Text
                    й
i/\j<
ОЛОДЕЖИ
О ВООРУЖЕННЫХ
СИЛАХ
ИХ РАЗУМОВСКИЙ
ОПТИКА
В ВОЕННОМ
ДЕЛЕ
МОСКВА
ИЗДАТЕЛЬСТВО ДОСААФ СССР
1988


ББК 68.9 Р17 Рецензент — С. М. Латыев, кандидат технических наук Разумовский И. Т. Р17 Оптика в военном деле.—М.: ДОСААФ, 1988.—205 с: ил.— (Молодежи — о Вооруженных Силах). 45 к. В книге, написанной по материалам открытой советской и зарубежной печати, в популярной форме рассказывается о физической природе оптической техники. Показаны области применения оптических средств в военном деле, приводятся особенности военных оптических приборов, применяемых для наблюдения, разведки, прицеливания, измерения и управления, имеются сведения по волоконно-оптической и лазерной технике. Предназначена для широкого круга читателей, особенно для молодежи, готовящейся к службе в армии. 1303000000—030 « 00 1—88 ББК 68.9 072(02)—88 355.9 ISBN 5-7030-0043-2 © Издательство ДОСААФ СССР, 1988
• ВВЕДЕНИЕ Наша жизнь обязана свету. Все живое, что окружает нас, зарождается и развивается под действием света и тепла Солнца. Человек научился пользоваться светом, поставил его на службу себе. Учением о свете занимается наука оптика, а средствами ее применения служат оптические приборы. Оптика. Оптические приборы. Не в новинку эти понятия. Оптика с давних пор помогает людям познавать окружающий мир. Она вплелась в нашу жизнь, широко проникла и в наш быт... Тем не менее об оптике, ее практических свойствах у людей складываются подчас поверхностные представления. Очки, бинокли, фотокинотехника, микроскопы и телескопы — вот примерный круг достижений оптической техники в воззрении современного человека. Иногда познания бывают и обширнее, но зачастую абстрактными. Многие уже не раз слышали, к примеру, о лазерной технике, голографии. Но их связь с оптикой не всем понятна. Хочется поэтому надеяться, что любознательным эта книга расширит представления о современной оптике. Оптика — наилучшее средство овладения информацией. Без нее невозможна современная наука, техника, производство. Пожалуй, нельзя назвать ни одной отрасли народного хозяйства, где бы не встречались оптические приемы контроля и исследования, оптическая техника. Это — металлургия и приборостроение, машиностроение и медицина, сельское хозяйство и космонавтика. Наконец, военная область. В мире созданы тысячи разновидностей оптических устройств. Только народное предприятие «Карл Цейсе Йена» в ГДР наладило экспортный выпуск оптических изделий около 750 наименований. Гамма же существующих оптических средств настолько обширна, что даже среди специалистов вряд ли найдется эру- з
дит, способный указать всю номенклатуру оптического производства. Задачи, решаемые оптикой, столь разнообразны, что подготовка специалистов по оптическому приборостроению происходит по нескольким направлениям. Одному человеку сейчас немыслимо глубоко познать все тайны оптики. Вот и эта книга охватывает только тематику военной оптики. Военные оптические приборы — это глаза вооруженных сил. Как человек, лишенный глаз, не в состоянии полноценно познавать мир, так и современная армия не способна воевать без оптики. Оптика открывает пути к эффективному применению боевых средств. Сообщают, что в связи с разработкой за рубежом лазерного оружия оптика начинает показывать свою разрушительную мощь. Нынешнего развития оптика достигла не сразу, на это ушли столетия... Зарождение оптики связано со стремлением человека исследовать тайны процесса зрения. Эта проблема волновала еще в древности греческих философов (VI в. до н. э.). Знание свойств вогнутых зеркал было знакомо уже во времена Евклида. Об этом гласит легенда, приписывающая Архимеду сожжение римского флота с помощью вогнутых зеркал. Легенду пытались проверить в XVII в.: Кирхер получил повышение температуры предмета на расстоянии около 100 футов, а Бюффону (XVIII в.) даже удалось поджечь доску, намазанную дегтем, с помощью 168 зеркал на удалении 300 футов. А недавно греческий инженер Сакас создал устройство подобное тому, которым, по преданию, пользовался Архимед. Установка из 60 неболь- ТйюГ~зеркал позволила зажечь модель римской триеры на дистанции 40 м. Поэтому считается, что легенда об Архимеде отражает реальные события. Средние века вошли в историю как сложнейшая эпоха, наполненная открытиями и драматическими событиями. Наука не поощрялась, наоборот, преследовалась инквизицией. Люди подвергались тяжким испытаниям, горели на кострах за свои убеждения, если они противоречили догмам религии. Тем не менее уже XIII в. привел к созданию очков, люди обрели первый оптический инструмент, зародили 4
оптическое производство. К сожалению, имена изобретателей очковой оптики остались неизвестными. В XVII в. Галилей изготовил первый телескоп, а с именем Ле- венгука связано создание микроскопа. Новой оптической технике суждено было сыграть важную роль в развитии науки. Правды ради надо отметить высокое совершенство микроскопов Левенгука, которые вызывают восхищение и сейчас. Эпоха расцвета науки о свете приходится на рубеж XVIII... XIX вв. Благодаря созданию волновой теории света, открытию тепловых лучей, развитию электромагнитной теории света наступил перелом в воззрениях на его природу. В действительности эти открытия подготавливались многими учеными на протяжении столетий. В XIX...XX вв. новые идеи и гипотезы (в том числе и в области оптики) совершили революцию в представлениях человека о мире. XX в. отмечен рождением квантовой теории света. Однако настал час расцвета радиоэлектроники. Теперь многие задачи, выполняемые оптическими приборами, оказалось сподручней выполнять с помощью средств радиоэлектроники. Она потеснила оптику. Возможно, именно по этой причине оптика на некоторое время оказалась в тени, но это не означало, что интерес к оптике угас. В канун первой мировой войны были сделаны первые шаги по созданию фундамента оптико-электронных устройств, а в последние 20...25 лет получили воплощение не только старые идеи, но и зародились принципиально новые направления. Это лазерная техника и голография, волоконная и фотохромная оптика, оптоэлектроника и иконика, оптическая адаптивная техника. Преимущественное развитие приобрели оптико-электронные приборы инфракрасного диапазона спектра. Можно смело говорить, что оптика обрела в наши дни второе рождение. Столь грандиозные успехи обязаны достижениям физики твердого тела, квантовой электроники, физической оптики, технологии оптического производства, вычислительной и микропроцессорной техники. Эволюционный процесс характерен и для военной оптики. В далеком прошлом, когда, например, артиллерия была гладкоствольной, с небольшой дальностью 5
