Всевидящее око: военная история радара

Всевидящее око: военная история радара

В прошлом году исполнилось 70 лет исторической воздушной битве за Британию, Battle of Britain (июль-октябрь 1940 года). Королевские ВВС (Royal Air Force) тогда не только отразили атаки немецкой авиации, но и  лишили противника возможности возобновить массированные бомбардировки территории. Эта победа многим обязана системе радиолокационных станций, созданной еще до Второй мировой.

Идея использования волн Герца (так когда-то называли радиоволны) для отслеживания движущихся объектов ненамного моложе самой радиосвязи. Через девять лет после первых опытов Маркони и Попова она пришла в  голову 22-летнему Христиану Хюльсмейеру, работнику компании Siemens из Дюссельдорфа. Он не имел технического образования, но весьма интересовался электрическими новинками, в  частности радиоаппаратурой. В 1904  году он собрал, испытал и запатентовал устройство, которое назвал телемобилоскопом. Согласно патентной заявке, это был «аппарат, излучающий и  принимающий волны Герца и  предназначенный для обнаружения находящегося на их пути металлического тела, например поезда или корабля, и предупреждения о его появлении». 17 или 18 мая Хюльсмейер впервые публично представил его в  Кельне на мосту через Рейн. На демонстрации присутствовали представители судовых компаний, журналисты и многочисленные зеваки. Об эффектном эксперименте без задержки сообщили и  европейские, и  американские газеты.

Аппарат Хюльсмейера состоял из  искрового генератора радиоволн, излучающей антенны с металлическим фокусирующим рефлектором, приемной антенны с еще одним рефлектором и  когерера в качестве ресивера. С помощью электрического звонка он оповещал о приближении речных пароходов. Прибор даже приблизительно указывал направление на объект, но, конечно, не мог определить его удаленность и скорость. Строго говоря, это был не радиолокатор, а только радиодетектор.

Первая британская радарная сеть нисколько не походила на современные радиолокаторы. Привычных вращающихся антенн не было и в помине (они появились позднее). Импульсы 13,6-метровых радиоволн протяженностью 20 микросекунд с 40-миллисекундными промежутками излучались кабельными антеннами, подвешенными на решетчатых стальных башнях 110-метровой высоты (по четыре на каждую станцию). Приемные антенны монтировались на расположенных поодаль (чтобы избежать интерференции) 70-метровых башнях из деревянных конструкций. Сначала мощность каждого передатчика составляла 350 кВт, позднее ее довели до 750 кВт. Станции располагались вдоль побережья цепочкой, давшей название всей системе — Chain Home. По нынешним понятиям, ее разрешающая способность была смехотворной — около 3 км, и к тому же радары практически не замечали низколетящие объекты. Однако в хорошую погоду они засекали воздушные армады Геринга уже в небе над Францией, что обеспечивало британским ПВО 20-минутное предупреждение. В тех условиях это имело огромное значение. В течение трехмесячной Битвы за Британию немцы потеряли почти половину своих боевых самолетов — 1882 машины из 4074. И хотя общие потери королевских ВВС были лишь немногим меньше (1547 машин), немцы лишились гораздо большего числа летчиков (544 английских пилота против более чем 3500 погибших и плененных немцев). В дальнейшем активность немецких ВВС в воздушном пространстве Британии резко упала и со временем сошла на нет. Этому помогла новая радарная сеть Chain Home Low, где уже применялись вращающиеся антенны, испускавшие полутораметровые радиоволны. А с 1941 года работающие на 50-сантиметровых волнах радиолокаторы появились и на кораблях королевского флота. Битва за Британию была выиграна, хотя и очень дорогой ценой.

Хюльсмейер предлагал устанавливать такие приборы на кораблях, чтобы предупреждать столкновения в  условиях скверной видимости. Позднее он даже придумал устройство для автоматической оценки расстояния до объекта по углу наклона приемной антенны, но так его и не сделал. Да и сам телемобилоскоп проработал недолго. Им не заинтересовались ни пароходные компании, ни моряки кайзеровского флота. Общее мнение сводилось к тому, что о сближении судов достаточно сигнализировать гудками и что аппаратура Хюльсмейера сложна, не слишком надежна и практически бесполезна. Не помогло даже то, что на испытаниях в  Голландии прибор показал очень приличную дальность в  3 км. Летом 1905 года изобретателю отказала в  поддержке и  фирма Telefunken, после чего он поставил крест на своем детище. Хюльсмейер дожил до 1957 года, запатентовал 180  изобретений, но к  своей первой работе больше не возвращался. Впрочем, когда после Второй мировой войны весь мир убедился в возможностях радиолокации, Хюльсмейер был признан на родине выдающимся изобретателем.

Конечно, сейчас ясно, что никто не смог бы сконструировать настоящий радар на базе радиотехнологии первого поколения, основанной на искровых генераторах и когерерах или магнитных детекторах. Хюльсмейера осенила великолепная идея, но без мощной вакуумной (а   потом и твердотельной) электроники она обещала немногое — в  этом германские военно-морские эксперты не ошиблись. Потомкам остался лишь его прибор, выставленный ныне в  Немецком музее в Мюнхене.

