№12, 1985 г.
Первые шаги советской радиолокации
Ю.Б. Кобзарев
Юрий Борисович Кобзарев, академик, заведующий отделом Института радиотехники и электроники АН СССР. Специалист в области статистической радиотехники и теории колебаний, основатель советской школы радиолокации. Награжден золотой медалью им. А.С. Попова, присуждаемой Академией наук СССР за выдающиеся научные работы и изобретения в области радио. Герой Социалистического Труда. Лауреат Государственной премии СССР. В декабре 1985 г. Ю.Б. Кобзареву исполнилось 80 лет.3 января 1934 г. в Ленинграде на небольшой специально построенной установке были зарегистрированы отраженные от самолета радиоволны. С этого дня, который можно считать днем рождения советской радиолокации, начались интенсивные исследования, направленные на решениe задачи обнаружения самолета и точного определения его местоположения.Идея радиолокации немногим моложе идеи радиосвязи. Еще в 1905 г. был ыдан германский патент X. Хюльсмейеру о заявке от 30 апреля 1904 г.[1]. Идея развивалась и в других заявках, многие из которых очень интересны. Так, в 1919 г. был выдан патент Л. Махтсу, в котором описывалось устройство со спиральной разверткой и визуальной индикацией положения обнаруживаемого с помощью радиоволн объекта [2]. Однако из-за несовершенcтва излучающих и принимающих устройств того времени возможностей практического существления предложенных идей не было.
Первой публикацией, в которой описывались опыты по определению положения отражающего радиоволны объекта, можно считать статью Е. Эппльтона и М. Барнета [3]. В этих опытах производилось измерение высоты ионосферы (слоя Кеннели - Хевисайда) путем наблюдения интерференции радиоволн, распространяющихся вдоль поверхности Земли, и волн, отраженных от ионосферы. Результирующая напряженность поля периодически менялась при изменении длины волны (вследствие изменения разности фаз этих волн), что и позволяло определить высоту ионосферы.
Периодическое изменение величины сигнала, являющееся результатом наложения сигнала, отраженного летящим самолетом, наблюдалось в опытах Б. Тревора и П. Картера, исследовавших распространение ультракоротких радиоволн. По-видимому, в их статье 1933 г. содержится первое упоминание об отражении самолетом радиоволн. В ней говорится: “...самолет, пролетающий над полем, обусловливал хорошо выраженные вариации приема. Отраженный от самолета сигнал попеременно усиливал и ослаблял прямой луч передатчика. Это явление было особенно заметно, когда расстояние между передатчиком и приемником составляло 800 м. Интерференционные явления, обусловленные самолетом, были сильнее, когда самолет пролетал ближе к приемнику, но были заметны и в том случае, когда самолет находился на лин,ии передатчик - приемник” [4].
Примененный Эппльтоном и Барнетом метод варьирования частоты излучаемых колебаний и до настоящего времени является одним из основных методов измерения расстояний, применяемых в радиолокационных устройствах. Альтернативный метод основан на измерении времени запаздывания Dt отраженного импульса по отношению к излученному. Расстояние г до отражающего объекта определяется в этом случае с помощью простого соотношения
r = (cDt)/2,
где с - скорость света. Этот чрезвычайно наглядный (когда для измерения Dt используется электронно-лучевая трубка) метод был впервые применен также при определении высоты ионосферы [5]. В дальнейшем он получил широкое развитие при ионосферных исследованиях, имеющих большое значение для техники связи на коротких волнах. В радиолокации он играет главенствующую роль.
НАЧАЛО РАБОТ. НЕПРЕРЫВНОЕ ИЛИ ИМПУЛЬСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ?
До 30-х годов в противовоздушной обороне для определения местоположения самолетов использовались звуковые пеленгаторы, позволявшие с хорошей точностью определять направление прихода звука, излучаемого мотором самолета, и оптические дальномеры. Такая система - ее называли “прожзвук”- могла использоваться только при безоблачном небе, но и тогда ее эффективность была ничтожна, так как пилот, попав в луч прожектора, мог резко изменить курс и сделать результат расчета прибора, управляющего зенитным огнем, непригодным. При увеличившихся скоростях самолетов и высоте их полета направление прихода звука и направление на самолет стали так сильно различаться, что система “прожзвук” оказалась вообще недееспособной. Необходимость создания, принципиально новых средств для обнаружения самолетов стала очевидной. За организацию соответствующих работ взялись Главное артиллерийское управление (ГАУ) и Управление противовоздушной обороны (УПВО).
Представитель ГАУ М.М. Лобанов обратился непосредственно в Центральную лабораторию бывшего Треста заводов слабого тока, располагавшую сильной производственной базой. Был заключен договор (октябрь 1933 г.), и под руководством Ю.К. Коровина начались работы по созданию установки для наблюдения отраженных самолетом радиоволн дециметрового (50-60 см) диапазона. В январе 1934 г. состоялся первый испытательный полет. Самолет обнаруживался на расстояниях до 700 м при ничтожной (0,2 Вт) мощности излучения. Установка состояла из двух параболических зеркал диаметром 2 м: одно служило для излучения радиоволн, другое - для приема. Прием велся с помощью суперрегенеративного приемника [6] на слух. Эффект Доплера приводил к возникновению биений между прямым и отраженным от самолета излучениями, которые и прослушивались в телефоне.