стрельбы и большим рассеиванием снарядов, не возникало потребности в точных прицельных устройствах. Оружие наводили «на глазок». С появлением нарезного ствола (60-е гг. XIX в.) дальность стрельбы и точность заметно возросли. Назрела необходимость в усовершенствовании прицельной техники. Появились механические, а позже и оптические измерительные приборы. Сейчас разрабатывают совершеннейшие образцы оптической техники, наделенные высокими точностными характеристиками. На современных зарубежных танках, например «Леопард-2», нарезные орудия заменены гладкоствольными пушками. Но такие огневые средства потребовали создания новейшей системы управления огнем, сочетающей лазерный дальномер и электронно-вычислительный блок, обеспечивающие высокую точность на ходу. Достижения в оптике позволяли более эффективно использовать имеющееся оружие, а также создавать новые его виды. История богата такими убедительными примерами. 1903 г.— создается орудийная панорама, блестяще решившая проблему точной стрельбы по невидимым целям. Успех панорамы настолько очевиден, что она до сих пор незаменима и исправно несет службу в артиллерийских прицелах. 70-е гг. XX в.— начало промышленного производства лазерной техники. Ее внедрение только в практику дальнометрии произвело техническую революцию. Время измерения дальности во много раз сократилось, а точность измерения повысилась. Достижениями лазерной техники за рубежом воспользовались военные. Сообщается, что почти во всех армиях стран НАТО появились подобные дальномеры. За рубежом возникли и новые виды управляемого оружия с использованием лазерной техники. Сообщается также об отработке лазерного оружия. Зарубежная литература свидетельствует, что прогресс в оптике на Западе приобрел явно милитаристскую окраску. Умы ученых отвлекаются на создание новейших образцов военной техники. Зарубежные специалисты отмечают, что они насыщены оптическими, механическими и фотоэлектрическими узлами, сопряжены с различными счетно-решающими устройствами на базе микроэлектроники. Такие комплексы автоматизируют измерения, управляют оружием. 6
Нужно подчеркнуть, что термин «военная оптика» чисто условен. Он говорит об оптических приборах, используемых в армии. Часто такие приборы принципиально не отличаются от «гражданской» техники. Однако военные приборы сложнее конструктивно, ведь им приходится работать в особых условиях: подвергаться вибрации и ударам, воспринимать перепады давления и температуры, испытывать на себе воздействие радиации. На современном этапе ряд военных задач может решаться с помощью как оптических, так и радиоэлектронных средств. Закономерен вопрос, какие же системы предпочтительнее? Однако правильный ответ может быть только компромиссным: нужны те и другие. Оптика и радиоэлектроника не размежевали полностью сферы своего влияния. Да и вряд ли это целесообразно. Пользуясь неоспоримыми преимуществами оптики и радиоэлектроники, не следует забывать и об их принципиальных недостатках. Так, оптика бессильна в плохую погоду и туман, когда для радиоэлектроники нет помех, но своим действием радиоэлектроника выдает себя противнику. Чтобы компенсировать взаимные слабости, создать применимую в различных условиях эксплуатации военную аппаратуру, зарубежные специалисты стремятся к комплексному использованию достижений оптики и радиоэлектроники. При этом в одних системах оптические приборы выполняют главную роль, отодвигая на задний план радиоэлектронную аппаратуру. В других же ситуация меняется: оптические приборы дублируют или резервируют работу радиоэлектронных средств. Оптика и радиоэлектроника не конкурируют между собой. Они лишь дополняют друг друга. Книга позволит молодежи получить элементарные сведения о военной оптике, уровне ее развития, технике применения. Однако цель книги представляется более широкой, нежели передать определенную сумму знаний. Примеры сложнейших оптических инструментов, физические основы приборостроения, почерпнутые из книги, повысят кругозор читателя, выработают навыки технической культуры. А это так необходимо сейчас, когда во всех сферах нашей жизни применяются новейшие достижения науки и техники. 7
• _ 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОЕННОЙ ОПТИКИ ЗАДАЧИ ВОЕННОЙ ОПТИКИ В качестве огневых средств в современных армиях используется главным образом артиллерийское и ракетное оружие. Чтобы это оружие было использовано эффективно и могло поразить цель, требуется определенным образом навести его в пространстве. Точность наведения должна быть крайне высокой, так как после выстрела ошибки наведения поддаются исправлению только в ракетах и в определенных пределах. Наводка огневых средств обеспечивается инструментальными средствами. Для этого оружию придаются прицельные устройства или приборы управления стрельбой. При стрельбе прямой наводкой по видимой цели предварительная подготовка оружия не вызывает технических трудностей. Много сложнее и ответственнее стрельба с закрытых позиций по удаленным невидимым целям. Такой вид стрельбы наиболее типичен для современного боя. Подготовка огневых средств в этом случае делается заблаговременно и сводится к определению положения целей относительно боевых позиций, к выработке углов наводки. Боевой опыт убеждает, что наводка значительно ускоряется, если заранее, еще на стадии подготовки огневых позиций, сформировано искусственное или естественное единое ориентирное направление. Ориен- тирное направление служит своеобразной опорной линией в пространстве, относительно которой отсчиты- ваются углы наводки оружия в горизонтальной плоскости. Обычно такое направление задается азимутом. 8
На местности оно маркируется специальными знаками (вехами) или его направление задается узким лучом света. Для этого ставят специальный оптический прибор — коллиматор, из которого «вытягивается» параллельный пучок света, словно натянутая в пространстве нить. Итак, чтобы уничтожить цели, военным приходится выполнять ряд обеспечивающих операций. К ним относят разведку района сосредоточения противника и поиск целей, определение координат выбранных целей, а также топографическую подготовку, в результате которой рассчитываются координаты собственных огневых позиций. На этапе предварительной подготовки должно быть сформировано ориентирное направление, определены баллистические и метеорологические условия стрельбы, рассчитаны данные для ввода в прицельные устройства оружия. Ну а во время боя военным необходимо следить за окружающей обстановкой, поддерживать, связь между постами управления и огневыми позициями. Обеспечение приведенных операций, 'за малым исключением, может быть возложено на оптическую технику. Оптика открывает пути к эффективному использованию оружия. В этом и состоят основные задачи военной оптики. Познакомимся подробнее, на примерах, с некоторыми военными проблемами, выполнить которые можно с помощью современных оптических средств. Опыт военной истории убедительно и наглядно продемонстрировал, что пренебрежение разведкой погубило не одну боевую операцию, не одну военную кампанию. Вспомним хотя бы весьма курьезный случай, имевший место в 1943 г. Американцы 106 раз безуспешно подвергали сокрушительным ударам остров Кыска, захваченный японцами, а затем под мощным огневым прикрытием они бросили морской десант на берег. Каково же было их удивление, когда обнаружилось, что японцев на острове давно уже нет, они заблаговременно его покинули. Такой итог — результат пренебрежения разведкой, данные которой должны быть не только достоверными, но и своевременными. Чтобы знать, куда и когда стрелять, необходима тщательная разведка, а помогает в этом оптика. 9
