как обстоит дело с третьим фазовым состоянием вещества — твердым. Транспортные средства, предназначенные для движения по твердым однородным средам (шоссейным и железным дорогам), также достигли высокой степени совершенства: они экономичны, рациональны по конструкции, недороги в производстве. Но в связи с отсутствием в природе твердых однородных сред для передвижения транспорта их приходится создавать искусственно — строить дороги. Это та цена, которую мы вынуждены платить за отсутствие транспорта, способного двигаться по бездорожью, т. е. в разнородной среде.

Итак, нынешний уровень развития и состояние науки и техники позволили найти оптимальные решения для транспортных средств, предназначенных для движения по любой однофазной и однородной среде. Вне расчетных условий внешней среды современные транспортные средства практически двигаться не могут, да и вряд ли кому-либо придет в голову требовать от тепловоза движения не по рельсам, а по воде, а от подводной лодки — по суше. Маневрирование, например, самолетов по аэродромам настолько экономически невыгодно, что предпочитают иметь автотягачи для их буксировки.

Иное дело армейские машины. Они не могут быть рассчитываемы на какую-либо стабилизацию условий, в которых должны работать. В условиях применения ядерного оружия движение по дорогам будет скорее исключением, нежели правилом. Мосты и переправы будут уничтожаться, дефиле — забиваться транспортом или заражаться радиоактивными осадками. Короче говоря, преимущество в бою будет на стороне той армии, техника которой не будет привязана к дорогам, а сможет совершать свободные маневры по бездорожью и появляться там и тогда, где и когда противник ее меньше всего ожидает. Поэтому к армейской технике и предъявляются требования уверенного передвижения по бездорожью. Военные машины должны двигаться по песку и болотам, скалам и снегам, преодолевать водные преграды на плаву. Неплохо было бы, чтобы они могли и в воздух подниматься…

Уже одно простое, далеко не полное перечисление таких требований показывает, что, в отличие от невоенных, армейские машины должны быть способными выполнять поставленную задачу не в однофазной, однородной окружающей среде, а в нескольких фазах, при широком диапазоне преодолеваемых во время движения внешних сопротивлений.

Задача создания таких машин очень не проста. Видный зарубежный специалист в области машин высокой проходимости М. Г. Беккер заявил однажды, что решение этой проблемы будет найдено тогда, когда к ней будут привлечены силы ученых такого масштаба, как Фруд и Рейнольдс, Мах и Жуковский. В чем же сложность? Корень трудностей кроется в том, что бездорожье, с точки зрения передвижения по нему, — среда с крайне разнообразными и часто меняющимися под влиянием внешних условий свойствами. Поэтому хорошо зарекомендовавшие себя конструктивные решения транспортных средств обычного типа оказываются неприменимыми или неэффективными при создании машин для, бездорожья.

В связи с отсутствием теоретической базы создание транспортных средств высокой проходимости велось, да и по сей день ведется в армиях многих стран методом «проб и ошибок». Конструкторы оснащают машину устройствами и приспособлениями, позволяющими ей хотя бы на короткое время выполнять задачу вне расчетных условий: агрегаты машины герметизируются, кузов увеличивается до размеров, обеспечивающих плавучесть, ставится специальный движитель для плавания и считается, что задача преодоления водных преград успешно решена. К обычному автомобилю добавляют несколько ведущих осей, резко усложняют трансмиссию, ставят лебедку, вводят шины с регулируемым давлением воздуха и, следовательно, с увеличенной площадью контакта с грунтом. Траки гусеничных машин делают настолько широкими, насколько это позволяют конструктивные соображения. Агрегаты всех армейских машин защищают от попадания влаги и пыли, водителя — от ослепления фарами, специальные устройства обеспечивают стабилизацию теплового режима при холоде и жаре…

Рациональны ли подобные конструктивные решения? Вряд ли, ибо конструкции армейских машин при этом резко усложняются, объем работ по их техническому обслуживанию и ремонту возрастает, становятся более строгими требования к квалификации обслуживающего персонала, надежность снижается, стоимость увеличивается, а собственный вес возрастает настолько, что для полезной нагрузки мало что остается.

Возникает и другой вопрос: оригинальны ли попытки конструкторов оснастить машину приспособлениями, повышающими проходимость, защитить ее специальными устройствами от всех невзгод? Давайте обратимся к литературной аналогии и вспомним небезызвестного чеховского героя — Беликова. Тот тоже, выходя из дома, на всякий случай надевал калоши и теплое пальто, затыкал уши ватой, укутывал шею шарфом, глаза предохранял темными очками, а для защиты от атмосферных осадков всегда таскал с собой зонтик. Есть ли смысл в конструировании армейских машин следовать идеям «человека в футляре»? До поры до времени этот этап был неизбежен. Сейчас же, по мнению многих специалистов, созрели условия для нового качественного скачка. На современном этапе нужны новые пути, новые конструктивные решения, которые могут быть найдены в результате проведения больших и серьезных теоретических и экспериментальных работ, глубокого проникновения в физику процессов, происходящих при движении машины по бездорожью. В связи с этим стоит подробнее рассмотреть, какие теоретические и экспериментальные данные, достижения каких разделов физики могут уже сейчас, сегодня, быть рекомендованы конструкторам для реализации в машинах высокой проходимости.

Прежде всего, условимся для краткости, что в дальнейшем под термином «грунт» мы будем понимать любую поверхность или среду, с которой может встретиться армейская машина, предназначенная для движения по бездорожью. Таким образом, понятием «грунт» охватываются пески и снег, грязь и болота. Движение по лесам, крутым оврагам и скалам — это предмет самостоятельного изучения, и касаться его мы не будем.

Что же такое грунт? В отличие от таких однофазных сред, как вода или воздух, он представляет собой многофазную среду. Любой объем грунта наряду с твердыми частицами, образующими так называемый скелет грунта, содержит жидкую фазу в виде обволакивающих твердые частицы водяных пленок и расположенных между частицами капелек, а также газообразную фазу, состоящую из паров воды и из воздуха. Следовательно, с точки зрения физики, грунты представляют собой сложные многофазные дисперсные системы. Физические свойства таких систем определяются силами связи между частицами.

Такая хорошо развитая дисциплина, как механика грунтов, изучает напряжения, деформации, условия прочности и устойчивости грунтов и изменения их состояния под влиянием внешних, главным образом механических, воздействий. Однако исторически эта наука развивалась, исходя из потребностей строительства зданий и дорожных сооружений, и поэтому исследовала деформации, возникающие под воздействием медленно нарастающих, а то и вообще статических, нагрузок. К тому же, поскольку здания и сооружения не возводятся на снегах, болотах, грязи, свойства этих разновидностей грунтов остались вне поля зрения механики грунтов. А значит, данные и методы этой дисциплины могут лишь в очень малой степени помочь при исследовании процессов, происходящих при движении транспортных средств по бездорожью.

В самом деле, нагрузки, передаваемые движущимися машинами на грунт, носят явно выраженный динамический характер. Мало того, проведенные исследования показали, что они вызывают еще и вибрации в зоне контакта движителя с грунтом. Есть также основания считать, что при контакте заряженных частичек скелета грунта с металлическими поверхностями (траками и т. п.) происходит утечка поверхностных электрических зарядов, что приводит к разрушению структуры грунта. А так как гусеницы большинства машин находятся под напряжением, обусловленным принятой однопроводной схемой электрооборудования, разрушения электростатических связей частиц грунта становятся еще более ощутимыми.

Все перечисленные и многие другие соображения и привели к возникновению новой научной дисциплины, которая за рубежом получила название механики системы «грунт-машина». Первый международный конгресс ученых, занимающихся этой дисциплиной, состоялся в 1961 г. в Турине. Наиболее фундаментальные работы по механике системы «грунт-машина» принадлежат перу упоминавшегося выше М. Г. Беккера. Значительное количество интересных трудов опубликовал в последние годы также польский ученый А. Солтынский. Несмотря на свою молодость, новая научная область уже сейчас располагает целым рядом данных, весьма полезных конструкторам, разрабатывающим армейские машины высокой проходимости.

Как мы уже говорили, передвижение — результат процесса взаимодействия движителя машины с грунтом. Это взаимодействие определяется величиной, характером и направлением нагрузок, передаваемых движителем на грунт. Установлено, что при прочих равных условиях движитель может быть оценен величиной и формой поверхности контакта с грунтом. Такой подход позволяет сравнивать между собой различные движители и оценивать их пригодность для передвижения по тем или иным грунтам.

Грунт воспринимает вес машины и тяговое усилие, развиваемое ее движителем. Очевидно, равнодействующая этих двух сил не должна вызывать разрушения структуры грунта, ибо в противном случае машина начнет зарываться, проходимость будет потеряна.

По своим свойствам все грунты могут быть подразделены на фрикционные и связные. У первых преобладают силы трения между частицами. К таким грунтам относятся песок и снег при низких температурах. У вторых решающее влияние оказывают силы сцепления между составляющими грунт частицами.

Движение машины по грунту возможно только в том случае, если напряжения в грунте, возникающие под воздействием движителя машины в момент ее прохода по данному участку, не превышают несущей способности грунта и сопротивления сдвигу. Однако увеличение веса машин и скорости их передвижения привело к тому, что деформации грунта стали больше величин, преодоление которых возможно при существующих конструктивных решениях движителей. Погружение машины в грунт, а следовательно, и сопротивление движению возрастают при этом настолько значительно, что машина теряет проходимость.

Выход заключается в уменьшении нагрузок на единицу поверхности грунта, находящуюся в контакте с движителем. При заданных нагрузках это решается путем увеличения площади опорной поверхности, передающей нагрузки на грунт. Увеличение площади в свою очередь достигается двояко. Если предполагаются достаточно интенсивные и длительные перевозки между двумя пунктами, то на грунте на всем протяжении маршрута возводится сооружение, распределяющее нагрузки по большой площади. Такое сооружение в зависимости от устройства называется либо железной, либо шоссейной дорогой. Если же интенсивность перевозок между двумя пунктами невелика или не представляется возможности заранее точно определить и подготовить маршрут движения (как для армейских машин), устройство, распределяющее нагрузки на большую площадь грунта — движитель, — становится принадлежностью самой машины.

Размеры и конфигурация движителя машины, естественно, должны определяться свойствами того грунта, для движения по которому машина предназначена. Отсюда конструкторы могут сделать для себя вывод: если они хотят проектировать вездеход — машину для движения по различным грунтам, она должна иметь изменяемую (гибкую) конструкцию движителя. В противном случае неизбежны большие потери мощности на разрушение грунта, а то и полная потеря проходимости.

В США в последние годы с этой целью были проведены исследования свойств грунтов. Было установлено, что увеличения тягового усилия, развиваемого движителем в зависимости от свойств грунта, по которому происходит движение, можно добиться двумя путями. На грунтах, где преобладают силы трения, для возрастания тягового усилия необходимо увеличивать среднее удельное давление машины на грунт. Повышение тягового усилия машины на пластичных грунтах, где ярко проявляются силы сцепления, вопреки распространенному мнению, может быть достигнуто за счет уменьшения среднего удельного давления.

Другой результат этих исследований, вытекающих из основных положений механики системы «грунт-машина», — вывод о том, что форма поверхности контакта движителя с грунтом и ее ориентация по направлению движения машины оказывают не менее важное влияние на эксплуатационные показатели машины, чем величина опорной поверхности. Иными словами, машины, имеющие одно и то же среднее удельное давление на грунт и одинаковые площади опорных поверхностей, будут тем не менее обладать различной проходимостью, если форма поверхности контакта их движителей с грунтом различна. При равных удельных давлениях на грунт автомобиль с узкими ведущими колесами большого диаметра будет обладать лучшей проходимостью, чем автомобиль с широкими колесами малого диаметра. Или — гусеничные машины с узкой и длинной гусеницей будут отличаться лучшей проходимостью, чем машины с широкой и короткой гусеницей.

Итак, проходимость определяется свойствами грунта, размерами, формой и ориентировкой поверхности контакта движителя с грунтом.

Следует заметить, что подобные исследования грунтов дали возможность прогнозировать проходимость машин, в частности танков, на отдельных участках местности, основываясь на данных инженерной разведки местности. Для этого были составлены таблицы классификации грунтов с точки зрения их «проезжаемости».