Опыты Ю.К. Коровина убедили, что пеленгование самолетов с помощью радиоволн возможно и что работы в этом направлении надо развивать. С этой целью М.М. Лобанов обратился в Ленинградский электрофизический институт (ЛЭФИ), которым руководил А.А. Чернышев. Это был один из институтов “куста” физико-технических институтов, идейно возглавлявшегося А.Ф. Иоффе. 11 января 1934 г. был подписан соответствующий договор между ГАУ и ЛЭФИ. Под руководством Б.К. Шембеля весьма энергично стали вестись исследования по совершенствованию техники дециметрового диапазона, и уже к концу 1934 г. в ГАУ был отправлен эскизный проект радиопеленгатора, в котором для повышения дальности действия предлагалось использовать магнетронный генератор. Работы в этом направлении получили дальнейшее развитие в ЛЭФИ и ЦВИРЛ (Центральной военно-индустриальной лаборатории) и велись вплоть до начала Великой Отечественной войны.
В это же время представитель УПВО П.К. Ощепков обратился к президенту Академии наук СССР А.П. Карпинскому с просьбой о содействии в постановке работ по радиообнаружению самолетов. Президент направил его к А.Ф. Иоффе, живо откликавшемуся на всякую свежую мысль. 16 января 1934 г. Абрам Федорович созвал весьма компетентное совещание, которое высказалось в пользу целесообразности подобных исследований. А.А. Чернышев взялся организовать работы по применению радиоволн для обнаружения самолетов на дальних подходах в своем институте - ЛЭФИ. Руководство ими было также поручено Б.К. Шембелю.
Работы для УПВО были развернуты в ЛЭФИ очень быстро. Уже в начале июля 1934 г. были проведены первые успешные опыты с простейшей аппаратурой, работавшей на волне около 5 м [7]. Регистрация сигналов от самолетов, находящихся на расстоянии до 7 км, велась на самописце.
Несмотря на то что дальнейшие опыты, проведенные в марте 1935 г. с уже усовершенствованной аппаратурой, показали, что возможно значительное увеличение дальности обнаружения, работы в ЛЭФИ в этом направлении были заказчиком прекращены. К этому времени в УПВО был создан Опытный сектор с лабораториями в Москве и Ленинграде, а радиопромышленности были даны заказы на разработку мощного УКВ-генератора непрерывного действия и соответствующих приемных устройств для задуманной Ощепковым системы дальнего обнаружения (“Электровизор”),
В 1935 г. ЛЭФИ был расформирован. Его помещение, кадры и оборудование были переданы в распоряжение вновь организованного института (НИИ-9), которому поручили разработку новой важной оборонной тематики, включавшей и радиолокацию. Научным руководителем нового института был назначен создатель и руководитель знаменитой Нижегородской радиолаборатории (к тому времени уже прекратившей свое существование) М.А. Бонч-Бруевич.
М.А. Бонч-Бруевич, хорошо знавший работу радистов-"слухачей” времен первой мировой войны, считал, что наиболее перспективной является акустическая индикация принимаемых сигналов. Действительно, способность радистов “выуживать” нужные сигналы из невероятной какофонии звуков - смеси сигналов многих станций, образовывавшейся из-за недостаточной селективности приемников того времени,- поражала воображение. Поэтому в НИИ-9 было отдано решительное предпочтение технике непрерывного излучения. Работа была направлена на создание радиопеленгаторов взамен акустических пеленгаторов системы “прожзвук”. Особенно прельщало внешнее сходство этих систем, так что операторам даже не пришлось бы переучиваться.
При разработке систем непрерывного излучения возникло много трудностей, обусловленных близостью генератора зондирующих сигналов к приемнику, но руководство продолжало отдавать предпочтение этому методу, тем более что были достигнуты значительные успехи в создании передающих и приемных устройств дециметрового диапазона. И лишь когда в 1938 г. в Ленинградском физико-техническом институте (ЛФТИ) были проведены опыты, продемонстрировавшие высокую эффективность импульсной техники, последняя получила права гражданства и,в НИИ-9. Но “прожзвуковая идеология” полностью не была преодолена - на импульсный метод смотрели лишь как на средство, позволяющее заменить оптический дальномер радиодальномером (это обеспечивало возможность работы установки и в условиях облачности). Разработка дециметрового пеленгатора с непрерывным излучением так и продолжала играть главенствующую роль в работах института.
Образца станции с использованием непрерывного излучения, который мог бы быть принят на вооружение, создать так и не удалось [8]. А вот в применении импульсного метода были достигнуты значительные успехи. Группа сотрудников Украинского физико-технического института), возглавляемая А.А. Слуцкиным, создала в 1938 г. импульсную установку для зенитной артиллерии (она была названа “Зенит”), работавшую в диапазоне волн 60-65 см [9]. Правда, эта работа не была завершена, предпочтение было отдано разработке импульсных станций лучше освоенного 4-метрового диапазона.