Действительно, оптические приборы позволяют нам видеть не только днем, но и ночью, на расстоянии прямого видения и за тысячи километров. Они ведут разведку как с наземных стационарных постов, так и с летательных аппаратов, таких, как самолеты, ракеты, спутники. Быстрота развертывания средств наблюдения, скрытность, огромный объем собираемой информации — вот отличительные признаки оптической разведки. Определение координат целей, расположенных в поле зрения наблюдателя,— тривиальная задача, и с ней прекрасно справляются изумительные по точности дальномерные и угломерные оптические приборы. Достаточно отметить, что современными оптическими средствами дальность можно оценить с погрешностью до долей миллиметра, а углы—до долей угловых секунд. Совсем иначе обстоит дело, когда цели укрыты от непосредственного взора, удалены из сферы прямой видимости. Трудно подступиться к таким целям, поэтому еще сложнее определить их координаты. Правда, на основании данных разведки координаты невидимых целей иногда удается рассчитать по картам местности, но для многих боевых задач такой прием не пригоден. Слишком он груб и не отличается высокими результатами. Но и в данной ситуации на помощь пришла оптика. Она предложила совершеннейший, хотя и несколько трудоемкий, стереофотограмметрический метод вычисления координат наземных объектов. Известен этот метод десятки лет. Фотограмметрия, или измерительная фотография, изучает геометрические свойства фотографического изображения и способы измерений по снимку. Стерео- фотограмметрия основана на построении объемной модели местности по двум аэроснимкам, образующим стереопару. Аэрофотоснимки исходной местности получают с двух разнесенных точек пространства. Проявленная стереопара просматривается и по ней восстанавливается объемная модель местности. Координаты точек местности можно высчитать по объемной модели, достаточно воспользоваться услугами оптического измерительного прибора, называемого компаратором. Конечной целью обработки стереопар аэроснимков яв- ю
ляется составление топографических карт. По ним-то и находится плановое или высотное положение целей, причем с высокой степенью точности. Фотокарты дают истинное размещение огневых точек противника, искусственных или естественных препятствий. Теоретически рассчитано, что при неуправляемом полете на 10 000 км ошибка азимутального ориентирования ракеты только в одну угловую минуту вызывает отклонение от цели до двух километров. Нетрудно промахнуться, если допустить небрежность при прицеливании ракеты. «Бороться» с ошибками наведения помогают совершенные оптические приборы, такие, как теодолиты, автоколлимационные угломеры. Наделенные высокой точностью, они позволяют направить ракету строго по выбранному направлению. По свидетельству зарубежной печати, при расчете траекторий ракет пристальное внимание обращается на знание точных координат и взаимного расположения различных объектов земной поверхности, а также взаимного расположения существующих геодезических сетей. Отмечают, что эта проблема связана с необходимостью расчета траекторий межконтинентальных ракет. Есть ли принципиальные возможности, чтобы оценить дальность до таких объектов, которые находятся за горными хребтами, за бескрайними океанами? Тут не только рулеткой, не дотянешься и лучом радиодальномера! На необъятных просторах Земли не всегда может помочь и стереофотограмметрический прием вычисления координат целей и расстояний между ними. Разве мыслимо запечатлеть огромные территории с самолета! Оказывается, подобная задача давно знакома геодезистам, и они успешно с ней справляются. Для этого национальная территория делится на большие квадраты и треугольники — полигоны, которые составляют геодезическую сеть. Координаты вершин опорных точек полигонов заранее известны. Они найдены с высокой точностью путем астрономических измерений. Зная узловые координаты полигонов, с помощью измерений угломерными оптическими приборами и дальномерами вычисляют координаты любого объекта в пределах геодезической сети. 11
При расчете траекторий ракет необходимо переходить к координатам объектов, которые расположены в иных геодезических сетях. Для этого перехода требуется знать точную форму Земли и ее размеры. Реальная же форма земной поверхности сложна и не подлежит строгому математическому описанию и поэтому представляется лишь упрощенно, с допущениями. По имеющимся сведениям идеальная привязка геодезических сетей может быть решена также приемами оптики. Что для этого предлагается зарубежными специалистами? Например, на орбиту Земли запускается спутник, который фотографируют на фоне звезд из увязываемых пунктов, принадлежащих разным геодезическим сетям. После обработки фотоснимков математическим путем определяют ориентацию геодезических сетей, а также расстояния между пунктами фотографирования. Используя такой геодезический спутник и выполняя наблюдения по описанной методике, ошибку в увязке существующих геодезических сетей можно свести, по американской оценке, до 60...300 м. Иностранная пресса сообщает, что сейчас существует международная геодезическая система измерительных станций с использованием искусственных спутников Земли (ИСЗ), оборудованных лазерными отражателями. На октябрь 1979 г. существовало 16 лазерных станций, которые расположены на территории США, Австрии, Бразилии, Перу, Франции, Испании, ФРГ и Голландии. Эти станции ежесекундно посылают на спутники короткие импульсы сфокусированного лазерного излучения. По времени прихода отраженного сигнала определяется расстояние до спутника. Спутниковая система позволяет определять расстояния с точностью до нескольких сантиметров. Если такие измерения выполнять с нескольких станций, то можно определить относительные расстояния м^жду станциями. Исходные данные, вырабатываемые в процессе подготовки стрельбы с помощью вычислительных средств, вводятся в прицельные устройства (приборы управления стрельбой). Современные прицельные устройства, определенным образом сопряженные 12