За океаном

Осенью 1922 года Альберт Хойт Тейлор и Лeo Янг из Лаборатории авиационной радиотехники ВМФ США засекли с помощью радиоволн проходившее по Потомаку деревянное судно. На одном берегу стоял передатчик с антенной, непрерывно излучавшей волны длиной 5 м, а на противоположном — приемник. Когда корабль оказывался между приборами, приемная антенна получала два сигнала — прямой и отраженный. В  результате интерференции исходное излучение модулировалось по амплитуде, и на ровный тон принимаемого сигнала накладывались помехи. Подобно прибору Хюльсмейера, это был не локатор, а всего лишь детектор.

Тейлор и Янг представили заявку на продолжение своих работ, но одобрения не получили. Через год Тейлор стал начальником радиоотдела свежеучрежденной Лаборатории военно-морских исследований (Naval Research Laboratory, NRL), и ему пришлось заниматься совсем другими проектами. Однако летом 1930  года его ассистент Лоуренс Хайленд выяснил, что с  помощью радиоволн можно обнаруживать самолеты. Это случилось по чистому везению: между антеннами передатчика и приемника находилось летное поле. Тогда-то Тейлор и убедил начальство в необходимости работы над интерференционными детекторами. Этими приборами в NRL занимались три года, а потом (по причине явной неудачи) принялись за настоящие радиолокаторы, принимающие отраженные от объекта радиоимпульсы. Созданный под руководством Роберта Пейджа первый экспериментальный импульсный радар испытали лишь в  1936 году. В июне он отловил самолет с 40-км дистанции.

В 1917 году великий Никола Тесла в интервью, опубликованном в весьма уважаемом журнале The Electrical Experimenter, в целом вполне правильно сформулировал принцип радиолокации и особо отметил, что этот метод позволит отслеживать положение и скорость движущихся объектов. Правда, Тесла полагал более перспективным использование стоячих волн (в этом он ошибся), однако допускал и применение радиоимпульсов. Сам он в этом направлении не работал, но через много лет его идея нашла последователя в лице французского радиоинженера Эмиля Жирардо, который в 1934 году запатентовал прибор для радиолокации. Год спустя он установил свой прибор на «Нормандии» — самом большом трансатлантическом лайнере того времени. В 1939 году группа Жирардо смонтировала первую во Франции станцию радарного наблюдения за воздушным пространством, предупреждавшую силы парижской ПВО о немецких налетах. В июне 1940 года, перед самым падением Парижа, французы уничтожили свою аппаратуру, чтобы она не попала в руки врага. На фото — антенна первого американского серийного радара SCR-268 с дальностью обнаружения 35 км.

В последующие годы развитие радиолокационной аппаратуры в США заметно ускорилось, но на оперативное дежурство она встала только после начала Второй мировой: на военных кораблях в 1940 году, на сухопутных постах ПВО - с  зимы 1941-го. Как раз тогда американские военные и изобрели слово «радар», это была аббревиатура RAdio Detection And Ranging (обнаружение и  оценка дальности с помощью радио).

Немецкие достижения

В числе пионеров радиолокации немало немецких ученых. Особое место занимает блестящий радиоинженер и  изобретатель Ханс Эрик Хольманн, на счету которого более 300  патентов. В  1935  году он запатентовал многорезонаторный магнетрон, способный генерировать мощное излучение сантиметрового диапазона.

Более простые версии магнетрона еще в 1920-х были разработаны в  нескольких странах, в том числе и  в   СССР  - харьковскими радиофизиками Слуцкиным и Штейнбергом. Но Хольманн не сумел стабилизировать излучение по частоте, поэтому немцы в  конце 1930-х предпочитали более устойчивые, хотя и  менее мощные клистроны.

В Германии были выполнены и первые эксперименты, направленные на создание импульсных радиолокаторов военного назначения. В  1933 году их начал физик Рудольф Кунхольд, научный директор Института технологий связи германских ВМС. Он работал с сантиметровыми радиоволнами, а в качестве их источника пользовался изобретенным в 1920 году триодом Баркгаузена-Курца, дававшим излучение мощностью всего 0,1  Вт. Уже в сентябре 1935 года Кунхольд продемонстрировал главкому ВМФ адмиралу Эриху Редеру отлично действующий радиолокационный прибор с электронно-лучевым дисплеем. К  концу 1930-х в Рейхе на его основе были созданы оперативные радиолокаторы - Seetakt для флота и  Freya для ПВО. Чуть позже немецкие инженеры сконструировали радиолокационную систему управления огнем Würzburg, первые образцы которой поступили в  армию и ВВС в 1940 году.

Итак, немецкие разработчики радиолокаторов могли похвалиться немалым числом технических достижений. Однако немцы принялись пользоваться ими позднее англичан — правда, не по вине инженеров. Поначалу Гитлер и его окружение верили в  блицкриг, а радар считали в основном оборонительным средством. Локаторы системы Freya по ряду параметров даже превосходили британские радары, но в начале войны у немцев было лишь 8 таких станций, и  в  ходе битвы за Британию они не смогли в полной мере отследить действия английской авиации. С 1934 года радиолокацией занялись и в СССР. Тем не менее к началу войны с Германией у  советских военных практически не было наземных РЛС ПВО, а к испытаниям авиационных РЛС серии «Гнейс» они приступили только в 1942 году.