В целом же отмеченные исследования системы «грунт-машина» позволили выработать следующие исходные предпосылки, очень важные для конструкторов. Во-первых, создание транспортных средств для бездорожья не может быть осуществлено примитивными средствами без проведения необходимых теоретических работ. Во-вторых, создание транспортных средств для бездорожья — задача значительно более трудная, нежели разработка конструкций самолетов, кораблей, поездов, обычных автомобилей. Для ее решения должны быть сосредоточены соответствующие силы и средства. И в-третьих, создание транспортных средств для бездорожья в настоящее время может вестись не вообще, не абстрактно, а для определенных грунтовых условий, и работа должна быть начата именно с изучения этих условий.

Исследуя свойства грунтов, зарубежные специалисты установили, что способность грунта обеспечить передвижение той или иной машины не может быть оценена, двумя-тремя показателями (плотность, зависимость сопротивления от скорости и т. д.), т. е. так, как это делают для воды или воздуха в гидро- или аэродинамике. Поэтому и определение проезжаемости грунтов не может быть произведено примитивными приборами. Была сделана попытка оценить грунты комплексом из одиннадцати показателей, однако и этого количества не всегда было достаточно, не говоря уже о сложности измерения такого количества взаимосвязанных величин. Кроме того, нет никакой уверенности в том, что свойства грунта в момент взаимодействия его с движителем остаются такими же, какими они были при измерениях — практика подсказывает обратное. Тем не менее, привлекая материалы и методы смежных наук, все же удалось провести классификацию грунтов и накопить фактический материал по их проезжаемости. Исследования дали также довольно полную информацию о качественных показателях грунтов, необходимую при разработке и оценке новых конструктивных решений и эксплуатационных показателей созданных машин.

В наиболее общем виде можно сказать, что механика системы «грунт-машина» показала невозможность на современном техническом уровне создать вездеходную универсальную машину, годную для любых грунтов и дорог. Из-за существенных различий в свойствах грунтов машина, обладающая оптимальными показателями в одних условиях, не будет иметь их при работе в других. Стало очевидным, что в настоящее время для работы в каждой географической (грунтовой) зоне необходимо разрабатывать свой тип машины.

Вторым важным достижением механики системы «грунт-машина» следует считать разработку различных методов расчета эксплуатационных показателей проектируемых машин по их конструктивной характеристике. Это значительно упростило проведение исследований и сократило затраты времени на разработку новых конструктивных решений машин высокой проходимости.

Созданная механикой системы «грунт-машина» теоретическая база позволила проводить сравнительные исследования новых типов движителей — шнековых, на воздушной подушке, вибрационных, шагающих и других. Наряду с этим во многих странах идут широким фронтом поиски новых конструктивных решений по совершенствованию существующих типов движителей. В частности, не утихают дебаты о достоинствах и недостатках колесных и гусеничных движителей. При этом в качестве доводов обычно приводят результаты сравнительных испытаний. Однако результаты таких испытаний в части, касающейся системы «грунт-машина», нередко истолковываются чисто механически, что приводит к ошибочным выводам, при которых вместо разумных величин выдвигаются крайности. Сторонники колес или гусениц настойчиво доказывают свою правоту, не учитывая, что каждый из типов движителей подходит для своих, наиболее характерных для него условий. А такие условия должны быть определены на основе изучения взаимодействия движителя с грунтом.

Рассмотрим вкратце существующие за рубежом научные взгляды на этот счет. Полагают, что оценка эффективности движителя должна производиться в двух аспектах. Первый — внешний — относится к величине и форме поверхности контакта движителя с грунтом. Второй— внутренний — рассматривает движитель как механизм, преобразующий работу двигателя в работу передвижения машины. Он позволяет охарактеризовать внутренние потери, возникающие в процессе такого преобразования, т. е. коэффициент полезного действия движителя.

В чем состоят достоинства и недостатки колесного движителя? Если мы приподнимем краном автомобиль, то увидим, что на грунте остались отпечатки от его колес. Количество отпечатков, естественно, равно количеству колес, а площадь и форма каждого из отпечатков равны соответствующим показателям поверхности контакта колесного движителя с грунтом. Если сложить площадь всех отпечатков, то получится суммарная площадь контакта движителя автомобиля с грунтом. Чтобы сравнивать между собой автомобили различной величины, суммарную площадь контакта относят ко всей площади проекции автомобиля на горизонтальную плоскость и обозначают это отношение коэффициентом использования площади Кп. Само собой разумеется, что для движения по грунтам с низкой несущей способностью более пригоден тот автомобиль, у которого Кп больше.

Для зарубежных армейских автомобилей характерны следующие средние значения Кп: двухосные — 0,04; трехосные— 0,06; четырехосные — 0,10; четырехосные на пневмокатках — 0,17. Как видно, повышение значения коэффициента Кп достигается путем увеличения числа осей и ширины колес. Заметим, что эти данные во всех случаях учитывают возможность снижения давления воздуха в шинах и соответственное увеличение площади контакта шины с грунтом.

Колесо — один из самых старых типов движителя. Тем не менее работы по его совершенствованию не прекращаются и по сей день. Конечная цель многих из вносимых усовершенствований — увеличить площадь поверхности контакта движителя с грунтом. Самый простой путь — увеличение диаметра колеса. В США изготовлены и испытаны колесные снегоходы «Сноу Багги» и «Марш Багги» с колесами диаметром свыше 3 м. Не так давно появились сообщения о том, что в Канаде проектируется четырехколесная машина «Мамонт» с колесами диаметром свыше 17 м (с пятиэтажный дом). Очевидно, такие колеса сложны и в изготовлении, и в эксплуатации, но это — один из путей обеспечить возможность перевозки на колесах сколько-нибудь значительных грузов по бездорожью. Конечно, для движения в особых условиях отдельные образцы таких машин могут найти применение, однако не следует забывать, что для поворота колес большого диаметра необходимо значительное пространство внутри машины, что приводит к сужению рамы, уменьшению внутреннего объема корпуса, а следовательно, и к ухудшению плавучести, вызывает многие другие трудности.

Другой путь повышения коэффициента Кп — увеличение числа колес. Восьмиколесные армейские машины сейчас уже никого не удивляют, а сочлененные конструкции позволили в некоторых моделях увеличить количество колес до десяти. Однако для многоосных автомобилей высокой проходимости со всеми ведущими колесами потребовались очень сложные трансмиссии. Достаточно сказать, что для автомобиля 8×8 нужны, по крайней мере, три раздаточные коробки, 5–7 межосевых и меж-колесных дифференциалов, 12–16 редукторов и несколько десятков карданных валов. Все это значительно усложняет конструкцию, требует специальных дорогостоящих и не всегда эффективных мероприятий по обеспечению надежности, увеличивает трудоемкость технического обслуживания.

Таким образом, с точки зрения проходимости колесный движитель обладает существенным органическим недостатком— малой величиной площади контакта с грунтом. Однако мы рассмотрели пока лишь одну его функцию— создание опорной поверхности. Не менее важное значение для машин высокой проходимости имеет и вторая— реализация силы тяги.

Известно, что тяговые качества машины при прочих равных условиях тем выше, чем длиннее площадь контакта движителя с грунтом. Оценить конструкцию машины с этой точки зрения можно по отношению суммарной длины всех отпечатков колес одной стороны к длине машины (коэффициент использования длины Кд). Для зарубежных армейских автомобилей характерны следующие средние значения Кд: двухосные — 0,12; трехосные — 0,23; четырехосные — 0,32; четырехосные автомобили на пневмокатках — 0,26.

Теоретически для четырехосного колесного автомобиля при расстоянии между соседними колесами в 0,1 диаметра Кд не может быть выше 0,46. Кроме того, надо иметь в виду, что даже при сниженном давлении воздуха в шинах в контакте с грунтом находится не более 16 % окружности колеса. Остальные 84 % участия в образовании опорной и тяговой поверхности в каждый данный момент времени не принимают и, с инженерной точки зрения, являются лишь балластом. Правда, в печати приводятся сведения о попытках зарубежных специалистов обойти этот недостаток за счет применения некруглых (квадратных, трехгранных, овальных) колес. Однако из стадии эксперимента эти попытки не вышли. К тому же трудно представить себе что-либо более похожее на фрезу для разрушения грунта, чем современная армейская широкопрофильная шина с высокими грунтозацепами. Разрушение слабых грунтов идет настолько интенсивно, что движение колесных машин по ним практически нереально.

Таким образом, с точки зрения внешнего аспекта оценки эффективности движителя показатели колес оставляют желать лучшего. Иное дело — совершенство колеса, как механизма, преобразующего работу двигателя в работу передвижения машины. При движении по недеформируемому (не изменяющему форму) основанию эффективность колесного движителя с жестким колесом очень высока, его КПД приближается к 100 %. Однако при переходе от жесткого колеса к автомобильной шине, и особенно от жесткой бетонной дороги к грунту, эффективность колеса резко снижается. При движении по бетонной дороге на деформацию, т. е. изменение формы, шины затрачивается уже 3–5 % мощности двигателя, а применение шин низкого давления при движении по грунтам сопровождается потерями до 30 % мощности.

Достоинством колесного движителя считают его долговечность. Действительно, изготовленные из силиконовых каучуков покрышки современных автомобилей выдерживают 100–200 тыс. км пробега. Однако — это по дорогам. Иная картина при движении по бездорожью. Тут гарантийный срок службы шины резко падает — до 15 тыс. км, причем движение на пониженном давлении (т. е. именно то, что нужно для бездорожья) допускается только в пределах 5—15 % от общего пробега и на пониженной скорости.

С точки зрения надежности для армейской машины резиновые шины колесных машин также нельзя назвать удовлетворительными. Не говоря уже о боевых повреждениях — прострелах, наезд на камни, гвозди, стекла нередко приводит к необходимости заменять шины. Эта операция, не очень-то приятная и в мирной обстановке на шоссе, крайне трудно выполнима в бою, в грязи, с колесом большого диаметра и веса. Не случайно большие четырехосные армейские автомобили запасного колеса не имеют, поскольку в полевых условиях без подъемного крана все равно его заменить нельзя. При повреждении одного-двух колес приходится добираться до базы на оставшихся, сбросив при этом часть груза или соответственно ухудшив проходимость. Повреждение резиновой покрышки, следовательно, связано со срывом выполнения поставленной перед армейской машиной задачи.

И последнее достоинство колесного движителя — возможность движения с большой скоростью. Однако для армейских автомобилей при движении по бездорожью в боевых условиях эта возможность реализована быть не может, так как скорость движения ограничивается возрастающими сопротивлениями (грунт, неровности и т. д.).

Все вышесказанное позволяет наметить область применения армейских машин с колесными движителями. Это дороги (как с твердым покрытием, так и грунтовые), плотные грунты, обладающие достаточной несущей способностью. Что касается целесообразности использования колесных машин для перевозок по песку, то подобные грунты, как уже говорилось выше, лучше всего преодолевать на машинах с движителем, оказывающим значительное удельное давление и имеющим необходимую длину опорной поверхности. Опыт французской фирмы Берлиё, успешно эксплуатирующей в Сахаре трехосные большегрузные автомобили с шинами большого диаметра, подтверждает это.

Теперь рассмотрим достоинства и недостатки второго типа движителя — гусеничного.

По мнению ряда зарубежных специалистов, гусеничные машины, по сути дела, колесные. Это парадоксальное заключение они объясняют тем, что единственное отличие гусеницы от колес состоит в «рельсе», которая укладывается перед машиной и подбирается позади машины по мере ее прохождения. Эту рельсу обычно и называют гусеницей. Благодаря такому устройству, колеса (или опорные катки, как их называют в гусеничных машинах) не воздействуют непосредственно на грунт, а передают нагрузки через звенья гусеницы — траки. Форма и размеры поверхности соприкосновения движителя с грунтом в этом случае резко изменяются, чем и объясняется различие в проходимости колесных и гусеничных машин.

Зарубежные армейские гусеничные машины обычного типа характеризуются средними значениями коэффициента использования площади Кп = 0,20, а снегоболотоходные — Кп = 0,59. Таким образом, при прочих равных показателях гусеничные машины будут в состоянии двигаться по более слабым грунтам, нежели колесные, у которых Кп не превышает 0,17.

Второй оценочный показатель — коэффициент использования длины Кд у обычных армейских гусеничных машин в среднем равен 0,55 и у снегоболотоходов — 0,66. Эти значения превышают теоретически возможный для колесных машин предел Кд, равный 0,46, в 1,2–1,4 раза. Поэтому тягово-сцепные качества гусеничного движителя, пропорциональные длине поверхности контакта, будут соответственно выше, чем у колесных машин.