ПЕРВЫЕ РАБОТЫ В ЛФТИ
Летом 1935 г. А.Ф. Иоффе по настоянию УПВО организовал в своем институте специальную лабораторию для работ по проблеме обнаружения самолетов. Руководство лабораторией было возложено на Д.А. Рожанского - одного из наших крупнейших физиков-радиотехников [10]. С самого начала лаборатория взяла курс на применение импульсной техники в системах обнаружения. Когда я получил приглашение работать в лаборатории и пришел к Абраму Федоровичу, то он так прямо и сказал, что главной задачей считает создание импульсной техники.
В то время в лаборатории уже работали два дипломника - Н.Я. Чернецов и П.А. Погорелко. Д.А. Рожанский был в отпуске, и руководство работой в лаборатории мне пришлось взять на себя. Н.Я. Чернецов занимался созданием широкополосного усилителя промежуточной частоты для приемника супергетеродинного типа [11], а П.А. Погорелко - созданием эталонного генератора для калибровки приемника. На меня легли вопросы разработки антенно-фидерных устройств, задача создания входного преобразователя, от которого зависела чувствительность приемника, и выходного устройства (впоследствии - электронно-осциллографического устройства). Надо было в короткий срок - к осени 1935 г.- изготовить аппаратуру, которая позволила бы в реальных условиях получить количественные характеристики отражения самолетом радиоволн.
Испытания планировалось провести под Москвой. Организовать их должен был П.К. Ощепков. В его лаборатории в Москве уже разрабатывался передатчик, работавший в режиме непрерывных, модулированных частотой 1 кГц колебаний, который предназначался для этих испытаний. Рабочая длина волны была уже установлена: 3-4 м. Зимой 1935 г. изготовленную аппаратуру привезли в Москву, где и состоялись первые крупные испытания, в ходе которых удалось получить много ценных исходных данных для дальнейшей работы.
Передатчик, созданный в лаборатории П.К. Ощепкова, находился в здании на Красноказарменной улице (сейчас оно принадлежит Московскому энергетическому институту), антенна была установлена на крыше. Мы привезли приемное устройство супергетеродинного типа, которое имело широкую полосу пропускания (так как это же приемное устройство предполагалось в дальнейшем использовать и для приема импульсов длительностью порядка 10 мс). Детектированные сигналы с выхода усилителя промежуточной частоты (УПЧ) приемника возбуждали настроенный на частоту модуляции передатчика контур высокой добротности, напряжение на котором выпрямлялось и направлялось в цепь чувствительного стрелочного прибора. В комплекте аппаратуры был также разработанный П.А. Погорелко излучатель стандартных сигналов, применявшийся для проверки и калибровки приемного устройства. Оба устройства питались от аккумуляторов и могли легко перевозиться с места на место.
Приемное устройство устанавливалось в различных пунктах в районе аэродрома близ Москвы. Самолет летал вокруг него по круговым траекториям разного радиуса и на различной высоте. Сигналы, отраженные от самолета, считывались со стрелочного прибора и записывались вручную. В процессе этой работы удалось получить обширные материалы, позволившие оценить перспективы техники обнаружения самолетов. В частности, на основе полученных Д.С. Стоговым результатов была обоснована так называемая линейная система обнаружения самолетов с помощью непрерывного излучения [12]. Излучающие и принимающие устройства в этой системе располагались вдоль линии, параллельной обороняемой границе. Ее пересечение самолетом могло надежно регистрироваться. Такая система была разработана и в сентябре 1939 г. принята на вооружение под названием “РУС-1”. Она эксплуатировалась в 1940 г. на Карельском перешейке во время советско-финляндской войны. При ее эксплуатации, однако, возникли трудности с определением принадлежности самолетов, и во время Великой Отечественной войны система “РУС-1” была перебазирована на менее ответственные участки границы, в Закавказье и на Дальний Восток. Ей на смену пришли импульсные станции “РУС-2” и “Редут”, обладавшие несравненно лучшими технико-тактическими характеристиками.
На полигоне Опытного сектора Управления противовоздушной обороны (апрель 1937 г.)
Слева направо: А.А. Малеев, Ю.Б. Кобзарев, П.А. Погорелко, Н.Я. Чернецов.ПЕРВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО МЕТОДА
Следующим этапом работ было проведение испытаний импульсного метода. В ленинградской лаборатории Опытного сектора УПВО, которую возглавлял бывший сотрудник ЛЭФИ В.В. Цимбалин, к 1937 г. были уже разработаны совершенно необычные генераторные лампы большой мощности (порядка 100 кВт в импульсе), работавшие в диапазоне волн от 3,5 до 4 м [13]. Оставалось решить задачу управления генерацией, чтобы обеспечить стабильность частоты повторения импульсов и воспроизводимость их формы.
ЛФТИ надлежало изготовить электронно-осциллографическое устройство, которое позволяло бы регистрировать как излучаемые, так и отраженные импульсы и определять запаздывание вторых относительно первых.