Лучи смерти

К 1935 году в Германии, США, СССР и  Франции уже были серьезные наработки по радиолокации. У Великобритании же не было ничего достойного. Тем не менее, задержавшись на старте, на финише британцы обогнали всех.

Летом 1934 года в Англии прошли воздушные маневры, продемонстрировавшие, что у  страны нет эффективных методов защиты от вражеских бомбардировщиков. Тогда-то в министерстве авиации и вспомнили о периодически поступающих заявках на создание устройств генерации лучей, смертельных для экипажа атакующего самолета. Чиновники пообещали премию в £1000 тому, кто сконструирует прибор, способный с  расстояния 100 м убить излучением овцу. Страсти подогрела газета New York Sun, поведавшая миру, что Никола Тесла изобрел аппарат, способный сбить 10 000  боевых самолетов с расстояния 250 миль. Самое интересное, что это не было фантазией журналистов: Тесла действительно выступил с таким нелепым анонсом, который, вероятно, следует списать на то, что великому изобретателю уже было под 80.

Британцы приступили к разработке радара всего за четыре года до начала боевых действий. При этом они начали с совершенно фантастического проекта, не имевшего ни малейшего шанса на реализацию. Однако у них хватило проницательности рассмотреть в нем рациональное зерно, которое проросло в первую в мире систему национальной радарной защиты. В хорошую погоду радиолокационные станции Chain Home засекали немецкие эскадрильи в небе над Францией за 20 минут до их появления. В тех условиях это имело огромное значение.

Директор Исследовательского управления министерства авиации Генри Вимперис этой ахинее не поверил, но в январе 1935  года все же попросил суперинтенданта отдела радио Национальной физической лаборатории Роберта Уотсона-Уатта (кстати, прямого потомка изобретателя паровой машины Джеймса Уатта) подумать об излучателе электромагнитных волн, поражающих человека с расстояния в  несколько километров. Тот сомневался, что это возможно, но обещал заняться проблемой и  поручил своему сотруднику Арнольду Уилкинсу выполнить необходимые расчеты. Уилкинс подтвердил выводы шефа, но на этом не остановился. Как и  многим радиоинженерам, ему было известно, что летящий самолет создает помехи коротковолновым радиосигналам. Уилкинс прикинул, можно ли поймать радиоволны, отраженные от корпуса самолета, и, к  своему немалому удивлению, получил положительный ответ, о котором Уотсон-Уатт доложил начальству. Оно отозвалось с  необычайной для английской бюрократии скоростью и  приказало немедленно проверить идею на практике.

Как Британия стала островом

Уилкинс не имел времени для изготовления хорошего генератора радиоимпульсов и в заданные сроки успел лишь собрать приемник, соединенный с катодной трубкой. Источником сигналов стал антенный комплекс Би-би-си в  Давентри, вещавший на 49-метровых волнах, которые излучались в пучке с угловой шириной 30°. Во время испытаний радиосигналы отражались от двухмоторного бомбардировщика -биплана «Хейфорд», кружившего на 3-километровой высоте. Это был радиоинтерференционный детектор, сходный с  тем, что несколькими годами ранее сделали американцы. 26 февраля 1935 года он засек самолет с расстояния 8 миль (около 13 км), и Уотсон-Уатт произнес вошедшую в историю фразу: «Британия опять стала островом!»

Дальнейшее было делом техники и  финансирования. Уже в мае англичане построили на берегу Северного моря секретную лабораторию для калибровки и испытания настоящей радиолокационной аппаратуры импульсного действия. 17 июня Уотсон-Уатт, Уилкинс и вошедший в их команду Эдвард Боуэн с помощью новых приборов отловили пролетавший в 27 км гидросамолет, а   в  ходе дальнейших испытаний увеличили радиус локации до 65 км. В  сентябре британское правительство дало добро на разворачивание пяти первых станций радарной сети, а в декабре казначейство выделило на это очень солидную для того времени сумму в £60 000. Технический прогресс не уступал темпам финансовых вливаний - в  1936  году команда Уотсона-Уатта уже отлавливала самолеты на дистанции 150 км. А  17 августа 1937 года англичане успешно опробовали авиационный бортовой радиолокатор для отслеживания морских целей, сконструированный Боуэном.

В начале 1937 года английские ПВО располагали семью радиолокационными станциями на юго-восточном побережье. В сентябре эти посты перешли на круглосуточный режим. Перед началом Второй мировой у англичан было уже 20 станций, интегрированных в единую сеть, перекрывавшую подлет к Британским островам со стороны Германии, Голландии и Бельгии. Так явно невыполнимое генерирование лучей смерти обернулось разработкой, которая помогла Великобритании выстоять в первые критические месяцы немецких бомбардировок.

Статья «Лучи смерти и всевидящее око» опубликована в журнале «Популярная механика» (№3, Март 2011).
Комментарии

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.