Поскольку величина пробуксовки определяется длиной площади контакта с грунтом, можно прийти к выводу, что колеса, которые имеют более короткую поверхность контакта, будут пробуксовывать при прочих равных условиях значительно больше, чем гусеницы. Соответственно, для передвижения колесной машины в тяжелых условиях потребуется затратить большую мощность.

В контакте с грунтом у гусеничного движителя находится не 16 % периметра, как у колеса, а 30–40, что также свидетельствует о его большей конструктивной экономичности по сравнению с колесным движителем.

Рассмотрим довольно наглядный график (рис. 15), которым зарубежные специалисты иллюстрируют сравнительную проходимость колесных и гусеничных машин. По горизонтальной оси здесь отложен некий обобщающий показатель «К», характеризующий свойства грунта. Чем он больше, тем лучше грунтовые условия. По вертикальной оси отложены значения удельной свободной силы тяги Ркр, характеризующие тягово-сцепные качества движителя. Тяговые показатели обеих машин и сопротивление, оказываемое буксируемым прицепом, показаны соответствующими кривыми.

Рис. 15. Показатели проходимости колесных и гусеничных машин

Из графика видно, что на грунтах с К < 3 колесные машины вообще двигаться не могут. При К = 4 сила тяги на крюке гусеничной машины равна 60 %, а у колесной — всего 15 % от веса машины. Один и тот же прицеп гусеничная машина сможет буксировать по грунту с К = 1,8, а колесная — только с К = 4. С увеличением значения К (улучшение грунтовых условий) разница в тягово-сцепных качествах колесного и гусеничного движителей быстро падает и при К = 12 практически уже не ощущается.

Как видно, у гусеничного движителя много достоинств. Однако, познакомившись с существующими сейчас зарубежными армейскими транспортными средствами, нетрудно заметить, что среди них преобладают не гусеничные, а колесные машины. В чем тут дело?

Эффективность гусениц, как движителя, значительно ниже, чем колеса — так до недавних пор утверждали многие конструкторы, основываясь на результатах сравнительных испытаний по дорогам с твердым покрытием и грунтовым. В самом деле, гусеницы армейских машин собираются из тяжелых стальных траков, шарнирно соединенных между собой. На перематывание гусеницы, трение в шарнирах траков расходуется не менее 10 % мощности двигателя, причем с увеличением скорости движения потери в гусеничной цепи возрастают настолько, что максимальная скорость гусеничных машин редко превышает 70 км/час. Мнение о неэффективности гусеничного движителя до последнего времени было настолько распространено, что конструкторы сосредоточили свое внимание на совершенствовании колесного движителя, тем более что здесь предоставилась широкая возможность использовать достижения коммерческого автомобилестроения.

В результате проходимость колесных машин за последние годы значительно возросла и во многих случаях стала приближаться к проходимости гусеничных. Однако оказалось, что чем ближе проходимость колесных и гусеничных машин, тем меньше разница в эффективности их движителей: в равных условиях бездорожья потери в обоих типах движителей мало чем отличаются друг от друга. Это обстоятельство, подтвержденное данными механики системы «грунт-машина», и заставило обратить внимание на совершенствование гусеничного движителя.

Были разработаны легкие конструкции гусениц — с разнесенными траками, ленточные, пневматические. Они показали высокую работоспособность, надежность и значительное увеличение срока службы в самых тяжелых условиях. В печати стало настойчиво высказываться мнение, что с точки зрения надежности гусеничный движитель отвечает требованиям, предъявляемым к армейским транспортным средствам в большей степени, чем колесный. Судя по зарубежным работам, область применения гусеничных движителей — бездорожье, грязь, снега, болота. Здесь их достоинства преобладают над недостатками.

Третий тип движителя, появление которого сопровождалось в иностранной печати большой шумихой, — так называемая воздушная подушка. Принцип действия этого движителя заключается в том, что между днищем машины и поверхностью, над которой она движется, нагнетается воздух, образующий прослойку («подушку»), которая приподнимает машину и уменьшает силы сопротивления движению до минимума. К настоящему времени первые восторги, с которыми было встречено появление машин на воздушной подушке, улеглись и появилась возможность дать им объективную оценку.

С точки зрения внешнего аспекта характеристики движителя машины на воздушной подушке представляются идеальными. Коэффициент использования площади Кп у них равен 1, т. е. максимально возможное значение достигнуто, чем, казалось бы, обеспечена и проходимость по самым слабым грунтам. Однако на этом достоинства подобных машин и кончаются.

Рассмотрим вторую функцию движителя на воздушной подушке — создание тягового усилия. Сила тяги здесь создается воздушными винтами. Поэтому динамический фактор (отношение силы тяги к весу машины) мал, сколько-нибудь существенных подъемов машина преодолевать не может, время разгона велико. Радиусы поворота очень большие, торможение воздушными винтами малоэффективно.

Основной же недостаток машин на воздушной подушке заключается в низкой экономичности движителя. Для того, чтобы приподнять машину над грунтом, необходимо нагнетать под ее днище огромную массу воздуха и затрачивать на это значительную мощность. У современных аппаратов на воздушной подушке удельная мощность (отношение мощности двигателя к весу машины) составляет 100–300 л.с./т, что в 8 раз больше, чем у остальных наземных машин. Соответственно увеличивается и расход горючего. Толщина воздушной подушки невелика — 10–30 см, это объясняется тем, что расход мощности на образование подушки растет пропорционально четвертой степени высоты парения. Вентиляторы машины при работе действуют подобно пылесосу, засасывая массу пыли, траву, щепки и другой мусор.

Все перечисленные и другие недостатки определили область применения машин на воздушной подушке: за рубежом в настоящее время они используются для перевозок над водными пространствами. Сведений об использовании их в качестве наземных армейских транспортных средств в печати не приводилось.

* * *

Рассмотрев зарубежные взгляды на использование различных типов движителей в целях повышения проходимости армейских машин, мы можем сделать вывод, что решение вопроса о применении того или иного типа движителя для армейской машины должно базироваться на изучении физики процесса взаимодействия движителя с грунтом, на всестороннем учете грунтовых условий, для которых эта машина предназначена. Должна быть статистически оценена частота воздействия тех или иных факторов на машину и в зависимости от этого на основе данных механики системы «грунт-машина» определены оптимальные размеры и форма поверхности контакта движителя с грунтом, а следовательно, и тип движителя.

Движителей, которые были бы в равной степени эффективны на дорогах и там, где кончается асфальт, на любых грунтах, в настоящее время нет. Однако поиски таких конструкций ведутся весьма интенсивно. Что они будут собой представлять, покажет время.

НОВЫЕ ПУТИ ЭЛЕКТРОНИКИ

Инженер-полковник И. ВОЛОШИН, доцент, доктор технических наук,

инженер-подполковник В. СИДОРИН, доцент, кандидат технических наук

Среди областей науки и техники, сыгравших особенно большую роль в революции, происшедшей в военном деле, важнейшее место принадлежит электронике. Без электронных устройств было бы невозможно создание и использование самого мощного — ракетно-ядерного оружия, создание и боевое применение подавляющего числа образцов современной боевой техники — сухопутной, военно-морской, авиационной. Электроника — это связь, управление войсками, обнаружение противника и наведение ракет и самолетов на цели. Без преувеличения можно сказать, что без электронных устройств современный бой просто немыслим.

Но как ни велика была роль электроники в недалеком прошлом, ее значение для дальнейшего прогресса военного дела, пожалуй, еще больше: Дело в том, что на широкие возможности радиоэлектроники, на ее быстрое развитие опираются многочисленные перспективные разработки боевых средств и вооружения. Кроме того, в самой электронике с каждым днем открываются все новые и новые пути, сулящие уже в недалеком будущем создание принципиально новых средств организации и ведения боя. Ярким примером в этом отношении служит одна из новейших отраслей современной электроники— квантовая электроника.

Идеи, лежащие в основе квантовой электроники, непосредственно связаны с той революцией в области физики, которой ознаменовалось начало XX века. В то время Альберт Эйнштейн создал теорию, позволившую не только объяснить известные тогда явления поглощения электромагнитной энергии веществом, но и предсказать возможность другого процесса — индуцированного, т. е. навязанного извне, излучения вещества.

Происхождение такого излучения можно объяснить следующим образом. Элементарные частицы вещества — молекулы и атомы — могут поглощать и излучать электромагнитную энергию очень малыми порциями — квантами. Если атом находится в невозбужденном состоянии, он может поглощать энергию. Поглотив квант, атом переходит в возбужденное состояние.

Существуют два способа возвращения атома в его основное энергетическое состояние. Этот переход может произойти самопроизвольно, без вмешательства извне, и вынужденно, под влиянием облучения. В обоих случаях атомы способны излучать запасенные кванты энергии. Однако отличительная особенность вынужденного излучения состоит в том, что испускаемые атомом кванты по частоте и направлению распространения ничем не отличаются от электромагнитных колебаний, вызвавших такое излучение. Таким образом, вынужденное, или, как еще говорят, индуцированное, излучение органически входит в вызревшую его волну и усиливает ее.

Следует, однако, отметить, что индуцированное излучение долгое время оставалось лишь теоретическим предположением. Условия, необходимые для его практического осуществления, были впервые сформулированы советским ученым В. А. Фабрикантом в докторской диссертации, защищенной в 1940 г. Становление же квантовой электроники, как новой отрасли техники, началось примерно с 1954 г., когда почти одновременно в СССР (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров) и США (Ч. Таунс с сотрудниками) были созданы первые квантовые генераторы радиоволн (мазеры). В этих генераторах использовалось индуцированное излучение молекул аммиака, в силу чего такие генераторы первоначально назывались «молекулярными». При этом впервые для излучения радиоволн были использованы не электронные потоки, как в радиолампах, а электрически нейтральные молекулы.

Следующим важным этапом явилась разработка квантовых усилителей радиоволн. Интерес к квантовым генераторам и усилителям вызывался не только тем, что они открывали новые способы генерации и усиления радиочастот. По ряду показателей они превосходили известные радиотехнические устройства и поставили своеобразные рекорды.

Особенно существенное влияние квантовые усилители оказали на дальность действия радиосистем. Как известно, дальность зависит от чувствительности аппаратуры. В свою очередь, чувствительность зависит от уровня собственного шума приемников, создаваемого их же контурами и лампами. Благодаря тому что квантовые усилители работают при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (порядка минус 270 °C), уровень собственного шума приемников с такими усилителями в 1 тыс. раз меньше, чем у приемников с электронными лампами.

Можно смело сказать, что осуществление таких выдающихся научных экспериментов, как слежение за автоматическими межпланетными станциями и радиолокация планет солнечной системы, было бы невозможно без использования квантовых усилителей радиочастот.

В 1960 г. открылась новая страница в истории молодой науки: стали разрабатываться квантовые генераторы оптического диапазона (лазеры). За создание оптических квантовых генераторов советские ученые Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и американский ученый Ч. Таунс удостоены Нобелевской премии. Суть вопроса здесь такова. Несмотря на общую физическую природу, электромагнитные волны, испускаемые известными до сих пор источниками света, и волны, излучаемые радиопередатчиками, резко отличаются друг от друга. Излучение световых источников — ламп накаливания— состоит из квантов самых различных частот и занимает очень широкий спектр (практически весь видимый диапазон). В силу этого обычные световые источники пригодны лишь для простейшей сигнализации. Квантовые же генераторы излучают исключительно направленные световые волны определенной частоты.

Угол расхождения луча оптического квантового генератора, как и в радиотехнике, определяется отношением длины волны к диаметру антенны или линзы. Поскольку в диапазоне видимого света длины волн (0,7–0,4 микрона) в 10 тыс. раз меньше, чем, допустим, в диапазоне сантиметровых волн, то и раствор направленного излучения при одинаковых размерах антенн в оптическом диапазоне получается во столько же раз меньше. Например, при диаметре рефлектора в 1 м предельный угол расхождения луча на волне красного света (0,7 микрона) составит менее одной угловой секунды, а на волне 2 см — около 1°, т. е. будет в тысячи раз больше. А от величины угла излучения зависит концентрация энергии в пространстве. Она обратно пропорциональна квадрату угла расхождения луча.