К концу 1936 г. все подготовительные работы в ЛФТИ были закончены. Незадолго до этого мы понесли тяжелую утрату - безвременно скончался Д.А. Рожанский, отдававший много внимания и сил лаборатории. Тем не менее мы не снизили темпов работ, руководство которыми были возложены на меня, и договорные обязательства удалось выполнить своевременно. Однако начало опытов задерживалось в связи с трудностями, встретившимися при разработке передатчика в лабораториях Опытного сектора УПВО. Наконец, в марте 1937 г. лаборатория ЛФТИ в полном составе (Н.Я. Чернецов и П.А. Погорелко, к тому времени уже защитившие свои дипломные работы, автор этой статьи и лаборант А.А. Малеев) выехала в Москву на полигон Опытного сектора.
Проверив свою аппаратуру, мы довольно долго ожидали, когда же заработает мощный передатчик, установленный в Москве. Дождаться его сигналов так и не удалось - задача управления мощным генератором импульсов В.В. Цимбалиным не была решена. Но стремление провести эксперимент было столь велико, что наш небольшой коллектив своими силами создал на полигоне экспериментальную установку радиообнаружения. Правда, передатчик, которым пришлось пользоваться, был маломощным (около 1 кВт в импульсе), и потому дальность действия установки оказалась небольшой. Тем не менее проведенные на ней первые в СССР наблюдения радиоимпульсов, отраженных от самолетов, оказали решающее влияние на весь ход дальнейших работ. Передающее устройство было построено на базе имевшегося на полигоне УКВ-генератора на типовых лампах Г-165, вовсе не предназначенных для генерирования импульсов, с антенной типа “волновой канал”. Был на полигоне и высоковольтный выпрямитель для питания анода ламп. Не хватало главного - управляющего импульсного модулятора.
При подготовке к испытаниям импульсного метода нами был перестроен излучатель стандартных сигналов. К нему добавили специальный контрольный осциллограф и модулятор, превращавший непрерывное излучение в импульсное. Вот этот импульсный модулятор и был взят в качестве задающего генератора модулирующего устройства передатчика. Наспех была сооружена “летучая” схема [14] усилителя его импульсов. Усиленные импульсы подавались на сетки ламп УКВ-генератора, который управлялся этими импульсами вполне устойчиво.
Генерация импульсов производилась с частотой повторения около 1 кГц - на эту частоту и было рассчитано приемно-осциллографическое устройство. Оно отличалось от применявшихся в опытах 1936 г. тем, что имело на выходе электронно-лучевую трубку, на отклоняющие пластины которой непосредственно подавалось напряжение с последнего колебательного контура УПЧ приемника.
Линия развертки осциллографа представляла собой свертывающуюся спираль. В горизонтальном направлении луч отклонялся напряжением, подаваемым на пластины со специального низкочастотного контура, а в вертикальном - магнитным полем катушек того же контура. Затухающие колебания этого контура возбуждались специальным устройством, которое срабатывало синхронно с излучением импульсов передатчика, но с некоторым опережением, чтобы на развертке были четко отмечены и начало зондирующего импульса, и начало импульса, отраженного самолетом. Зная частоту колебаний “развертывающего” контура, по угловому расстоянию между началом импульсов можно было с хорошей точностью определить время запаздывания отраженного импульса и, соответственно, расстояние до самолета.
Приемное устройство размещалось в небольшой железной кабине, на крыше которой была установлена антенна. Кабина могла вращаться вокруг вертикальной оси. Антенная система установки состояла, как и в опытах 1936 г., из двух полуволновых вибраторов, связанных коаксиальными фидерами с входным контуром приемника. Специальное устройство позволяло регулировать величину связи приемника с каждым вибратором. Взаимное расположение полуволновых вибраторов, направление на передатчик и направление маршрута самолета обеспечивало возможность взаимной компенсации во входном контуре приемника сигналов, приходящих к вибраторам от передатчика, и сложение сигналов, отраженных от самолета.
Первый запуск установки при совместной работе приемника и передатчика нас обескуражил. Из-за больших напряжений, возникавших на выходе приемника, линия развертки с момента излучения зондирующего сигнала на некоторое время исчезла. Иными словами, приемник, как мы и опасались, оказывался в течение долгого времени неработоспособным. Нам показалось, что мы зашли в тупик. Если отраженный сигнал будет приходить в течение "мертвого времени", мы его увидеть не сможем. Да и где уверенность, что, когда линия развертки будет видна, приемник уже успеет полностью восстановить свою чувствительность? Механизм всего процесса оставался неясным.
В чем тут дело, удалось понять лишь день спустя. Я возвращался из Москвы на полигон и со станции шел вдоль полотна железной дороги. Меня обогнал поезд. Он уже скрылся из виду, а мне все еще был слышен его гул. Звук от поезда отражался от деревьев, стоящих шпалерами вдоль полотна железной дороги. А не могло ли быть подобной реверберации, вызванной отражением радиоволн от окружающих установку деревьев, и в нашем опыте? Если это действительно так, то после окончания сигналов от местных предметов приемник будет полностью восстанавливать свою чувствительность. Не было, однако, уверенности, что отраженный сигнал при таком удалении самолета от установки еще будет иметь величину, достаточную для его обнаружения. Поэтому когда наступил день первого полета - 15 апреля 1937 г.- наше волнение было очень велико. Но нам сопутствовала удача. Отраженные сигналы уверенно наблюдались на свободных от “местных предметов” участках развертки. Она были зафиксированы на фотографиях в виде коротких разрывов линии развертки.