с оружием,— это синтез оптики, точной механики, электроники, автоматики и вычислительной техники. И во всех этих сложнейших устройствах, разнообразных по принципиальным и техническим решениям, главная роль принадлежит оптике. Насколько точно сработает прицел, будет зависеть от того, как сработала оптика. Казалось бы, организация связи в войсках — монополия радиотехники. Многие годы не оспаривались ее заслуги. Но вот в последнее время все явственнее проявляются успехи оптики в области средств связи. Уже имеются публикации о разработке лазерных приемопередающих систем для передачи человеческой речи. Хотя подобная аппаратура работоспособна лишь в пределах прямой видимости, дальность связи обеспечивается, как сообщается, на расстоянии 10 км. Система оптической связи обладает высокой направленностью, и она исключительно надежна, ибо ей не страшны всевозможные радиопомехи. Считают, что лазерные приборы связи — дело перспективное и оптика здесь еще не сказала своего последнего слова. Неисчерпаемые возможности для военной техники открыли волоконно-оптические линии связи! Их высокая помехозащищенность, малый вес, пожаробезопасность по достоинству оценены в авиационно-космической технике, в системах управления ракетами, т. е. там, где должна быть гарантирована высокая надежность линий связи. Охрана военных объектов, баз, портов, грозной военной техники является повседневной воинской обязанностью. Служба по охране объектов требует отвлечения большого количества личного состава. В организации технической охраны оптика может оказать весомую услугу. Разработаны и дейстзуют на охранных объектах различные оптические блокировки, телевизионные и инфракрасные «заборы», которые реагируют только на движущиеся предметы, устойчивы к ложным срабатываниям от резких изменений температуры. Сообщается, что одна из иностранных систем сигнализирует о появлении нарушителя на дистанции 300 м. Этот список примеров иллюстрирует ту важную роль, которую играет оптика в военном деле. 13
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОЕННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРАХ Оптика в вооруженных силах находит широкое применение. Она используется в различных родах войск. Успешному действию полевой артиллерии помогают наблюдательные и угломерные оптические устройства, оптические прицелы, разнообразные дальномеры. Со многими из приборов читатель наверняка встречался или они ему знакомы из книг, кинофильмов. Артиллерийский комплект оптических средств универсален, и он рассчитан на работу не только днем, но и в ночных условиях. Весьма успешно применяется оптика и в борьбе с воздушным противником. Она вооружила зенитную артиллерию сложными приборами прицеливания, современной техникой поиска и целеуказания. Отмечают, что благодаря оптике удалось одни зенитные снаряды создать управляемыми, другие начинить неконтактными оптическими взрывателями. Если в управляемых снарядах точное наведение на цель достигается оптическим лучом, то неконтактные взрыватели подрывают снаряд на подступах к летящей цели, отчего увеличивается зона поражения и компенсируются ошибки наведения. Боеспособность бронетанковой техники тоже во многом обязана оптике. Вождение днем и особенно в ночных условиях танков, бронемашин, артиллерийских, зенитных и противотанковых установок просто невыполнимо без смотровых оптических средств. Нельзя без оптики и как следует прицелиться. Для этого применяют дневные и ночные визиры и прицелы, дальномеры. Сообщают, что на новейших образцах бронированной техники для стрельбы ночью устанавливают даже тепловизионные прицелы, например на танках «Леопард-2» (ФРГ), а на ряде французских танков применяют телевизионную технику. Значение оптики для танковых войск демонстрирует такой пример. По оценке французских экспертов, затраты на оптическое оборудование современного танка порой обходятся в половину его стоимости. Деньги это не малые, если учесть, что расходы на танк типа «Леопард» составляют 1 млн долларов. 14
Современный военный корабль представляет грозную боевую единицу, способную поражать цели в воздухе и на суше, на воде и под водой. Для эффективного ведения боя корабли снабжены всем спектром приборной техники: акустическими, радиоэлектронными, оптическими средствами. Среди оптических приборов на кораблях можно встретить дальномеры, визиры, стереотрубы и бинокли. В иностранной прессе иногда заходит речь и об установке теплопеленгаторов, тепловизоров, лазерных локаторов. В современном морском бою, когда могут быть созданы искусственные помехи, наличие радиосредств в какой-то степени обесценивается. Больше того, применение электронного оборудования чревато опасностью. Возникающие при этом электромагнитные поля демаскируют корабль, и противник способен упредить удар, послав снаряд на источник радиоизлучения. Оптика же неуязвима для таких помех. В этом ее принципиальное достоинство. В дальних походах для потребностей навигации корабли нуждаются в штурманской оптической технике. Морякам в этом помогают секстаны и астрокомпасы. Специфика эксплуатации корабельной техники отразилась и на проектировании оптических средств. Непрерывное воздействие качки ухудшает изображение, заставляет стабилизировать оптическую технику. Современные атомные подводные лодки, ведущие бой из-под воды, неделями не всплывающие на поверхность океана, казалось бы, явно не нуждаются в оптической технике. Ну что можно увидеть в подводном мраке? Но такой вывод преждевременен. Зарубежная печать, широко рекламируя атомные подводные корабли, признает, что они не в состоянии обойтись без оптического наблюдательного и измерительного оборудования. Им необходимы не только перископы, но и телевизионная подводная аппаратура, и астронавигационные оптические системы. Эти приборы следят за обстановкой на море, в воздухе, под водой, помогают подводникам точно выйти в океане на заданную позицию. Зарубежная печать отмечает, что при стрельбе с подводных лодок ракетами типа «Посейдон» их вероятное рассеивание составляет круг радиусом 0,8 км. Что- 15
бы эффективно применять указанное оружие, ошибки вычисления координат места старта должны быть соизмеримы с вероятным отклонением ракет. Для этого погрешность определения и хранения ориентирного направления не должна превышать 3...5 угловых минут. Американские ракеты подводного старта «Трайдент» с дальностью действия 7400 км имеют меньшее расчетное круговое вероятное отклонение — 457 м, поэтому требуется и более высокая точность их наведения. Как же ориентируется подводный корабль? Какая роль при этом доверена оптике? Например, известно, что прокладку курса на американских подводных ракетоносцах обеспечивает сложнейший навигационный комплекс. Его основой является инерциальная система, которая определяет координаты корабля в подводном положении, его истинный курс. А для инерциальной системы характерна накапливающаяся ошибка измерения курса корабля. Приходится периодически подправлять показания инерциальной системы, для этого и нужны оптические астронавигационные средства коррекции весьма высокой точности. В состав астронавигационного оборудования зарубежных подводных лодок входят различные оптические приборы. На американской атомной подводной лодке их имеется несколько видов. Это, например, астронавигационная визуальная система типа «Споет», телевизионно-оптический секстан /CS-100, телевизионная аппаратура типа AN/BXQ-1. Указывают, что для тех же задач разрабатывается инфракрасная астронавигационная система. Разнообразные военные задачи выполняет оптика и в авиации. Большие скорости целей, произвольность траекторий их полета создают определенные трудности наведения огневых средств. Это заставило зарубежных специалистов создавать сложные оптические приборы для прицеливания, обработки и отображения оптической информации непосредственно на лобовом стекле. Среди оптических приборов в зарубежной авиации известны разнообразные прицелы, штурманские секстаны и астрокомпасы, телевизионные и тепло- визионные станции переднего обзора, стабилизирован- 16