Таким образом, в оптическом диапазоне плотность излучения получается в миллионы и десятки миллионов раз выше, чем в радиодиапазоне. Это свойство световых излучений показывает, что в оптическом диапазоне системы связи и локации принципиально могут быть более экономичными. При меньших мощностях передатчиков можно достигнуть больших дальностей действия. Кроме того, высокая направленность оптических излучений позволяет получить соответственно в тысячи раз большую точность определения угловых координат, лучшую разрешающую способность. Появляются также неограниченные возможности для передачи информации: в диапазоне световых волн может быть размещено, например, несколько десятков миллионов телевизионных каналов.

В зарубежной печати отмечается, что свойства квантовых генераторов позволяют по-новому решать целый ряд задач в области локации, управления и связи и, кроме того, разработать принципиально новые виды вооружения.

В настоящее время разработано несколько типов оптических квантовых генераторов. Наиболее распространен квантовый генератор на рубине. Он включает в свой состав рубиновый стержень, расположенный между двумя зеркалами и подсвечиваемый лампой-вспышкой. Эта лампа переводит ионы хрома, находящиеся в кристаллической решетке рубина, в возбужденное состояние. При возвращении в исходное состояние они вызывают излучение, выводимое через одно из зеркал, которое делается полупрозрачным. В качестве рабочего вещества, кроме рубина, могут быть использованы и другие материалы, например стекло с присадкой редкоземельных элементов и некоторые смеси газов.

Оптические квантовые генераторы делают лишь первые шаги. Как отмечалось в печати, существующие за рубежом образцы еще недостаточно совершенные устройства и не достигли всех предсказываемых теорией возможностей. Пока крайне мал коэффициент полезного действия генераторов — всего около 1 %. Поэтому большой интерес за рубежом вызвало появление в прошлом году оптических квантовых генераторов на полупроводниках, которые не требуют лампы-вспышки и непосредственно преобразуют электрический ток в индуцированное излучение.

Большинство зарубежных специалистов высказывают мнение, что оптические квантовые генераторы найдут практическое применение прежде всего в системах космической связи. Минимальная ширина луча, которая при этом может быть достигнута, составляет доли угловой секунды. Для создания столь узких лучей в сантиметровом диапазоне радиоволн потребовалась бы антенна диаметром в несколько километров! Высокая концентрация энергии в системах связи с оптическими квантовыми генераторами, как полагают, обеспечит чрезвычайно большую дальность действия. Подсчитано, например, что при мощности передатчика всего в одну тысячную ватта дальность связи в космосе может достигать миллиона километров.

Высокая направленность излучения оптических генераторов практически исключает возможность перехвата сообщений и создание помех. Однако считают, что такие линии связи потребуют автоматических систем ориентации антенн передатчика и приемника. Следует иметь также в виду, что в нижних слоях атмосферы дальность действия систем оптического диапазона существенно сокращается из-за поглощения и рассеяния световых лучей в облаках, тумане.

Широкое использование оптические квантовые генераторы найдут при создании локационных систем с высокой точностью определения координат. По мнению зарубежных специалистов, такие локаторы необходимы для перехвата космических и воздушных целей, решения задачи встречи космических кораблей, для монтажа межпланетных станций и ряда других задач. Отмечалось, что при малых секторах обзора вследствие высокой направленности излучения локационные системы с квантовыми генераторами могут обеспечить значительно большую дальность действия, чем обычные радиолокаторы. Кроме того, указывалось, что в оптическом диапазоне можно создать локаторы, позволяющие производить измерение скорости движущихся объектов с очень большой точностью (до нескольких сантиметров в секунду).

Оптические локаторы могут быть применены и в качестве портативных дальномеров в сухопутных войсках, авиации и на флоте. Несколько подобных образцов изготовлены, например, в США. Они позволят быстро и с высокой точностью определять расстояние до любых целей и тем самым существенно повысить эффективность оружия. Новые дальномерные системы, как отмечалось, можно использовать при точных картографических съемках местности и для измерения высоты полета летательных аппаратов.

Изучаются также возможности использования оптических генераторов для подводной локации и связи. Особый интерес к этой области зарубежные специалисты стали проявлять в самое последнее время, после разработки квантовых генераторов, работающих в сине-зеленой области видимого спектра, слабо поглощаемого водой. Ожидают, что с помощью достаточно мощных генераторов можно достигнуть дальности подводной связи в несколько сотен метров.

Наиболее сенсационный характер носят сообщения зарубежной печати о возможности использования оптических генераторов для создания лучевого оружия, якобы способного мгновенно поражать различные цели. Подобные идеи возникли после первых лабораторных опытов, во время которых световым лучом прожигались отверстия в кусках металлов и алмаза. На основании этих опытов стали высказываться предположения об использовании оптических квантовых генераторов для поражения живой силы и техники, в частности ракет, самолетов, танков. В США с этой целью изучается разрушение материалов под действием светового излучения. Ряд фирм занят исследованиями, связанными с созданием квантовых генераторов с чрезвычайно высокой выходной энергией. Вынашиваются планы использования космических платформ для размещения на них лучевого оружия, предназначенного для уничтожения баллистических ракет. Имеются высказывания даже о том, что с баз, расположенных на Луне, «можно поражать вражеские объекты, расположенные на Земле, с помощью лазерных лучей смерти».

Однако некоторые зарубежные специалисты, например профессор Ганс Тирринг, считают, что для практической реализации идеи лучевого оружия, предназначенного для поражения боевой техники, потребуется увеличение энергии светового излучения более чем в миллион раз. По мнению ученого, кроме сложности проблемы достижения столь колоссальной энергии, существует еще не менее трудная проблема наведения узкого луча на цели, находящиеся на расстоянии десятков километров. Что касается поражения с Луны объектов, расположенных на Земле, эту идею Тирринг считает фантастической. Он полагает, что в данное время энергия оптических генераторов достаточна лишь для ослепления солдат на поле боя.

Как видно, для квантовой электроники характерно чрезвычайно стремительное развитие. Если вчера о квантовых устройствах говорили в порядке предположений, то теперь некоторые из них уже существуют. Несомненно, дальнейшее использование квантовых генераторов станет важным шагом в развитии многих отраслей военной техники.

ИНФРАКРАСНЫЕ ПРИБОРЫ В КОСМОСЕ

Инженер-подполковник Ю. САФРОНОВ, кандидат технических наук

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.

Рис. 16. Раннее обнаружение баллистических ракет (радиолокационные станции не обнаруживают ракету за радиолокационным горизонтом. Спутник по проекту должен обнаружить ракету по инфракрасному излучению в момент 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 м^2, 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.

ЭНЕРГЕТИКА БОЯ

Инженер-полковник Н. ЛЕБЕДЕВ, инженер-полковник Я. ЕМЕЛЬЯНОВ, инженер-подполковник И. ИСАКОВ

Новые задачи, новые решения. В результате технического перевооружения современных армий и флотов, связанного с революцией в военном деле, резко возросло число систем, комплексов и объектов боевой техники, требующих бесперебойного снабжения электроэнергией. И если сказать, что среди них стартовые площадки ракет, радиолокационные комплексы противоракетной и противовоздушной обороны, системы противолодочной обороны, узлы связи, различные устройства, которые обслуживают пункты базирования стратегической авиации, подводных лодок, станет ясно, почему к источникам тока военные специалисты сейчас относятся с особым вниманием.

В прошлом электроэнергия в армии использовалась, главным образом, для освещения, электросварки и электрификации некоторых инженерных и ремонтных работ. Современные потребители электроэнергии — это сложнейшие системы, включающие радиотехническую и электронно-вычислительную аппаратуру, синхронно-следящий электропривод, автоматические устройства и другое оборудование, которое во многих случаях требует одновременно питания переменным и постоянным током. Особенность ряда военных объектов, потребляющих электроэнергию, состоит и в том, что они рассредоточены на больших площадях, подвижны и имеют сравнительно небольшую мощность.

В зарубежной печати отмечается еще одно обстоятельство. В условиях ракетно-ядерной войны наряду с крупными промышленными центрами могут быть уничтожены также важнейшие электростанции, питающие энергией не только заводы и фабрики, но и военные объекты. Особенно же пострадают в такой обстановке линии электропередач. Это заставляет зарубежных специалистов усиленно работать над созданием автономных войсковых источников электроэнергии, способных работать в сложных условиях боя.

Что же представляют собой современные источники электропитания боевой техники? Какие проблемы возникают в связи с их созданием? Ответы на эти вопросы дают возможность познакомиться еще с одной стороной, участия физики в прогрессе военного дела: ведь теория электричества и ее практические приложения составляют обширную и весьма важную часть этой науки.

Основу единичного источника тока — электроагрегата — составляют первичный двигатель и генератор. Электроагрегаты обычно используются как самостоятельные источники тока в различных комплексах боевой техники или же устанавливаются на электростанциях. В качестве первичных двигателей применяют дизельные, карбюраторные и газотурбинные двигатели, снабженные необходимыми системами для их автономной и длительной работы в полевых условиях.

Серьезный отпечаток на конструкцию и качество электроагрегата накладывает его предназначение. Ведь одно дело — снабжать энергией неподвижный объект и другое — подвижный. Зарубежные специалисты относят создание источников тока для подвижной боевой техники к числу весьма сложных проблем. Считается, что они должны быть компактными и относительно легкими, способными надежно и длительно работать в полевых условиях зимой и летом, в пургу и дождь, в условиях, когда воздух насыщен пылью, при движении по грунтовым дорогам. По механической прочности и устойчивости к воздействию ударной волны они не должны уступать объекту, который питают током. В последнее время к подвижным электроагрегатам предъявляется дополнительное требование: способность работать на любом жидком топливе — керосине, бензине, дизельном и реактивном топливе, спирте, мазуте или смеси этих веществ.

Сейчас в зарубежных армиях электропитание подвижных объектов осуществляется либо от автономных передвижных электростанций, имеющих собственные транспортные средства, либо от электроагрегатов, расположенных на самом объекте и составляющих часть его, или, наконец, от установок с отбором мощности от базовых двигателей объекта. Примером обеспечения энергией передвижного объекта может служить электроснабжение американской батареи зенитных управляемых реактивных снарядов «Хоук», состоящей из двух огневых секций по три пусковые установки в каждой. Источником питания здесь служит электростанция, смонтированная на прицепах. Она включает пять электроагрегатов, причем один из них — резервный.

Питание большинства высокоманевренных передвижных объектов боевой техники осуществляется от электроагрегатов с карбюраторными, дизельными или газотурбинными двигателями. Зарубежные специалисты считают, что газовые турбины незаменимы на тех объектах, где время работы исчисляется минутами или часами и где быстрый запуск и готовность приема нагрузки решают все. В связи с этим в американской армии, например, газотурбоэлектрические агрегаты используются для питания пусковых установок оперативно-тактических ракет и зенитных комплексов. Так, на опытном подвижном зенитном комплексе реактивных снарядов «Маулер» использован газотурбоэлектрический агрегат переменного тока мощностью 60 квт.

Применение установок с отбором мощности от базовых двигателей на передвижных объектах боевой техники дает, как отмечалось в печати, выигрыш в весе, размерах и стоимости источника электропитания, поскольку один и тот же двигатель используется и для движения самого объекта, и для вращения генератора. Однако характеристики электроэнергии при этом получаются невысокими, в ряде случаев невозможно вырабатывать ток при движении. Поэтому подобные установки применяются на тех объектах, которые не требуют высокого качества электроэнергии и работают, как правило, на стоянке.

Чтобы обеспечить передвижные объекты одновременно и переменным и постоянным током, применяются отдельные электроагрегаты переменного и постоянного тока или используются, как и в зенитном комплексе «Хоук», электромашинные, а также полупроводниковые преобразователи тока. Переменный ток различной частоты позволяют получать преобразователи частоты.

Примером того, как внешне выглядит современная автономная передвижная электростанция, может служить изображенная на рис. 17 электростанция мощностью 675 квт на автомобильном шасси.

Рис. 17. Армейская передвижная электростанция

Стационарные военные объекты, в отличие от передвижных, обычно более энергоемки. Им нужны источники электропитания мощностью от нескольких сотен до тысяч киловатт. Например, только для работы радиолокационной станции целеуказания ракетной системы «Найк-Геркулес» требуется источник электроэнергии мощностью 1500 квт. Некоторые американские военные базы потребляют мощности в 6—10 тыс. квт и более.