Расположение аппаратуры в опытах 1937 г.
Антенна излучателя на рисунке состоит из 6 полуволновых вибраторов (цветные линии),
антенна приемника - из двух, разнесенных на расстояние, равное длине волны излучения.Затем последовали опыты с самолетами, летавшими на различных высотах. Предельная зафиксированная на фотоснимках дальность составила 12 км, а визуально удалось наблюдать сигналы от самолета на расстоянии 17 км. Таким образом, днем рождения импульсной радиолокации в СССР можно считать 15 апреля 1937 г. Проведенные опыты имели решающее значение для дальнейшей работы. Поскольку все характеристики приемника и передатчика были известны, можно было оценить и отражательную способность самолета (эффективное сечение рассеяния, в соответствии с терминологией, принятой в физике), и дальность действия установки при переходе к генераторным лампам большой мощности и высоконаправленной антенне у приемника. Можно было уже не сомневаться, что дальность действия составит не менее 50 км.
Фото с экрана осциллографа в опытах 1937 г. По угловому расстоянию между началом зондирующего импульса и началом отраженного сигнала определялось расстояние до самолета в данном случае оно составляет 12,5 км). Высота полета задавалась и была равна 500 м.
Живя на полигоне Опытного сектора, сотрудники имели достаточно времени для бесед на различные темы. Одной из тем вечерних бесед был вопрос о возможности создания единой установки, у которой и приемная и передающая антенна были бы совмещены. Путь к этому, в сущности, уже был намечен примененным в опытах расположением антенн, при котором прямое излучение передатчика в приемник не попадало. Как достичь такого же эффекта при непосредственной близости антенн и при переходе к высоконаправленной приемной антенне - это пока было не вполне ясно. Тем не менее в возможности найти приемлемое решение мы не сомневались. Впоследствии единая установка лабораторией действительно была создана; правда, это было сделано несколько иначе, чем представлялось в 1937 г. По окончании работы на полигоне было принято решение - оказать Опытному сектору помощь в разработке модулятора мощного передатчика на лампах В.В. Цимбалина и к концу 1937 г. завершить разработку однопунктового радиолокационного устройства с дальностью обнаружения не менее 50 км. ЛФТИ заключил с УПВО соответствующий договор, однако вскоре обстоятельства изменились.
РЕШАЮЩИЕ ОПЫТЫ
Летом 1937 г. Опытный сектор был ликвидирован. Все его оборудование и все дела были переданы Научно-испытательному исследовательскому институту связи РККА (НИИИС РККА), подведомственному Управлению связи Наркомата обороны. ЛФТИ было предложено доводить работу до конца своими силами. Свалившаяся на лабораторию необходимость разработки мощного передатчика вызвала перегрузку коллектива и привела к задержке всей работы.
Хотя к концу 1937 г. разработка метода модуляции излучения мощного генератора в основном и была завершена, оставались еще некоторые неясности - в работе генератора наблюдались перебои. Кроме того, предстояло еще изготовить аппаратуру, которую можно было бы перевозить без повреждений. Наконец, нужно было решить задачу передачи высокочастотных импульсов большой мощности из закрытого помещения к наружной антенне при любой погоде. Окончательное решение все эти вопросы получили лишь к лету 1938 г. Аппаратура была изготовлена, перевезена в Москву и установлена в двух зданиях НИИИСа, разнесенных приблизительно на 1 км. Одно из зданий было расположено на холме и имело маленькую надстройку над верхним этажом - комнату 4X4 м с выходом на небольшую площадку на крыше. Другое здание находилось в низине, поросшей лесом. В надстройке первого здания было расположено приемное индикаторное устройство, связанное с антенной, находившейся на крыше. Во втором здании находилось передающее устройство с такой же антенной.
При разработке передатчика предстояло решить, сохранить ли большую частоту повторений (порядка 1 кГц), на которой проводилась работа в 1937 г., или удовольствоваться гораздо меньшей частотой - частотой силовой сети (50 Гц). Высокая частота повторений могла бы обеспечить более легкое обнаружение слабых сигналов: за время восприятия картины на осциллографе (порядка 0,05 с) шумы суммировались бы, и сигнал выглядел бы более четким. Но зато возникли бы большие трудности с устранением 50-герцовых наводок на приемно-осциллографи-ческое устройство. Из-за ограниченности отведенного нам времени было решено синхронизировать работу устройства с силовой сетью. Это позволило существенно упростить схему осциллографического устройства и достаточно легко решить проблему синхронизации приемника и передатчика. Напряжение, синхронизирующее развертку осциллографа, можно было получать от питаемого от сети фазовращателя, регулировка которого давала возможность вынести зондирующий импульс в начало развертки.