ные лазерные целеуказатели, управляемые по лазерному лучу снаряды. Огромный парк оптической техники задействован и воздушной разведкой, особенно в США. С целью наблюдения с самолетов, беспилотных летательных аппаратов используются десятки разнообразных фотографических средств, применяются телевизионные и лазерные приборы разведки, тепловизоры. В помощь химической разведке, обнаруживающей боевые отравляющие вещества, выброшенные в атмосферу, самолеты могут оборудоваться специальными оптическими приборами — лидарами, газоанализаторами, спектральными устройствами. Делая заборы проб воздуха или просто направив лазерный луч лидара в атмосферу, можно оценить химический состав вредных примесей в атмосфере. По фотоснимкам, получаемым при воздушной съемке, удается разглядеть мельчайшие подробности на подстилающей поверхности. С помощью зарубежных фотосистем, например, с высоты 10 км можно разглядеть шляпки гвоздей на крышах домов. С высоты вдвое большей могут быть видны следы на снегу. Как информирует зарубежная печать, с помощью тепловизионной станции типа AN/AAR-31, чувствительной в ИК диапазоне спектра, с самолета прослеживается даже тепловой «след» подводной лодки, плывущей в океанских пучинах. При движении подводного корабля массы воды перемешиваются, закручиваются и выходят на поверхность океана с температурой, несколько отличной от основного фона. На поверхности океана возникает тепловой шлейф, тянущийся за подводной лодкой. Хотя разница температур поверхности океана и теплового следа составляет порой 0,005° С, специалисты утверждают, что она «прописывается» на выходе системы регистрации. Потребность в оптике, по свидетельству иностранных специалистов, возникла и у ракетной техники. Возможно, некоторых удивит подобное заявление. Читателю, возможно, известно, что ракету, например, наводит радиолуч. И это справедливо. Но радиоуправление действенно не всегда, оно эффективно в зоне прямой видимости. Когда же цель скрыта, локатор бессилен помочь ракете в полете. Да и противник не 17
сидит сложа руки, старается заглушить действие радиоприборов, создавая в эфире искусственные помехи. Чтобы попасть в цель в таких условиях, приходится за помощью обращаться к оптике. Известно, что для прицеливания баллистической ракеты надо определить координаты места старта ракеты и азимут ориентирного направления, сформировать это ориентирное направление и относительно него и вертикали выставить ракету. В иностранной военной практике для выполнения отмеченных действий по прицеливанию ракет используются различные оптико- механические и фотоэлектрические устройства. Чтобы точно пройти намеченные трассы, не сбиться с курса, ракеты на активном участке полета оптическим «глазом» астроориентирующей системы могут цепко держаться за звезды. А для наведения на конечном участке полета ряд типов зарубежных ракет снабжается всевозможными оптико-электронными устройствами, которые позволяют направлять ракеты непосредственно на нужную цель. В качестве оптических средств ракетной техники за рубежом нашли применение теодолиты, автоколлимационные угломеры, астроориентаторы, лазерные целе- указатели, оптические визиры, тепловизионные прицелы, головки самонаведения. В связи с созданием в последние годы в США крылатых ракет печать сообщает о применении оптики для их наведения. В сообщениях подчеркивается, что координаты крылатых ракет типа «Томагавк» определяются системой управления под названием «Тер- ком». Данные вырабатываются путем сравнения профиля текущего рельефа при пролете над определенными районами с цифровой картой местности, введенной в память бортовой вычислительной машины. Карты же различных маршрутов полета изготавливаются по данным фотосъемки с искусственных спутников Земли. Без оптики и здесь не обошлось. По сообщению американской печати, вероятное отклонение ракеты от цели при подобном наведении составляет 0,2 км. Считается, что и эта погрешность может быть снижена и доведена до нескольких метров, если на конечном участке полета крылатой ракеты применить такое оптическое устройство, в котором 18
изображение окружающего пространства будет накладываться на черно-белый негатив района цели, полученный заранее путем фотографирования. При расхождении двух изображений вырабатываются команды управления, которые наводят ракету в цель. В США проводится широкомасштабная программа милитаризации околоземного пространства. Как сообщает газета «Вашингтон пост», ссылаясь на публикации конгресса, Пентагон в период с 1957 по 1982 г. произвел запуск 455 спутников военного назначения. И эти спутники не только обслуживали связь военных объектов или применялись для навигации. Указывается, что только за время с 1971 по 1976 г. было запущено 13 спутников фоторазведки типа «Биг Бёрд». Эти спутники-шпионы способны обнаруживать из космоса места расположения стартовых позиций ракет, засекать их запуски, обнаруживать военные базы, дислокацию воинских частей и военной техники. В качестве средств космической разведки в США применяют фотографические камеры высокого разрешения, телевизионную технику, сканирующие инфракрасные устройства, пеленгующие запуски ракет. Так, с помощью современных теплопеленгаторов имеется реальная возможность обнаружения ракет на начальном участке полета по излучению их факелов. Дальность обнаружения ракеты, как сообщают, может достигать 1600 км. Для устойчивой ориентации спутников разработаны остроумные оптические приборы: построители местной вертикали, солнечные и звездные датчики, бортовые визиры. Аппаратура спутников питается электроэнергией батарей, которые могут заряжаться от солнечного света. Преобразование света осуществляют специальные полупроводниковые элементы. Фирма «Локхид», например, для военных спутников создает солнечную батарею мощностью 10...50 кВт на основе преобразователя из арсенида галлия. Безгранично поле деятельности оптики, разительны масштабы оказываемых ею услуг. Однако не стоит и преувеличивать ее возможности. В ряде случаев радиоэлектронная техника может оказаться предпочтительнее оптической. Но там, где приходится сталкиваться с точнейшими измерениями, там, где перерабатывают- 19