Для электроснабжения стационарных военных объектов за рубежом иногда в качестве основных источников используются промышленные энергосистемы. На случай войны создается резерв из автономных источников электроэнергии. Так, американская радиолокационная станция целеуказания «Найк-Зевс» питается в мирное время от промышленной энергосистемы. Она имеет и собственную, автономную электростанцию, состоящую из девяти электроагрегатов мощностью по 1500 квт каждый. Часть из них находится в постоянной готовности к пуску и приему нагрузки на случай аварии или выхода из строя внешней сети.

Когда вблизи военного объекта отсутствует промышленная энергосистема, или мощность ее недостаточна, или, наконец, когда нужно обеспечить наивысшую надежность электропитания объекта, тогда используют автономные источники электроэнергии. На подземных стартовых площадках ракет «Атлас» каждая пусковая шахта имеет два дизель-электрических агрегата мощностью по 500 квт. Один агрегат поддерживает ракету в постоянной боевой готовности — мощность его достаточна для ее запуска. Второй находится в состоянии «горячего» резерва, т. е. готовности к запуску и приему нагрузки в течение 1–2 минут.

И еще одну проблему приходится решать военным специалистам-энергетикам. Дело в том, что большинство современных боевых комплексов требует надежного и бесперебойного электропитания. Способ решения этой задачи зависит от того, какой перерыв допустим в электроснабжении объекта. Если он составляет 1–2 минуты, применяют многоагрегатные автоматизированные электростанций. При остановке или аварии основного электроагрегата резервный запускается автоматически. Иногда резервирование делается многократным.

Когда объект допускает лишь весьма кратковременный перерыв в электроснабжении — секунды или даже доли секунды — или вообще не допускает перерыва электропитания, используют специальные электростанции бесперебойного или, как еще говорят, гарантированного питания. Они снабжаются электроагрегатами с накопителями энергии — инерционными маховиками или аккумуляторными батареями, которые и обеспечивают непрерывное электропитание объекта. На передвижных электростанциях бесперебойного питания обычно применяют электроагрегаты, имеющие два первичных двигателя (основной и резервный), электрический генератор, инерционный маховик и две управляемые муфты, поочередно подключающие двигатели к генератору.

Существуют и другие схемы электростанций бесперебойного питания. Есть стационарные электростанции, где применяются электроагрегаты с обратимыми электрическими машинами и инерционным маховиком (рис. 18). Здесь, когда потребители электроэнергии могут питаться от внешней сети, электрическая машина 1 работает в режиме электродвигателя и вращает маховик 2. При этом электромагнитная муфта 3 разомкнута. Если же напряжение в сети исчезает, автоматически запускается дизель 4, и электрическая машина начинает работать в режиме генератора — давать ток. Инерционный маховик в этом случае выполняет роль накопителя кинетической энергии, которая используется для поддержания скорости вращения генератора в период пуска дизеля.

Рис. 18. Электроагрегат с инерционным маховиком и обратимой электрической машиной:

1 — электрическая машина; 2 — маховик; 3 — электромагнитная муфта; 4 — дизель

На электростанциях бесперебойного питания с электродвигателями постоянного тока вместо инерционных маховиков применяют аккумуляторные батареи. В случае необходимости они питают электродвигатель, вращающий электрический генератор. Вообще говоря, электростанции бесперебойного питания — это довольно сложные автоматизированные устройства, способные длительно работать без обслуживающего персонала.

Военные атомные электростанции. В современных армиях широко используют всевозможные электроагрегаты и электростанции с дизелями, карбюраторными и газотурбинными двигателями. Они достигли высокого совершенства, однако, по мнению зарубежных специалистов, не могут удовлетворить всем современным требованиям. Одно из них — и очень существенное — способность источника электроэнергии работать длительное время без заправки горючим, поскольку в условиях высокоманевренного боя с применением ядерного оружия одна из самых сложных задач будет состоять в том, чтобы обеспечить снабжение войск всем необходимым, в том числе горючим. Исходя из этих требований, зарубежные специалисты обращают все более пристальное внимание на атомные электростанции, которые, как известно, могут долгое время — до двух и более лет*—работать без дозаправки ядерным горючим и обладают сравнительно большим сроком службы—12–16 тыс. час.

До последних лет рост атомной энергетики малой мощности за рубежом сдерживался большой стоимостью технического оборудования и, главным образом, стоимостью ядерного реактора. Атомные электростанции стоили значительно дороже, чем дизельные и газотурбинные. В настоящее время, как отмечалось в зарубежной печати, стоимость ядерного горючего и конструкционных материалов реактора быстро падает. В связи с этим в последние годы наметилась тенденция к расширению диапазона использования атомных электростанций, а в США приступили к созданию и военных атомных электростанций. Эти работы проводятся инженерным корпусом совместно с комиссией по атомной энергии. Была разработана обширная программа, выполнение которой началось в 1952 г.

Сейчас в армии США разрабатываются стационарные, блочно-транспортабельные и передвижные атомные электростанции. Стационарные, мощностью от 2 тыс. до 44 тыс. квт, предназначены для постоянного использования на определенном объекте. Они не приспособлены для перемещений. Как правило, на стационарных атомных электростанциях помимо выработки электричества производится отбор тепловой энергии для теплофикации.

Военные блочно-транспортабельные атомные электростанции мощностью от 200 до 3 тыс. квт строятся в виде отдельных блоков, которые могут перевозиться всеми видами транспорта, включая воздушный, и монтироваться на месте установки. Передвижные электростанции смонтированы на собственных транспортных средствах и рассчитаны для перемещения на значительные расстояния. Мощность армейских атомных электростанций, размещенных на сухопутных транспортных средствах, предусмотрена в диапазоне от 300 до 3 тыс. квт, а при расположении на судах — до 10 тыс. квт.

На передвижных электростанциях используются ядерные реакторы с газовым и жидкометаллическим теплоносителем. Реакторы этих типов по весу и габаритам значительно превосходят реакторы с водяным теплоносителем. Исключение представляет электростанция с водяным реактором типа MH-1A, которая расположена на судне.

Работы по созданию военных атомных электростанций в США ведутся с большим размахом. К 1970 году планируется создать армейские электростанции, способные производить ежесуточно до 2 млн. квт-ч электроэнергии. При этом основное внимание уделяется разработке передвижных установок. В одной из них мощностью 3 тыс. квт предусмотрен реактор, в котором теплоносителем будет жидкий металл.

Рассмотрим ближе одну из атомных электростанций. На рис. 19 показана передвижная военная атомная электростанция армии США типа ML-1. Она предназначается для питания радиолокационных, ракетных и орудийных систем и комплексов, пунктов управления, узлов связи, крупных полевых госпиталей, складов и других энергоемких военных объектов. ML-1 рассчитана на длительную работу с выдачей номинальной мощности 300 квт.

Рис. 19. Передвижная военная атомная электростанция

Электростанция способна работать при номинальной нагрузке в течение более 10 тыс. часов без дополнительной заправки ядерным горючим. Конструкция и габаритно-весовые показатели ML-1 допускают ее транспортировку по шоссейным и грунтовым дорогам, по железной дороге, водным и воздушным транспортом. Электростанция состоит из ядерного реактора и ряда блоков — турбогенераторного, управления и вспомогательного оборудования.

Основой электростанции служит ядерный реактор с газовым охлаждением. Диаметр реактора — 2,44 м, высота — 2,59 м, вес — 15 т. Теплоноситель— азот. Для привода электрического генератора использована газовая турбина. Блок управления расположен в отдельной кабине, которая во время работы электростанции находится на удалении до 150 м. Он включает в себя необходимые приборы и аппараты автоматического управления, контроля и защиты при аварийных режимах. Схема автоматизации электростанции выполнена на полупроводниковых приборах.

Общий вес технологического оборудования ML-1 с кабиной управления и блоком вспомогательного оборудования, но без транспортных средств составляет 40 т. Каждый блок размещен в контейнере, который защищает оборудование от ударной волны ядерного взрыва. Технологическое оборудование электростанции располагается на низкорамном автоприцепе, который буксируется армейским тягачом.

Электростанция ML-1 может быть использована не только как передвижная, но и как стационарная. В этом случае технологическое оборудование может быть снято с автоприцепа и установлено на фундаменте. Время, необходимое для приведения электростанции из походного положения в рабочее, включая пуск и разогрев, составляет 12 часов. Для расхолаживания и свертывания электростанции требуется 24 часа.

Из крупных военных передвижных атомных электростанций США следует отметить и электростанцию типа МН-1А мощностью 10 тыс. квт, предназначенную для электроснабжения военно-морских баз и береговых объектов большой энергоемкости. Базой электростанции служит судно типа «Либерти», специально переоборудованное для этой цели. Общий вид электростанции на судне показан на рис. 20. Американские специалисты подсчитали, что электростанция МН-1А обеспечит экономию горюче-смазочных материалов до 80 т в день, что соответствует суточной норме потребления горючесмазочных материалов одной дивизии.

Рис. 20. Крупная передвижная атомная электростанция, размещенная на транспортном корабле

По сведениям зарубежной печати, атомные электростанции надежны и безопасны в работе. В связи с этим американские специалисты выдвинули идею создания на основе атомных электростанций более крупных энергетических единиц — передвижных баз, которые предназначены для энергоснабжения сухопутных войск. Считают, что использование передвижных энергетических баз сделает полевую армию в значительной мере независимой от снабжения горюче-смазочными и другими расходными материалами.

Таковы некоторые пути развития военной атомной энергетики за рубежом. Мы приводили в качестве примеров станции, созданные в США. Однако это не означает, что США обладают какой-то монополией на подобную технику. В наше время все больше стран включается в использование энергии атомного ядра для производства электричества. А это значит, что военные электростанции могут применяться не только в американской, но и в других армиях.

ПОГОДА И РАКЕТЫ

Инженер-полковник В. МАЛИКОВ, доцент, кандидат технических наук

…Все почти было готово к старту. Осталось только заправить ракету топливом. Не успели произвести эту операцию, как пошел дождь. Работа не прекращалась. Но вот метеорологи доложили, что ожидается ветер со скоростью значительно большей, чем допускается при пуске. Последовала команда: «Ракету на ветровые болты». Полностью заправленную, ее пришлось выдерживать на месте старта сутки. Наконец погода улучшилась, можно пускать. Но при проверке обнаружилась неисправность дренажных клапанов бака с кислородом.

Откуда бы ей взяться? Еще три дня провозились с этим дефектом. И вот пуск. Через двадцать секунд полета ракета неожиданно получила крен и стала совершать беспорядочные колебания. Затем шум двигателя оборвался, и через несколько секунд из облака показалась беспомощно падающая вниз большая металлическая сигара…

Тщательные исследования показали, что виной всему была… погода. Это она вывела из строя жизненно важные системы ракеты. Так и было записано комиссией на одном из испытательных американских полигонов в первые годы становления ракетной техники в США. Дальнейшие исследования показали, что «погодная» проблема оказалась значительно шире и серьезней, чем предполагалось ранее. Впрочем, и раньше приходилось учитывать метеорологические условия во время, например, боевых стрельб артиллерии. Чтобы учесть влияние погоды на дальность и кучность стрельбы, артиллеристы, как известно, пользуются специальными поправочными таблицами и формулами. Однако с ракетами дело оказалось сложней.

Все противопоказано. При ближайшем рассмотрении выяснилось, что ракета по-своему реагирует на любые атмосферные явления и в неконтролируемых условиях ее держать нельзя. Как отмечали зарубежные специалисты, ракеты на жидком топливе и особенно на твердом весьма чувствительны к изменениям температуры и влажности воздуха, и пренебрежение этими факторами может снизить эффективность боевого применения этого оружия. Снегопад, дождь, ветер затрудняют, а в некоторых случаях и совершенно исключают возможность подготовить ракеты к пуску и произвести сам пуск.

Атмосферные условия не только могут снизить боеготовность ракет, но и отрицательно влияют на их техническую надежность, вызывая коррозийное разрушение наиболее чувствительных элементов и систем. Коррозийным разрушением зарубежные специалисты считают любое ухудшение состояния ракеты, вызванное или усиленное вредным воздействием атмосферы. Сам воздух — это весьма агрессивная среда для ракет. Но тем более опасен он, загрязненный различными промышленными газами, продуктами сгорания топлива.

Эти примеси еще более ускоряют коррозийный процесс и выход из строя многочисленных систем ракеты.