Фазовращатель был построен по оригинальной схеме, предложенной Е.Я.Евстафьевым. Угол поворота регулятора на шкале этого фазовращателя в точности равнялся углу смещения фазы выходного напряжения. Теперь развертка была не спиральной, а линейной. Для определения расстояния в процессе наблюдений на экран осциллографа накладывалась лента из прозрачного материала с нанесенной на ней шкалой расстояний в километрах. Другой способ состоял в том, что на отклоняющие пластины осциллографа подавалось небольшое напряжение известной частоты, дававшее масштаб расстояний на развертке. Для документирования результатов в корпусе устройства закреплялся фотоаппарат типа ФЭД, с помощью которого можно было делать снимки экрана осциллографа.
Фото с экрана осциллографа в опытах 1938 г. Линии развертки придана волнистая форма для упрощения измерения расстояния до самолета (в данном случае оно оставляет 30 км).
Как и в 1937 г., первый запуск установки вызвал у нас чувство тревоги. Большой участок развертки после зондирующего импульса был заполнен отражениями от местных предметов. Возник вопрос, а можно ли будет увидеть на этом фоне сигнал от самолета? Вскоре, однако, стало ясно, что мешающие сигналы можно ослабить, направив оси антенн несколько вверх, “оторвав” тем самым их диаграммы направленности от земли. После этого мы стали наблюдать сигналы, отраженные от случайно летавших вблизи самолетов. Установка была признана годной для проведения испытаний, в ходе которых подтвердились все наши расчеты: были фотографически зарегистрированы отражения радиоимпульсов от самолетов, удаленных на 55 км от установки. Проблема дальнего обнаружения самолетов в принципе была решена. Полученные результаты доказали, что можно переходить к опытно-конструкторским работам по созданию станций.
Получив сообщение об исходе испытаний, А.Ф. Иоффе всемерно форсировал решение нелегкого вопроса о привлечении к работе радиопромышленности. Путь от нашей стационарной установки лабораторного типа к промышленному образцу (да еще передвижному, как того требовал НИИИС) был нелегок. Радиозавод взять на себя эту задачу не отказался, но установленные ими стоимость образца и срок его изготовления были неприемлемы. Поэтому НИИИС решил изготовить сначала передвижной макет своими силами, использовав имеющуюся аппаратуру ЛФТИ, но поиски исполнителя работы по созданию образца тем не менее продолжить. Наконец, усилиями сотрудника НИИИСа А.И. Шестакова исполнитель (НИИ радиопромышленности) был найден, и в апреле 1939 г. было принято постановление Комитета Обороны при СНК о разработке, при участии сотрудников ЛФТИ, двух образцов станций радиообнаружения самолетов. Работу возглавил один из ведущих сотрудников НИИ А.Б. Слепушкин. Передатчиком занялся Л.В. Леонов, осциллографическим индикатором - С.П. Рабинович, приемником - В.В. Тихомиров.
В начале 1940 г. были изготовлены два образца станции, состоявшей из двух разнесенных на 300 м синхронно вращавшихся кабин, в одной из которых было установлено передающее устройство, в другой - приемное. 26 июля 1940 г. станция была принята на вооружение под названием “РУС-2”. Теперь можно было считать, что импульсная радиолокация твердо стоит на ногах. Еще раньше, до того как были изготовлены эти два образца, в НИИИСе под руководством А.И. Шестакова был создан аналогичный двухантенный макет (его назвали “Редут”), в котором использовались блоки установки ЛФТИ. Это был передвижной макет: два автофургона с аппаратурой внутри и антеннами на крыше, что давало возможность провести всесторонние испытания установки, в частности определить зависимость дальности ее действия от высоты полета самолета. Такие испытания были проведены осенью 1939 г. в Крыму, в районе Севастополя, при моем участии. В ходе испытаний была продемонстрирована возможность обнаружения самолетов на расстоянии до 150 км, и выяснилось, что именно можно требовать от промышленных образцов.
Вскоре после окончания севастопольских испытаний началась война с Финляндией. Макет “Редута” по инициативе А.Ф. Иоффе был установлен на Карельском перешейке, и всю войну на нем (под руководством А.И. Шестакова) шла боевая работа. Так импульсная радиолокация получила первое боевое крещение и заслужила авторитет в Ленинградском корпусе ПВО.
После первых двух образцов были изготовлены еще 10 таких же станций. Работать на них было крайне тяжело из-за непрерывного вращения кабин, и потому работы по совершенствованию станции продолжались в быстром темпе. В частности, в НИИ был разработан высокочастотный токосъемник - устройство, позволяющее вращать антенну при том, что аппаратура, находящаяся в кабине, оставалась неподвижной. Была также усовершенствована схема модуляции.