ся огромные массивы информации, оптика незаменима. По аналогичным причинам ожидается проникновение оптики в вычислительную технику. Волоконно- оптические элементы совместно с оптронами помогут создать высокую помехозащищенность цепей вычислительной техники, а голографические устройства записи изображения, быть может, создадут необъятные элементы памяти. Вот почему, заглядывая в будущее, ученые полагают, что в перспективе вычислительные машины, возможно, перестанут называться электронными и приобретут оптическое имя. Точность, колоссальный объем перерабатываемой информации — отличительная черта оптики. КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЕННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ Пробиться сквозь лабиринт оптической терминологии, разобраться в обилии оптических средств обычно помогает классификация приборов. Представим ее в сжатом виде. При классификации оптических приборов акцент поставим на таких признаках, как назначение приборов, их принадлежность к виду боевой техники. Но нельзя опустить и физические особенности, положенные в основу работы аппаратуры. Этим трем признакам и уделим внимание. По назначению оптические приборы подразделяются на устройства наблюдения и разведки, измерительные системы, приборы управления, приборы обмена информацией, средства противодействия. К устройствам наблюдения и разведки отнесем смотровые приборы, бинокли, перископы, приборы ночного видения, приборы фоторегистрации, а также известные по зарубежным сведениям телевизионные и тепловизионные устройства, лазерные приборы разведки. Разнообразную группу приборов представляют измерительные оптические устройства. Это, например, буссоли и стереотрубы, панорамные визиры и теодолиты, секстаны, дальномеры, теплопеленгато- ры, радиометры, лидары. Обширна группа оптических приборов управления. Главным образом она представлена различно
ными оптико-механическими прицельными устройствами, автоколлимационными угломерами. К ней относятся и известные, по сообщениям западной печати, такие типы приборов, как инфракрасные, телевизионные, лазерные прицелы и прицельные станции, оптические головки самонаведения, неконтактные оптические взрыватели, оптические гироскопы, астро- ориентаторы. Светосигнальные устройства, приборы для обработки стереофотоснимков, технические средства отображения оптической информации, оптические тренажеры, оптические линии связи относят специалисты к приборам обмена информацией. В качестве примеров средств противодействия оптической технике укажем на осветительные и дымовые устройства, маскировочные материалы и краски, устройства защиты оптических приборов и органов зрения от ярких вспышек света. По принадлежности к виду боевой техники известны артиллерийские, танковые, морские, авиационные и другие оптические приборы. В каждой группе оптические приборы довольно разнообразны как по своему назначению, так и по исполнению. По физическим признакам, положенным в основу работы, приборы оптической техники разделяют на оптико-механические и оптико-электронные устройства. В оптико-механических приборах световая энергия без промежуточного преобразования поступает в зрительную систему человека и создает в его мозгу зрительный образ. Световое сообщение в оптико-электронных приборах используется иначе. Сначала она преобразуется с помощью фотоэлектронных преобразователей в электрический сигнал, а затем в удобном виде выдается в исполнительное устройство или отображается на экране оптического индикатора. Потребителем оптической информации при этом может стать как сам человек, так и автоматическое исполнительное устройство. Поэтому специалисты-оптики различают визуальные и автоматические оптико-электронные устройства. Принципиальной особенностью визуальных опти- 21
ческих систем является сохранение в них активной, творческой роли наблюдателя. Дело в том, что ряд функций при любой возможной степени их автоматизации лучше выполняется человеком. Однако участие в них оператора накладывает субъективный оттенок на получаемые результаты. Автоматические оптико-электронные устройства — это такие приборы, в которых весь цикл обработки информации и ее потребление происходят без участия человека, автоматически. Субъективные погрешности в таких приборах отсутствуют, но за это приходится расплачиваться высокой стоимостью изделия, сложностью конструкции. Несомненно, приведенная классификация оптических приборов условна, но она облегчает познание прикладной оптики. 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ ЗРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА Органы зрения наблюдателя и оптический прибор работают совместно. Это значит, что свойства и характеристики зрительной и оптической систем должны определенным образом согласовываться между собой. При создании оптической аппаратуры исходят из того, что замечательная способность познавать окружающий мир в большей степени принадлежит органам зрения — сложнейшей оптической и физиологической системе человека. Именно зрением человек связан с природой. Свыше 80% информации получает он через органы зрения. Поэтому оптический инструмент подстраивается под зрительную систему, подчиняется ей. Зрительная система человека достигла высочайшего совершенства в смысле передачи, хранения и анализа оптической информации. Физик Роуз так пишет о зрении: «Можно допустить, например, что в дальнейшем эволюционное развитие приведет к увеличению объема мозга, усложнению нервной системы или к различным усовершенствованиям существующих функций. Однако невозможно представить, что чувстви- 22
тельность зрительного процесса заметно возрастет... Законы квантовой физики устанавливают жесткий предел, к которому наша зрительная система приблизилась почти вплотную». Опыты показывают, что глаз является квантовым приемником света. Это значит, что при определенных условиях он способен реагировать на каждый фотон света, поглощенный сетчаткой. Иначе говоря, глаз возбуждается от мельчайшей порции световой энергии, созданной природой. Такую энергию образует на сетчатке глаза стеари+ювая свеча, удаленная на 200 км. Природа удачно подошла к выбору не только световой чувствительности, но и других параметров и характеристик зрительной системы. Это и время экспозиции глаза (0,1 с), которое соответствует реакции человека, это и область спектральной чувствительности, и размер зрачка, и фокусное расстояние глаза, и количество элементов сетчатки. Наконец,— даже количество глаз и их расположение. Однако не все тайны физиологии зрительного процесса познаны человеком. Например, для передачи светового возбуждения в мозг энергия нервного импульса должна быть в миллионы раз больше энергии поглощенного кванта. Но природа этого усиления остается загадкой. Познавая природу зрения, человек пытается ее применить для создания совершенных оптических приборов. Глаз — удивительный приемник электромагнитной энергии. Он реагирует на свет в диапазоне длин волн от 0,38 до 0,76 мкм. При значительных энергиях спектральная чувствительность глаза доходит до 0,9 мкм. Чувствительность глаза по спектру, правда, не остается постоянной (рис. 2.1). Ее максимальное значение попадает на длину волны света, на которой Солнце отдает больше всего своей энергии. Значит, и здесь природа «распорядилась» удачно. Светочувствительными элементами сетчатки глаза являются ее рецепторы, имеющие вид колбочек и палочек. Колбочки, расположенные в центральной зоне сетчатки, работают только при средних и больших уровнях освещенности и передают цветовые ощущения. Палочки, наоборот, не различают цвета, но обладают сверхтонкой чувствительностью и потому реагируют в сумеречное время. 23