Однако независимо от продолжительности хранения и боевого дежурства ракеты не должны терять боевую надежность. Значит, надо искать пути обеспечения этой надежности. В настоящее время за рубежом разработан целый комплекс конструктивно-технологических мероприятий по защите ракет от вредного влияния атмосферы. Внедряют новые коррозийно-стойкие металлы, сплавы, используют пластмассы, различные поверхностные покрытия. Тем не менее, как отмечают специалисты, все эти мероприятия лишь уменьшают, но не исключают вредное влияние метеорологических условий, а потому и недостаточно эффективны. В связи с этим в последние годы разработаны и довольно широко применяются такие способы определения боевой надежности ракет, как климатические испытания.

Экзаменует климат. Новую ракету, готовую поступить на вооружение, обязательно подвергают температурным испытаниям и проверке на действие влаги в специальных климатических камерах. Проверяется техническая надежность ракеты при хранении и в полете. Устойчивость ракет при воздействии на них высокой температуры в полете зарубежные специалисты определяют в камерах, осуществляя нагрев, превышающий на 15–20 % максимально возможное ее значение. При этом продолжительность нагрева в два раза превышает расчетное время полета.

Испытание на низкую температуру производится переохлаждением дождем. Это значит, что ракету опрыскивают водой и одновременно обдувают холодным воздухом. Экзамен прекращается после образования на ее поверхности корки льда. Температурные испытания ракет в условиях хранения производят в диапазоне температуры от —54 до +71°. По окончании температурной обработки все системы проверяются на функционирование, и таким путем определяется их техническая надежность.

Теперь испытание на влажность. Поддерживая постоянное значение относительной влажности в 45 %, ракету нагревают от нормальной температуры до 71 °C, а затем охлаждают до 4,5°, что сопровождается конденсацией влаги. Чтобы выяснить картину при длительном хранении ракеты, моделируют различные климатические условия. Для Арктики, например, температуру назначают от 4,5 до 18 °C, относительную влажность — от 20 до 50 % и продолжительность испытания от года до пяти лет. Подземные условия хранения предполагают годовую выдержку ракет при температуре от 15,5 до 21° и относительной влажности 60–85 %.

Испытывают ракеты и на дождь, а некоторые типы и на буран, создаваемый с искусственным снегом. Дождь создается специальной дождевальной установкой, обеспечивающей полное обрызгивание ракет водой с температурой 20–21° в течение двух часов с интенсивностью тропического ливня.

В особых камерах проверяется коррозийная стойкость ракет. При температуре 29° и относительной влажности 70 % ракету обмывают водой, имеющей примеси хлористых соединений натрия, магния, кальция и калия. Не минует она и «проверки на плесень» (грибковые образования) при температуре 30° и относительной влажности 95 %.

Пройдя всю эту серию испытаний, опытные образцы ракет дают в руки специалистов материалы, которые учитываются при окончательной конструктивной доработке. Однако, как сообщалось в зарубежной печати, и эти меры не гарантируют полностью техническую надежность ракет, находящихся в условиях длительного хранения и особенно в состоянии боевого дежурства. Поэтому, чтобы сохранить проектную техническую надежность ракет, пришлось создавать специальные средства транспортировки и защитные сооружения.

От площадки заводской до стартовой. При транспортировке на большие расстояния ракеты на твердом топливе за рубежом помещают в специальные контейнеры, которые предохраняют их от вредного влияния атмосферных изменений и обеспечивают необходимую температуру топлива. На рис. 21 показана транспортировка твердотопливной ракеты «Минитмен». Контейнер для нее изготовлен из магний-алюминиевого сплава. Размер его 19,4×2,4×2,4 м, вес 4 т. Внутри контейнера с помощью системы термостатирования автоматически поддерживается определенная температура. На стенки его нанесен слой изоляционного покрытия.

Рис. 21. Транспортировка твердотопливной ракеты в контейнере с постоянной температурой

Следует отметить, что зарубежные специалисты придают важное значение контролю за температурой топлива и регулировке ее в любой момент в пути или в пункте назначения Ведь для всех типов и классов управляемых ракет вычисление программы полета производится не только с учетом метеорологических данных места старта и состояния атмосферы предполагаемой траектории, но и с учетом температуры компонентов топлива. По этой же причине для обеспечения необходимой точности стрельбы неуправляемыми ракетами применяются специальные чехлы с электрооборудованием для автоматической регулировки температуры заряда.

Но вот ракета прибыла к месту хранения или боевого дежурства. Теперь она, в отличие от прошлых лет, обязательно прячется в специальное, так называемое всепогодное, защитное сооружение. В некоторых случаях это сооружение выполняет и функции защиты от воздействия ядерного оружия, но в основном оно предназначено для защиты от вредного влияния атмосферы. В этом же укрытии проводятся все операции подготовки ракеты к пуску, технические осмотры и устранение мелких неисправностей в ее системах. Продолжительность службы защитных укрытий, по мнению зарубежных военных специалистов, должна составлять от 3 до 5 лет, а для некоторых типов укрытий — до десяти и более.

Какие же типы укрытий для ракет получили распространение за рубежом? В самом общем виде они разделяются на так называемые мягкие и твердые. Защитные укрытия «мягкого» типа, предназначенные для ракет оперативно-тактического назначения и баллистических ракет средней дальности, делятся на покровные, надувные и каркасные. Каркасом для покровных укрытий служит сама ракета или агрегат технологического оборудования. Покров изготовляется из специальной ткани или пластмассы и удерживается на ракете с помощью тента при хранении ее в горизонтальном положении и с помощью тросов — на старте.

Надувные укрытия впервые были применены за рубежом в качестве всепогодных защитных покровов для радиолокационных антенн в арктических районах, а сейчас широко используются и для ракет различного назначения. Они изготовляются из недефицитных пластмасс или специальных тканей. С помощью компрессорных установок или баллонных ресиверов внутрь укрытия подается под небольшим давлением воздух, который поддерживает необходимую форму покрытия (рис. 22). Внизу надувные укрытия закрепляются при помощи грузов или зажимов и поэтому не требуют никаких поддерживающих опор, потолочных ферм или специальных дорогостоящих оснований.

Рис. 22. Надувные укрытия для ракеты и ее вспомогательного оборудования

Внутреннее пространство надувных укрытий может быть полностью использовано для обслуживания ракеты в предстартовом положении, так как оно не имеет ни поддерживающих опор, ни потолочных ферм. Выход ракеты из укрытия во время пуска осуществляется за счет прорыва верхней части покрова или отрыва части укрытия по границам, ранее намеченным путем надрезов или химической обработки. Надувные укрытия при диаметре полусферы, достигающем 45 м, имеют высоту 25,5 м и могут служить для укрытий ракет средней дальности. Купола их, как сообщала печать, выдерживают ветровую нагрузку при скоростях ветра свыше 30 м/сек. Надежное сопротивление скоростному напору ветра обеспечивается трехкратным запасом прочности применяемого материала.

Каркасные защитные укрытия состоят из каркаса и покрова. В зависимости от конструкции и типа каркаса они подразделяются на два вида: с нестроительной обшивкой и со строительной (несущей) обшивкой. Наибольшее применение находят каркасные укрытия с нестроительной обшивкой. В качестве каркаса здесь служат стандартные строительные элементы — фермы, арки, подпорки, перемычки, что позволяет изготовлять укрытия в короткие сроки и при небольших экономических затратах. Укрытия с несущей обшивкой представляют собой комплекс стандартных элементов, изготовляемых из гофрированных металлических или бетонных отсеков. Укрытия эти, как правило, герметичны.

Защитные укрытия «твердого» типа применяются как для защиты ракет от атмосферных осадков, так и для защиты от действия поражающих факторов ядерного оружия. В качестве примера «твердых» укрытий можно назвать укрытия типа «апельсиновая корка», применяемые для ракет средней дальности «Юпитер» (рис. 23). Укрытие предназначается для защиты нижней части ракеты и пускового стола от действия атмосферы и состоит из нескольких конических створок, открытие и закрытие которых производится специальными механизмами.

Рис. 23. Укрытие для ракеты «твердого» типа: справа — до старта, слева — во время запуска

Рассмотренные здесь защитные укрытия позволяют, как считают зарубежные специалисты, обеспечить защиту ракет от вредного действия атмосферы и способствуют повышению технической надежности ракетных систем. Однако и они не решили всех проблем. Возросшие требования к обеспечению неуязвимости ракет от поражающих факторов ядерного оружия и повышению их технической надежности заставили зарубежных военных специалистов пойти по линии разработки и строительства подземных, так называемых шахтных пусковых установок. Но едва первые ракеты спрятались под землю, как возникли новые и не менее сложные проблемы. И опять здесь не обошлось без вмешательства все той же погоды.

Капризы микроклимата. Итак, на определенном этапе развития ракетного дела зарубежные военные специалисты решили, что дальнейшему повышению живучести, технической и боевой надежности стратегических ракет наиболее полно отвечает использование шахтных пусковых установок. К тому же, по их мнению, шахтные ракетные комплексы при сравнительно небольших эксплуатационных затратах обеспечивают боевое дежурство наибольшего количества ракет. И атмосферных влияний можно бы теперь не бояться. Хотя изучение физики атмосферы шахт показало, что температура шахтной среды незначительно отличается от среднегодовой температуры воздуха снаружи, которая для США в зависимости от дислокации ракетных баз колеблется от 4,4 до 21 °C, все-таки это была не поверхность земли. Так называемый микроклимат шахт оказался довольно стабильным.

Однако уже вскоре опыт содержания ракет «Титан II» и «Минитмен» на боевом дежурстве показал, что основные характеристики «естественного» микроклимата шахты (температура, влажность, давление и другие) далеко не так хороши и безобидны, как это вначале казалось. Больше того, исследования выявили, что в шахте образуется своя «живая» атмосфера — параметры воздуха не остаются в ней неизменными. Так, например, температура в верхней и нижней части шахты была различной. В свою очередь это вызывало циркуляцию воздуха, которая сопровождалась перераспределением тепла и влаги не только по глубине, но и по периметру шахты. В тех местах, где влажные потоки воздуха, перемещаясь, попадали в зоны с более низкой температурой, влага конденсировалась. В зонах с более высокой температурой она испарялась. Как сообщалось в печати, в этих условиях относительная влажность воздуха в нижней части шахты может превышать 90 % и, в зависимости от температуры атмосферы шахты, содержать от 1,5 до 7,8 г воды на каждый кубический метр воздуха.

Выяснилась и еще одна неприятная вещь. В шахте, как и в атмосфере промышленного города, всегда присутствуют агрессивные пары. Только здесь картина получается более сложная, так как эти пары сильно концентрируются вследствие замкнутого объема шахты.

Как они появляются? Прежде всего, в результате просачивания, микроскопических утечек и испарения компонентов жидкого топлива. Агрессивность среды увеличивается и из-за разложения смазочных материалов, лакокрасочных покрытий, старения резины, а также при распаде твердого топлива и образовании в результате этого газообразных продуктов.

Коррозия — враг номер один. Как сообщалось в зарубежной печати, воздействие на ракету влаги и агрессивных паров, содержащихся в атмосфере шахты, вызывает коррозию металлических деталей, коррозионное растрескивание некоторых высокопрочных конструкционных сплавов, расслоение пластических масс и разложение резины. Влажный воздух проникает в пористые материалы ракеты и электронно-пускового оборудования. Реакция воды с материалами образует каналы утечки электроэнергии из проводников. От влаги разбухают и расширяются водопоглощающие материалы, например различные прокладки.

Кроме этого, естественный микроклимат шахты благоприятствует возникновению грибковых отложений и жизнедеятельности различного рода бактерий, насекомых и грызунов. Грибковая плесень обычно образуется на органических веществах, включая древесину, бумагу, целлюлозу, хлопок и т. д. Инертные к образованию грибков материалы не способствуют их росту, но отложения пыли и грязи на них могут служить средой для роста грибка. Все это приводит к неисправностям кабельных линий, порче электрической проводки электронной аппаратуры, выходу из строя соединительной арматуры и тем самым вызывает нарушение нормальных условий функционирования отдельных узлов и целых систем ракеты.