Во время советско-финляндской войны по инициативе А.Ф. Иоффе было принято решение построить под Ленинградом большую стационарную установку повышенной дальности действия для нужд противовоздушной обороны. Строительство этой установки осуществлялось исключительно быстрыми темпами при всестороннем содействии Ленинградского обкома ВКП(б). Руководил работой Н.Я. Чернецов. Установка, построенная на высоком берегу озера близ п. Токсово, состояла из двух 20-метровых вышек, разнесенных на 100 м. На вышках находились кабины с антеннами на крышах. В одной кабине размещался генератор, в другой - приемно-осциллографическое устройство. Антенны были связаны стальным тросом и могли синфазно вращаться в пределах сектора 270°. Около вышки с генератором находился домик с помещением для модулятора с контрольным осциллографом и комнатами для отдыха персонала.
Как ни быстро шло строительство, война с Финляндией закончилась раньше. Построенная станция была использована ЛФТИ для дальнейших исследований. На ней, в частности, велись опыты по созданию системы опознавания своих самолетов. На основании полученных оценок эффективного сечения рассеяния радиоволн самолетом казалось, что, разместив на самолете полуволновый вибратор, можно, разрывая и соединяя его посередине в заранее условленном порядке, вызвать изменение величины отраженного сигнала в том же порядке. Опыты, проведенные для осуществления идеи такого “пассивного устройства опознавания”, оказались неудачными, и в дальнейшем в ЛФТИ был разработан “активный ответчик” - устройство, генерирующее и излучающее импульс в ответ на пришедший к самолету зондирующий сигнал. Это устройство прошло успешные испытания в последние предвоенные дни в реальных условиях под Москвой. Они положили начало работам в этом направлении, проводившимся затем в нескольких лабораториях во время войны. Проблема опознавания своих самолетов и сегодня остается одной из важнейших проблем радиолокации.
Другой работой, проведенной на станции, было испытание в реальных условиях предложенного П.А. Погорелко способа объединения передающей и принимающей антенн. Прием велся одновременно и на антенну передатчика (для этого приемник был установлен на крыше кабины с передатчиком, непосредственно под антенной) и на “штатную” приемную антенну на другой вышке. Испытания, проведенные в июле 1940 г., показали, что сигнал от самолета появлялся и исчезал на экранах обоих приемных устройств одновременно, что доказывало возможность создания радиолокационных станций с одной антенной, имеющих ту же дальность действия, что и двухантенные станции.
Одной из проблем, над которой работали в ЛФТИ перед войной, было существенное увеличение дальности обнаружения самолетов путем применения более длительных и долго накапливаемых импульсов. Работы в этом направлении предполагалось проводить на установке в п. Токсово. Война привела к их прекращению: установка была включена по сигналу тревоги. Непрерывное круглосуточное дежурство на ней вначале велось силами лаборатории (ее состав к этому времени в связи с расширением тематики пополнился), но вскоре на установку направили воинское подразделение, которому после обучения и была передана дальнейшая ее эксплуатация, а лабораторию эвакуировали в Казань. Токсовская установка проработала всю войну. Благодаря ее высоким антеннам, на ней можно было обнаруживать самолеты на дальних подходах (до 200 км) и низколетящие цели. Это было использовано для обнаружения и уничтожения вражеских аэродромов на Карельском перешейке.
Незадолго до начала Великой Отечественной войны вышло правительственное постановление о присуждении Государственных премий СССР за выдающиеся научные работы и изобретения. Среди награжденных был и коллектив лаборатории ЛФТИ в составе П.А. Погорелко, Н.Я. Чернецова и автора этих строк. Достойно сожаления, что в коллектив не был включен инициатор работ П.К. Ощепков, организовавший и лаборатории в системе УПВО, и специальный полигон под Москвой. Его усилиями было обеспечено и проведение испытаний первой импульсной радиолокационной установки на этом полигоне.
Во время войны фронт работ в области радиолокации сильно расширился. В НИИ началось усовершенствование станций “РУС-2” и создание новых радиолокационных установок. Крупным достижением института стала разработка станции, которую можно было транспортировать в упаковках. Эта портативная станция, названная “Пегматит”, легко упаковывалась в ящики и перевозилась на одной машине в указанное место. Ее можно было разместить в деревенской хате, а мачту антенны прикрепить к дереву. Станция “Пегматит” получила широкое распространение как станция предупреждения и наведения истребительной авиации. За работы в области радиолокации коллективу сотрудников НИИ радиопромышленности во главе с А.Б. Слепушкиным была присуждена Государственная премия СССР 1943 г.
В годы войны производство станций типа “РУС-2” и “РУС-2с” велось в больших масштабах - в войска было передано свыше 600 таких установок [15]. В дальнейшем проводились работы по их совершенствованию и расширению производства.
Заслуживает быть отмеченной и другая работа НИИ военных лет - создание самолетной установки, обеспечивающей возможность наведения истребителей в ночное время - “Гнейс-2”. Были созданы также станции обнаружения самолетов для кораблей Военно-Морского флота, нашедшие широкое применение.