Рис. 2.1. Спектральная чувствительность человеческого глаза (в относительных единицах) Глаз человека может воспринимать большой перепад яркостей (от 3X10~* до 3X104 кд/м2), чему способствует световая адаптация органов зрения. Механизмы адаптации сложны и разнообразны. Это и наличие палочек и колбочек, это и расширение зрачка глаза от 2 до 8 мм при падении освещенности, это и изменение концентрации светочувствительного вещества и экранирующего пигмента в слоях сетчатки, защищающих рецепторы от избыточного светового воздействия. Несмотря на значительный динамический диапазон воспринимаемых оптических сигналов, при больших световых воздействиях наступает болевой порог, и зрение может быть испорчено, поэтому во многих оптических системах предусматривается защита зрительного аппарата от световых перегрузок. Разрешающая способность глаза определяется в основном размерами колбочек и палочек. Она не остается одинаковой как для различных длин волн света, так и уровней освещения. Максимальная величина разрешения глаза соответствует желто-зеленому свету при освещенности, наблюдаемой в дневное время. По этой причине при точных измерениях в оптических приборах устанавливают светофильтры, выделяющие желто-зеленый участок спектра. Угловое разрешение глаза при этом оказывается самым высоким, не менее одной угловой минуты. В ночное время в глазу происходят сложные явления. Колбочки «выключаются», а на слабый свет 24 I Г 0,2 \ щ \з ^ 1 т> / V « # I 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 Длина болны Л, пни
начинают реагировать палочки. Наблюдатель видит много хуже, чем днем, не различает цвета. За возможность видеть в темноте зрение человека расплачивается снижением разрешающей способности. Уже в сумерках разрешение снижается до 10', а темной ночью падает до 1000' Установлено, что на длинах волн свыше 0,65 мкм палочки к свету не восприимчивы. Такое свойство зрения учитывается, например, в авиации при ночных полетах. Чтобы приборная доска самолета не ослепляла летчика, ее освещают только красным светом. Мешающее действие красного света оказывается минимальным по сравнению с другими цветами. Замечено, что восприятие цвета предмета искажается с увеличением дистанции наблюдения. При восприятии объекта под малым углом (10 20') происходит «стягивание» цветов: теплых — к красному, холодных — к голубому. Более того, на предельных дальностях желтые и голубые цвета кажутся белыми, тогда как синие и красные воспринимаются черными. Именно это физиологическое свойство зрения — неспособность воспринимать цвет малоразмерных объектов позволило совместить передачу цветного и черно-белого изображения по существовавшим прежде телевизионным каналам, то есть в прежних границах частотного спектра. Расстояние между центрами зрачков глаз называют глазным базисом. Величина глазного базиса не одинакова у разных людей. Обычно она укладывается в пределы от 56 до 74 мм. Объемному, или, как еще говорят, стереоскопическому, видению пространства человек обязан зрению двумя глазами. При этом в сознании человека два различных изображения одного объекта сливаются в единое пространственное представление. Из физиологической оптики известно, что два предмета А и Б (рис. 2.2) различаются по глубине наблюдателем, если разность углов ya — 7б, называемая бинокулярным параллаксом, оказывается более 10" Это означает, что объемное видение у человека не безгранично. Оно простирается на глубину /?, которая не превышает 1350 м. Эта величина называется радиусом стереоскопического восприятия. На дистанциях свыше радиуса стерео- 25
Т в Т Рис. 2.2. Схема бинокулярного зрения скопического восприятия объекты сливаются по глубине и представляются человеку лежащими в одной вертикальной плоскости. Оказывается, применяя специальную оптическую аппаратуру, можно значительно, в десятки, сотни раз, раздвинуть горизонты объемного восприятия мира. ИЗ ТЕОРИИ ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ История оптики начиналась с поиска средств, улучшающих человеческое зрение. Теперь нам хорошо знакомы микроскопы и телескопы, позволившие человеку раздвинуть горизонты восприятия мира. Чем ближе находится предмет к наблюдателю, тем четче он воспринимается. Однако этому есть свой естественный предел: приближать предмет к глазу целесообразно лишь на расстояние 20...25 см. Разместив его ближе, мы все равно не заметим деталей предмета. Но вот если между предметом и глазом определенным образом поместить микроскоп, изображение предмета может быть во много раз увеличенным. Теперь нетрудно увидеть ранее ускользавшие от взора подробности предмета. В чем же секрет микроскопа? Для этого надо вспомнить особенности нашего зрения. Чем ближе предмет, тем больше угол зрения, под которым он виден. Оказывается, что от величины угла зрения и зависит то, насколько ясно, с какими подробностями наш глаз воспринимает окружающий мир. Выходит, чтобы лучше видеть, необходимо каким-то образом увеличить угол зрения на предмет. Такую задачу и берут на себя оптические приборы: создают иллюзию увеличения изучаемого предмета. Простейшим из микроскопов является увеличитель- 26
-X: Fa r-^sS^-^T-^. 7 \ ^ ^» -^— 1 ^1 fJL *A Рис. 2.З. Ход лучей в лупе: / _ объект; 2 — увеличенное изображение ная линза, называемая лупой. Как же с помощью лупы достигается желаемый эффект? Оказывается, в линзах используется известное свойство световых лучей — их преломление при переходе из одной среды в другую. Различают линзы собирательные и линзы, рассеивающие свет. Собирательные линзы — линзы двояковыпуклые, плосковыпуклые и вогнуто-выпуклые. Это стекла более толстые по середине, чем по краям. У рассеивающих линз, наоборот, края толще, чем середина. Если параллельный пучок света направить на собирательную линзу, то все лучи преломятся и соберутся в одной точке — фокусе линзы. Именно на этом свойстве основана всем известная способность увеличительных стекол зажигать солнечными лучами горючие материалы. Это и понятно, свет в точке концентрируется, от него предмет сильно разогревается и может воспламениться. Следует заметить, что если вместо стекла для линзы воспользоваться даже льдом, то и в этом случае эффект будет подобным. Чтобы предмет оказался увеличенным при рассмотрении через лупу, его надо разместить между лупой и ее фокусом (рис. 2.3). Наблюдая в лупу, человеку кажется, что лучи, идущие от лупы в глаз, продолжаются за ней, не преломляясь. Благодаря этому угол зрения, под которым мы видим предмет, становится большим, и изображение нам кажется увеличенным по сравнению с действительными размерами. 27