Так как в результате коррозионного и биологического воздействия резко снижается техническая надежность наиболее чувствительных элементов ракет, за рубежом проводятся большие теоретические и опытные исследования, направленные на изучение процессов, протекающих в атмосфере шахты, и разработка эффективных мер по противокоррозионной защите ракет и шахтных пусковых установок. При этом создание оптимального микроклимата шахты и другие защитные мероприятия против коррозии рассматриваются как одно из важнейших условий обеспечения боевой надежности ракет.

Следует сказать, что причин коррозии ракет зарубежные специалисты насчитывают немало. Кроме действия воздуха и агрессивных продуктов, находящихся в шахтной атмосфере, это еще и действие электролитических сред, блуждающих токов, грунтовых пород, контактных поверхностей двух или более разнородных материалов в соединениях ракеты, перенапряжений в поверхностных слоях металлических деталей, находящихся под нагрузкой, и другое. Однако мы рассматриваем здесь в основном климатические факторы, хотя все явления, в общем, тесно взаимосвязаны. Так, например, коррозия ракет и шахтных пусковых установок блуждающими токами вызывает не только интенсивное разрушение изделий, изготовленных из стали и цветных сплавов, но и гидроизоляции шахты из-за коррозии сварных швов. А это, в свою очередь, прямо влияет на климат шахты, так как открывает в нее доступ влаги.

Совместные действия влаги и кислорода воздуха на поверхность металлических изделий, вызывающие так называемую атмосферную коррозию, становятся особенно опасными при неблагоприятном микроклимате шахты. Так, зарубежные исследования показали, что незначительное повышение относительной влажности воздуха свыше 60 % вызывает резкое увеличение скорости коррозионного процесса в ракетах. И, напротив, атмосферная коррозия ракеты не наступает, если относительная влажность воздуха не превышает 40 %, а температура шахтной среды находится в пределах от 8 до 21°.

Влага действует как агрессивная среда особенно сильно, вступая во взаимодействие с испаряющимися веществами. Вот один из примеров, приводившихся в печати. Через месяц после установки одной из ракет «Титан II» на боевое дежурство была обнаружена течь окислителя (четырехокиси азота). Оказалось, что произошло сильное коррозионное разрушение сварных швов баков ракеты. Обследование показало, что течь началась из-за некачественной сварки. Однако затем последовало разрушение швов вследствие того, что просачивающаяся через них четырехокись азота вступила в реакцию с влагой воздуха и образовала азотную кислоту. Последняя и вызвала интенсивное коррозионное разрушение сварных швов.

После тщательного изучения этого случая было решено снизить относительную влажность воздуха в шахте до 32 %. При этой влажности воздуха образующиеся в шахте пары азотной кислоты становятся химически нестойкими и распадаются с образованием окислов азота, кислорода и воды.

Управление шахтной «погодой». Перечисленные основные причины и виды коррозионного разрушения ракет и металлоконструкций шахтных пусковых установок, как сообщалось в печати, существенно влияют на техническую надежность и боевую готовность ракет, находящихся на боевых дежурствах. Поэтому были предприняты усилия выработать такой комплекс мероприятий, который позволил бы повысить коррозионную стойкость ракет.

В связи с этим зарубежные специалисты намечают внедрить в ракетостроение новые металлические материалы, такие, как титан, цирконий, ниобий, и сплавы на их основе, обладающие высокой стойкостью против химической и электрохимической коррозии, а также применять пластические массы для деталей и узлов ракет, находящихся под воздействием агрессивных сред.

Однако, несмотря на внедрение этих, так называемых конструктивно-технологических мероприятий, с помощью только их, как считают зарубежные военные специалисты, не удастся обеспечить надежную защиту ракет от коррозии. Поэтому в последние годы борьбу с ней они ведут в основном по линии создания и обеспечения стабильных характеристик микроклимата шахтной среды.

Микроклимат шахты определяет общие условия хранения и содержания ракет на боевом дежурстве, а также сроки, нормы и правила технического обслуживания их в шахтных пусковых установках. На основе изучения состава температурно-влажностного режима и влияния атмосферы шахты на техническую надежность ракет разработаны практические рекомендации по созданию благоприятных климатических условий, обеспечивающих длительное хранение жидкостных и твердотопливных ракет в шахтах. В эти рекомендации входят обеспечение герметизации и гидроизоляции шахт, применение систем вентиляции и установок для кондиционирования воздуха и другое.

Герметизация шахтных пусковых установок достигается применением воздухо- и водонепроницаемых уплотнений защитных крыш и гидроизоляцией шахтных стволов и оголовков. Гидроизоляция шахт осуществляется применением одного или нескольких изоляционных слоев, изготовляемых из металлических или других водонепроницаемых материалов, например покрытий из стеклопластиков.

Необходимая чистота атмосферы в шахте обеспечивается приточно-вытяжными системами вентиляции с резервными воздухозаборниками. Для того чтобы устойчиво поддерживать оптимальный микроклимат шахты независимо от колебаний температуры и влажности воздуха на поверхности земли и внутреннего тепло-и влаговыделения, используются кондиционеры. Стабильность микроклимата шахты достигается автоматическим поддержанием необходимого состава воздуха, температуры, влажности. Как считают зарубежные специалисты, абсолютная влажность воздуха, подаваемого в шахты, не должна превышать 0,4 г на один килограмм.

В 1963 г. ракетное конструкторское бюро инженерного корпуса США разработало систему кондиционирования воздуха для шахт с ракетами «Титан II» на основе использования в качестве рабочего тела хлористого лития. Это вещество обладает высокой гигроскопичностью и легко регенирируется (восстанавливается) при обработке горячим воздухом. Сообщалось, что системы кондиционирования в шахтах для ракет «Титан II» обеспечивают поддержание микроклимата при температуре 16° и относительной влажности не более 30 %. Такой температурно-влажностный режим шахтной пусковой установки, по утверждению американских специалистов, полностью исключает коррозионное разрушение ракет при утечке компонентов топлива и воздействии на ракету шахтной атмосферы.

Однако, как сообщалось, в печати, эти и другие меры защиты не настолько эффективны, чтобы исключить полностью воздействие агрессивных сред шахтной атмосферы на ракеты и шахтные пусковые установки. Поэтому в США разработаны и находят широкое применение различные технические средства для измерения коррозии ракет и наблюдения за состоянием и составом атмосферы шахтных пусковых установок. Так, например, в шахтах для ракет «Титан II» и «Минитмен» используются визуальные и дистанционные системы электрического контроля. С их помощью производится непрерывное считывание метеорологических характеристик микроклимата шахты и степени коррозирования наиболее ответственных деталей и систем ракеты, т. е. постоянно работают своеобразная аварийно-техническая служба и «служба погоды» шахты.

Как видно из вышесказанного, боевая и техническая надежность современного оружия, даже такого мощного и совершенного, как ракетное, во многом зависит от внешних условий. И совсем не безобидным на поверку оказывается обыкновенный воздух, окружающий могучую стальную громаду, где бы она ни находилась — на поверхности земли или под семью замками железобетонной шахты.

ВОЛНА И КОРАБЛЬ

Инженер-капитан 3 ранга Г. СВЯТОВ

Океанская волна! Вряд ли найдется читатель, который не представляет себе ее мощи. И конечно, всякий понимает, сколько неприятностей может причинить морякам разбушевавшаяся стихия. Известны исторические примеры, когда штормы срывали крупные морские операции. Во время англо-испанской войны в 1588 г., когда на Британские острова двигалась «Непобедимая армада» испанских кораблей, англичанам оставалось, как говорится, только уповать на бога. Тогда «бог» помог англичанам: боевые корабли великой армады и транспорты с войсками попали в жестокий шторм в Бискайском заливе, и треть кораблей погибла. После неудачной попытки высадить десант испанцы отправились через Северное море вокруг Шотландии к своим берегам. Шторм у Оркнейских островов выбросил на берег и потопил еще ряд кораблей. В Испанию вернулось всего 50 кораблей из 130, потери достигли 20 тыс. человек.

Шторм и волна были главной опасностью кораблей прошлого. Но только ли прошлого? Во вторую мировую войну в штормовую погоду разламывались крупные транспорты и такие боевые корабли, как эскадренные миноносцы. Подсчитано, что только в проливе Ла-Манш на каждый невоенный год с 1902 по 1961 приходится 271 судно (включая мелкие), погибшее по различным причинам и прежде всего от штормов.

Однако известно, что уже кораблестроители глубокой древности умели строить корабли с высокими мореходными качествами, а мореплаватели отваживались совершать на них дальние походы. В V–IV веках до нашей эры карфагенский мореплаватель Ганнон вывел из Средиземного моря флотилию из 60 кораблей, миновал Геркулесовы Столбы и взял курс на юг вдоль побережья Африки. Флотилия дошла до побережья Сенегала, основав по пути 7 городов. На совсем небольших, по современным понятиям, кораблях совершали свои плавания русские мореплаватели — новгородцы и поморы. Да и каравеллы Колумба и Магеллана не отличались большими размерами.

Что же определяет возможности корабля безопасно совершать длительные плавания? Морякам и кораблестроителям хорошо известно такое понятие, как мореходность. Мореходность — это совокупность качеств корабля, обеспечивающих успешное его плавание при определенных условиях погоды. Корабль считается мореходным, если в море в свежую или штормовую погоду испытывает лишь умеренную бортовую (до 15°) и килевую (до 5°) качку с малой угловой скоростью (период качки не менее 10 сек.), если он устойчив на курсе, может развивать значительную скорость хода, волны не заливают его палубы, а брызги не мешают управлять кораблем и использовать его оружие или специальное, например тральное, оборудование. Мореходные качества корабля зависят от его размеров и их соотношения, от формы обводов, распределения составляющих весовой нагрузки корабля по высоте и т. д.

Естественно, что корабль больших размеров обладает более высокими мореходными качествами. А как обстоит дело, когда надо обеспечить максимальную мореходность при заданном водоизмещении корабля? Прежде всего, на параметры его качки влияет остойчивость— свойство корабля, препятствующее его накренению. Как ни странно на первый взгляд, но чрезмерное повышение остойчивости приводит к более резкой качке, т. е. ухудшает мореходные качества корабля. В то же время остойчивость не может быть уменьшена ниже определенной величины из-за требований другого, не менее важного качества — непотопляемости корабля. Естественно, мореходность корабля можно повысить за счет увеличения объема его надводного борта — запаса плавучести, но этот путь связан с рядом ограничений по весовой нагрузке. Наконец, остается форма подводной и надводной части корпуса корабля. Хотя форма подводной части корабля выбирается в первую очередь из условия обеспечения максимальной скорости на тихой воде, влияния на нее требований мореходности значительны. В последние годы в связи с увеличением размеров гидроакустических антенн, размещаемых в нижней части носовой оконечности корабля, широкое распространение получила каплеобразная форма подводной части его носовой оконечности. Такая форма способствует повышению скорости‘хода корабля на волнах и снижению амплитуды его килевой качки.

Определяющий внешний фактор мореходности корабля— морские волны. Наибольшие "ветровые волны наблюдаются в Южном полушарии. Длина их достигает 400 м, высота 12–13 м, период 17–18 сек., скорость распространения до 22 м/сек. Еще большие океанские волны возникают при подводных землетрясениях (так называемые волны цунами), однако такие волны — явление редкое. Гораздо чаще наблюдаются морские волны высотой 3–5 м. Зато такие волны обладают большей крутизной. Если отношение высоты к длине волны в открытом океане составляет 1/15—1/35, то для морских волн это отношение редко превосходит 1/10.

В Мировом океане плавают корабли и суда, водоизмещения которых находятся в широком диапазоне от нескольких десятков тонн до 180 тыс. т, подводные лодки водоизмещением под водой до 8 тыс. т. В числе надводных имеются обычные (водоизмещающие) корабли и суда с различными формами корпусов и соотношениями главных размерений, глиссирующие корабли и суда, корабли и суда на подводных крыльях и воздушной подушке.

Только один тип корабля — подводная лодка на большой глубине избавлена от воздействия ветра и поверхностных волн. Если не считать скрытности, то это обстоятельство можно отнести к важнейшему преимуществу подводного корабля над надводным. Все же остальные разновидности надводных кораблей и судов подвержены действию морской волны. При их проектировании конструкторы сталкиваются с проблемой обеспечения мореходных качеств. Проблема эта решается каждый раз по-иному, в зависимости от архитектурного типа, назначения и размеров корабля или судна. Но так как проблема имеет все же общий характер, определяемый взаимосвязью «волна — корабль», при ее решении используется ряд общих закономерностей, основанных на широко известных физических явлениях, изучаемых такими науками, как гидростатика, теоретическая механика и гидродинамика.