Работы, о которых рассказано выше,- лишь искра, которая зажгла огромный костер. Для расширения фронта работ по радиолокации при Государственном комитете обороны был создан Совет по радиолокации, организованы научно-исследовательские институты и заводы, созданы специальные кафедры в высших учебных заведениях. * * *
Радиолокация сегодня - это обширная область техники, которая впитывает в себя все достижения современной электроники. С помощью радиолокации мы имеем возможность заглянуть в глубь Земли и космоса. Облучая длительное время далекую планету сигналами, посылаемыми со стометровых зеркал-антенн, и анализируя отраженные сигналы, можно получить ценнейшую информацию об особенностях строения поверхности планеты. Разместив радиолокатор на космическом аппарате, можно изучать структуру поверхности планет, в том числе и Земли. Без радиолокаторов немыслима работа современных аэродромов, с их помощью осуществляется навигация морских судов и космических кораблей.
Современная техника радиолокации поражает воображение. Диапазон длин волн, в котором работают радиолокационные установки, чрезвычайно широк - от десятков метров до миллиметров. Антенны аэродромных радиолокаторов и радиолокаторов ПВО представляют собой огромные сложные сооружения, насчитывающие до нескольких тысяч элементарных излучателей. Они управляются по специальной программе, позволяющей производить обзор пространства без вращения всей антенны, определять точное положение и характеристики обнаруживаемых объектов. Иногда в шутку говорят, что с помощью современной техники радиолокации об обнаруженном самолете можно узнать все, кроме фамилии летчика.
Зондирование производится радиосигналами со сложной внутренней структурой. Изменилась и техника приема отраженных сигналов. После предварительного усиления они записываются в цифровой форме, и вся сложная процедура их анализа производится средствами ЭВМ.
Если на наземных радиолокационных станциях можно использовать антенны больших размеров, то для самолетов и космических кораблей нужны установки с небольшими антеннами. С помощью разработанного в последние годы так называемого метода синтезированной аппертуры удалось создать устройства, которые, анализируя совместно сигналы, полученные на значительном участке пути, обеспечивают такую же высокую разрешающую способность установки, как если бы антенна была больших размеров.
Не вызывает сомнения, что бурное развитие радиоэлектроники, которое происходит в наши дни, приведет к дальнейшему прогрессу в области радиолокации.
Примечания
1 Водопьянов Ф. А. Радиолокация. М., 1946, с. 13.
3 Appleton Е. V., Barnett М. А. - Ргос. Roy. Soc, 1925, v. 109, p. 621.
4 TrevorВ., Carter P. - Proc. IRE, 1933, v. 21, № 3, р. 387.
5 Breit G., Tuve M. - Phys. Rev., 1926, v. 28, p. 554.
6. В суперрегенеративном приемнике колебательный контур, связанный с антенной, периодически с ультразвуковой частотой переводился в режим автоколебаний. Однако такой режим существовал лишь в течение очень короткого промежутка времени - такого, что автоколебания не могли установиться. Инициированные флуктуациями в контуре, они возникали и гасли, вызывая в телефоне характерный шум. Но когда появлялся сигнал, этот шум превращался в большие регулярные колебания, хорошо воспроизводящие сигнал. Впоследствии выяснилось, что по чувствительности и по устойчивости работы суперрегенеративный приемник сильно уступает супергетеродинному, окончательно закрепившемуся в радиотехнике.
7 Подробнее см.: Шембель Б. К. У истоков радиолокации в СССР М., 1977.
9 Лобанов М. М. Начало советской радиолокации. М., 1975, с. 90.
10 Подробнее о Д. А. Рожанском см.: Кобзарев Ю. Б., Полякова Н. Л. Д. А. Рожанский и становление радиофизики.- Природа, 1983, № 3, с. 72.
11 При супергетеродинном приеме на приходящий сигнал накладываются колебания вспомогательного генератора (“местного гетеродина”), частота которого немного отличается от частоты сигнала. При детектировании получившегося суммарного колебанияобразуются колебания разностной (промежуточной) частоты, несущие практически всю информацию, содержащуюся в сигнале. Происходит как бы перенос сигнала без искажения на более низкую несущую частоту. Колебания промежуточной частоты усиливаютсяв специальном усилителе УПЧ (усилителе промежуточной частоты), обеспечивающем высокую избирательность, т.е. отсутствие помех от других сигналов на близких частотах. Изменяя частоту местного гетеродина, можно настроить приемник на нужный сигнал. Преобразователь частоты - входной смеситель - ответственная часть устройства, от которого зависит чувствительность приемника.
12 Стогов Д. С. - Радиотехника, 1974, т. 29, № 11, с. 9.
13 Особенности ламп для генерации мощных коротких импульсов были обусловлены необходимостью получения большого тока эмиссии катода и применения высокого анодного напряжения. Практически вся мощность, потребляемая такой лампой,- это мощность накала катода. Средняя мощность генерируемых высокочастотных колебаний по сравнению с ней ничтожна. Высокое анодное напряжение при сильном разогреве баллона лампы требовало применения надлежащей конструкции выводов анода и катода, что увеличивало габариты лампы. Лампы Цимбалина потребляли на накал катода около 1 кВт и по размерам были более 30 см.
14 Так на лабораторном жаргоне назывались схемы из незакрепленных деталей, соединенных проводами без спайки.
15 См.: Лобанов М.М. Цит. соч., с. 255.