Русские и советские ученые внесли весомый вклад в науку, изучающую мореходные качества корабля. Вопросами, связанными с качкой корабля, занимались Н. Е. Жуковский, А. Н. Крылов и другие ученые. По праву основоположником науки «качка корабля» считается наш крупнейший ученый и кораблестроитель Алексей Николаевич Крылов. Его основополагающая работа «Новая теория килевой качки корабля» была опубликована еще в конце XIX века в трудах английского института корабельных архитекторов.

Качкой корабля называют его колебательные движения, вызванные внешними силами, — волнами, ветром, перекладкой руля, рывком при буксировке, стрельбой из артиллерийского, ракетного или торпедного оружия.

В последнее десятилетие внимание к мореходности кораблей и судов повысилось. Казалось бы, многолетний опыт мирового судостроения настолько обширен, что в области мореходных качеств корабля трудно что-либо улучшить. На самом деле это не так. До недавнего времени в лабораториях теории корабля — опытовых бассейнах— проводились эксперименты, связанные с выбором формы судна, исходя из обеспечения максимальной скорости на тихой воде.

Оборудование опытовых бассейнов ряда ведущих морских стран специальными устройствами для создания искусственного волнения и замеров гидродинамических характеристик уравнений качки позволило в процессе проектирования корабля проводить разнообразные испытания, связанные с определением параметров качки, заливаемостью и динамическими нагрузками на корпусные конструкции.

Значительное развитие получила и теория качки корабля. Если на первых порах в качестве исходных данных принимались условные регулярные волны, выражаемые математически синусоидой или трохоидой, а элементы качки корабля определялись на основе решения системы линейных дифференциальных уравнений, в настоящее время исходными данными служат спектральные диаграммы волнения моря, а характеристики качки самого общего вида определяются на основе решения систем нелинейных дифференциальных уравнений с помощью быстродействующих вычислительных машин.

Важные изменения происходят и в области мореплавания. Интересно отметить, что в эпоху парусного флота большое внимание уделялось изучению морских течений и ветров и выработке рекомендаций по оптимальным маршрутам плавания. Особенно большое значение это имело для морских сообщений между Европой и Америкой. В 1847 г. в США были опубликованы карты ветров и течений, составленные океанографом Mayри. Первым этими картами воспользовался командир барка «Райт» Джексон. Переход его корабля от мыса Виргиния до Рио-де-Жанейро занял 38 дней вместо обычных 55, а переход обратно — 37 дней.

С развитием парового флота внимание к составлению подобных карт, требующему больших затрат труда, несколько ослабло, так как корабли старались выбирать курсы по кратчайшему расстоянию между пунктами отправки и назначения.

В последние годы в связи с повышением внимания к изучению Мирового океана в военных и экономических целях в ряде морских стран активизировались усилия в области океанографии. В военно-морских силах США существует специальная служба рекомендаций оптимальных курсов кораблей. На основе возросших возможностей метеорологов и океанологов предсказывать погоду и состояние моря специалисты службы, поддерживая связь с совершающими плавания кораблями, ежедневно выдают их штурманам рекомендации относительно оптимального курса. Часто этот курс не направлен по кратчайшему расстоянию между местонахождением корабля и пунктом назначения, но в результате достигается экономия. Хотя это уже не сутки эпохи парусного флота, а часы, тем не менее стоимость этих часов не меньше стоимости тех суток.

Каким же образом конструкторы уменьшают параметры качки корабля? Известно, что наибольшими раз-махами и резкостью отличается бортовая качка. Самый простой, но в то же время самый малоэффективный способ уменьшения бортовой качки — установка бортовых килей. Бортовые кили обладают большим сопротивлением колебательному движению корабля относительно продольной оси и не намного увеличивают сопротивление поступательному движению корабля. Такие кили устанавливались на кораблях еще в XIX веке. Каков принципиальный недостаток этих килей? Он заключается в том, что с ростом скорости их эффективность не повышается, в то же время доля сопротивления поступательному движению хотя медленно, но растет.

Значительное место в развитии успокоителей качки занимали и еще продолжают занимать различного рода цистерны, работающие на принципах гидростатики и демпфирования (ослабления) колебаний за счет сопротивления поступающей и вытекающей воды. Самым простым примером таких цистерн могут служить современные бескингстонные цистерны главного балласта подводной лодки. В этих цистернах в надводном положении естественно поддерживается давление, равное гидростатическому давлению на уровне несколько выше шпигатов (отверстий в нижней части цистерн, через которые они заполняются и продуваются). При крене подводной лодки во время качки уровень шпигатов одного борта понижается, и вода начинает поступать в цистерну накрененного борта, преодолевая гидродинамическое сопротивление шпигатов и сопротивление обжатию воздуха. Соответствующие реакции, приложенные к корпусу лодки, уменьшают размахи ее бортовой качки. В более сложных схемах применяются закрытые цистерны с принудительным перекачиванием воды с борта на борт при помощи воздуходувок или водяных насосов. Режимы работы насосов устанавливаются в соответствии с параметрами качки. Эти системы обеспечивают уменьшение амплитуды бортовой качки примерно на 50 %.

Ко второму физическому явлению, положенному в основу систем стабилизации качки корабля, относится свойство гироскопа. Известно, что ориентированный в пространстве и вращающийся с большой скоростью маховик обладает свойством препятствовать выведению его оси из зафиксированного положения. Еще в 1923 и 1931 гг. японские специалисты установили такую систему стабилизации качки на двух авианосцах. Амплитуда бортовой качки этих авианосцев снижалась с 22 до 2,5°. Преимуществом такой системы стабилизации являются сравнительная простота устройства и регулирование режима работы. Действительно, с ростом скорости корабля и увеличением высоты волн достаточно повышать число оборотов гироскопа и нет необходимости вводить в систему сложные параметры качки, так как гироскоп работает в установившемся режиме. Недостаток — это то, что эффективность системы не повышается естественно с повышением скорости корабля.

Интересно, что в специфических условиях такая система нашла применение на одном из современных боевых кораблей. Им оказалась, как ни странно, подводная лодка. Дело в том, что современные подводные ракетоносцы стреляют ракетами из-под воды с глубины порядка 30 м. На такой глубине при сильном шторме качку испытывает и подводная лодка. Скорость же, при которой выстреливаются ракеты, невелика — 2–3 узла (4–6 км/час). Поэтому в данном случае наиболее оптимальной оказалась гироскопическая система стабилизации. Ее применение повышает точность стрельбы. Кроме того, система уменьшает амплитуду качки не только от волнения, но и от импульсов ракетной стрельбы.

Наибольшими преимуществами обладает одна из самых современных систем стабилизации качки, в основу которой положено использование широко известной подъемной силы крыла, движущегося в водной среде. Самым важным обстоятельством является то, что такая система обладает наибольшей эффективностью на ходу, и с ростом скорости хода ее эффективность повышается. В систему входят боковые рули с автоматическим управлением, датчики, замеряющие угловые и линейные скорости и ускорения качки, гидравлические приводы рулей и счетно-решающие устройства автоматического регулирования. Система предназначена для уменьшения в первую очередь бортовой качки корабля. Однако уменьшение амплитуды бортовой качки положительно сказывается и на амплитуде килевой качки, вертикальной качки и рыскания на курсе.

Посмотрим, как работает такая система в динамике. На корабль, идущий с определенной скоростью и определенным курсом, воздействуют какие-то внешние силы. Установленные на корабле датчики параметров качки замеряют их, и исходные данные поступают в счетнорешающее устройство. На корабле может быть одна или две пары горизонтальных рулей, похожих на горизонтальные рули подводной лодки. Каждый руль перекладывается независимо, своим приводом. Как только корабль начинает крениться на борт, или даже несколько раньше подается сигнал управления, и угол атаки соответствующего руля увеличивается, а следовательно, увеличивается и подъемная сила на руле, создавая восстанавливающий момент. Образно корабль с гидродинамической системой стабилизации качки можно сравнить с эквилибристом, идущим по проволоке и удерживающим равновесие с помощью вытянутых в стороны рук.

Не обошлось при конструировании системы гидродинамической стабилизации и без использования опыта авиации. Стабилизирующие плоскости имеют закрылки наподобие закрылков рулей или крыльев самолетов, и выполняют эти закрылки такую же роль — повышают подъемную силу крыла при минимальной его площади. Управление современной системой гидродинамической стабилизации корабля производится из ходовой рубки путем нажатия кнопок в зависимости от скорости хода и курса корабля относительно волн.

Какова же эффективность гидродинамической системы стабилизации? Иностранные специалисты считают, что применение одной из таких систем фирмы «Сперри» на авианосце позволяет обеспечить отклонение полетной палубы от горизонтальной плоскости в пределах ±2° при скорости 30 узлов (примерно 54 км/час). Стоимость такой системы порядка 7 млн. долларов. Если учесть, что стоимость современного авианосца достигает 400 млн. долларов, а стоимость самолета 10 млн. долларов, затраты на систему стабилизации качки оказываются более чем оправданными. Не меньшее значение стабилизация качки имеет и для быстроходных трансокеанских лайнеров.

Несколько иначе решается проблема повышения мореходных качеств кораблей на подводных крыльях и воздушной подушке. Физические принципы для кораблей на подводных крыльях остаются те же. Отличие заключается в том, что их органами стабилизации служат те же крылья, которые поднимают корпус корабля из воды. На одном из экспериментальных кораблей на подводных крыльях ВМС США «Хай Пойнт» применена автоматическая система стабилизации хода на волнах. При высоких скоростях в режиме движения на подводных крыльях обеспечена возможность изменения подъемной силы крыльев в зависимости от состояния моря, профиля волны и курса корабля. Изменение подъемной силы крыльев достигается за счет изменения их угла атаки в функции «бегущего» профиля волн. Корабль может двигаться со скоростью 40 узлов (около 70 км/час) при высоте волн до 3 м. Повышение мореходных качеств кораблей на воздушной подушке достигается по-другому. Если корабль на подводных крыльях разрезает волну (и чем больше высота кронштейнов его крыльев, тем выше его мореходность), корабль на воздушной подушке как бы парит над волнами. Чем выше поднимается он над волнами, тем большую мощность надо затрачивать на создание воздушной подушки и, следовательно, меньше мощности остается на поступательное движение. В данном случае конструкторы идут по пути создания гибких ограждений воздушной подушки (так называемых юбок). В последнее время родилась концепция судов «на воздушном пузыре». Это — один из вариантов конструктивного решения при проектировании кораблей на воздушной подушке. Воздушная подушка удерживается при такой схеме вертикальными бортовыми «ножами», прорезающими поверхность воды, а также носовой и кормовой поворотными заслонками.

Таковы основные направления развития мореходных качеств кораблей, качеств, обеспечивающих кораблю возможность уверенно и безопасно «ходить по морю», качеств, над повышением которых бьются многие поколения кораблестроителей.

Примечания

1

Дисперсия — рассеивание дневного света, разложение дневного света при помощи призмы на отдельные цветные (спектральные) лучи вследствие резкой преломляемости их в призме. Разложенный таким образом бесцветный (белый) луч дает на экране спектр, цветную полосу, с постепенным переходом цветов от красного до фиолетового. Дисперсия в математической статистике и теории вероятностей — наиболее употребительная мера рассеивания, т. е. отклонения от среднего. Аномальный — отклоняющийся от нормы, от общей закономерности, неправильный, необычный.

Content

Физика в бою

ВВЕДЕНИЕ

ФИЗИКА И НОВОЕ ОРУЖИЕ

ИЗ ГЛУБИН ВЕЩЕСТВА

ВОЗДУХ, СТАВШИЙ ОРУЖИЕМ

РАКЕТА И ЯДЕРНЫЙ ВЗРЫВ

САМОЛЕТ — ПТИЦА?

СЕКРЕТЫ СКОРОСТИ

ЧЕГО НЕ ЗНАЛ АРХИМЕД

ТАМ, ГДЕ КОНЧАЕТСЯ АСФАЛЬТ

НОВЫЕ ПУТИ ЭЛЕКТРОНИКИ

ИНФРАКРАСНЫЕ ПРИБОРЫ В КОСМОСЕ

ЭНЕРГЕТИКА БОЯ

ПОГОДА И РАКЕТЫ

ВОЛНА И КОРАБЛЬ

Примечания