// /J ^' U is t Рис. 2.5. Оптическая схема зрительной трубы: /—объектив; 2 — коллектив; 3, 4 — оборачивающая система; 5 — сетка; 6 — окуляр; .7 — выходной зрачок трубы создают вторую телескопическую систему. Между ее линзами получается прямое изображение цели, в плоскости которого установлена оптическая сетка 5. Сетка — это плоскопараллельная прозрачная стеклянная пластинка, на ней начерчены специальные штриховые знаки или шкалы. Когда наблюдатель смотрит через оптический прибор, он видит не только увеличенное изображение цели, но и сетку со знаками. Знаки сетки воспринимаются в одной плоскости с целью. Сетка расширяет возможности оптического прибора. Она служит для измерения углов между объектами, позволяет использовать зрительную трубу в роли оптического визира. Направление визирования в такой телескопической трубе задается двумя точками: центром (узловой точкой) объектива и перекрестием сетки. Для образования параллельного хода лучей на выходе трубы передний фокус окуляра (по ходу оптического луча) совмещается с сеткой. Выходной зрачок прибора 7 — это место за окуляром, где концентрируется вся световая энергия, прошедшая через оптику прибора. В это место и помещается глаз наблюдателя. Зрачок выхода можно увидеть, если смотреть в окуляр с расстояния 15 20 см: в центре окуляра появится светящееся круглое пятно. Его диаметр служит мерой светосилы прибора. Больше размер зрачка — больше светосила трубы. Со светотехнической точки зрения наилучшие условия наблюдения возникают при равенстве размеров выходного зрачка прибора и зрачка глаза наблюдателя. Только тогда на сетчатку глаза передается вся световая энергия, вышедшая из прибора. Согласование зрачков крайне необходимо в ночных 30
условиях видения. В сумерки и ночью зрачки глаз человека расширены до 5 8 мм, поэтому выходные зрачки приборов, рассчитанных на действие в темное время суток, предусматриваются таких же размеров. Выходной зрачок в оптических приборах несколько отнесен от последней поверхности окуляра. Делается это с той целью, чтобы он совмещался с глазом даже при надетом противогазе. Удаление выходного зрачка /, отсчитываемое от окуляра, составляет не менее 20 мм. Иногда вынос зрачка делается большим (до 50 80 мм), если оптический прибор подвержен качке или смещению вдоль оптической оси за счет отдачи при выстреле из оружия. Военных специалистов обычно интересуют тактические параметры телескопической трубы. К ним принадлежат поле зрения, видимое увеличение и разрешающая способность прибора. Полем зрения называют ту часть пространства, изображение которого видно в зрительную трубу. Оно определяется максимальными углами, под которыми свет входит в прибор. На рис. 2.5 показана половина угла поля зрения о>. Видимое увеличение Г определяет, во сколько раз тангенс угла о/, под которым глаз видит изображение в приборе, отличается от тангенса угла со, под которым цель рассматривается невооруженным глазом, т. е. r = _tgo/ tgO) Видимое увеличение зависит от фокусных расстояний оптических элементов схемы: hh Анализ первой формулы показывает, что увеличение прибора и его поле зрения связаны между собой обратной зависимостью: больше увеличение — меньше поле зрения, и наоборот. В этом просто убедиться, если посмотреть в трубу со стороны объектива. Поле зрения резко возрастает, но разрешение ухудшается. Разрешающая способность зрительной трубы оценивается тем минимальным углом, под которым две ближайшие точки цели различимы между собой. Этот 31
Рис. 2.6. Перископическая зрительная труба: / — головная призма; 2 — объектив; 3 — окулярная призма; 4 — сетка; 5 — окуляр угол зависит от дифракции света в приборе, оптических аберраций и качества сборки. Разрешающей способностью по полю зрения обычно оценивается качество изображения. Размерность разрешающей способности — число линий/мм. Итак, основное назначение телескопической системы — расширить возможности человеческого зрения: поднять разрешающую способность глаза, улучшить условия наблюдения при малой освещенности. Первое условие достигается тем, что зрительные трубы могут увеличивать в десятки раз. Второе условие связано с первым. Установлено, что субъективная яркость восприятия точечных объектов при наблюдении их через зрительную трубу увеличивается пропорционально квадрату увеличения системы, т. е. пропорционально Г2 Протяженные объекты при этом не воспринимаются более яркими. Поэтому если в поле зрения находится малая цель, например самолет на фоне неба, то при наблюдении его в трубу он будет казаться ярче, нежели при рассматривании его невооруженным глазом. Именно этим свойством оптики пользуются астрономы, создавая телескопы с большими увеличениями. Им удается обнаружить такие звезды, которые неразличимы глазом даже в самую темную ночь. Нередко для сокращения продольных размеров зрительных труб, удобства компоновки в военной технике предпочитают устройства, собранные по перископической схеме (рис. 2.6). Для этого оптическая ось прибора ломается зеркалами или призмами. Расстояние Н между объективной и окулярной осями называют пе- рископичностью. Перископическая система имеет меньшие габариты, выглядит более компактной. Оборачивает изображение в ней специальная призма 3. Посмотрите еще раз на оптические схемы зрительных труб. Некоторые их компоненты (например, объек- 32
тив) выполнены составными из нескольких стекол, а окуляр выглядит еще сложнее, нежели объектив. С чем это связано? Подобное усложнение делается с той целью, чтобы добиться высокого качества изображения. Конечно, можно собрать оптический прибор и из одиночных линз, принцип действия от этого не нарушится. Однако изображение окажется неприемлемым для восприятия, настолько оно будет плохим, особенно на краях поля зрения. В этом нетрудно убедиться каждому, если под рукой найдется короткофокусная линза. Посмотрите через нее на печатный текст. Буквы на краях поля «расползутся». Они выглядят искривленными, размытыми, приобретают радужную окраску. И все это возникает из-за оптических искажений, именуемых аберрациями. Причин аберраций довольно много. В телескопических приборах приходится устранять хроматическую и сферическую аберрации. Если хроматизм создает окрашивание изображения, то сферическая аберрация не позволяет достичь предельно малого изображения точечного объекта. Для улучшения качества изображения аберрации снижают, изготавливая ответственные оптические элементы комбинированными. Их набирают и склеивают из собирающих и рассеивающих линз, выполненных из разных сортов и марок оптических материалов, а также имеющих различную кривизну поверхностей. Особенно заметны аберрации, когда световые лучи падают на оптические элементы под большими углами. Именно в таких условиях работают окуляры, и их приходится значительно усложнять, чтобы исправить аберрации. Расчет аберраций, проектирование высококачественной оптики — дело трудоемкое, сложное, но й творческое. Хорошо, когда оптическая система, например объектива, состоит из двух-четырех линз, но бывают необходимы и более сложные оптические устройства с перестраиваемыми характеристиками. В них приходится вводить более двух десятков линз. Годами рассчитывались такие системы! Лишь в последнее время наметился качественный сдвиг в сфере расчета и проектирования оптики. Некоторые виды расчетов удалось 2 Зак. 66 33
«поручить» машинам, и от трудоемких вычислений человека стала избавлять электронная вычислительная техника. ЭВМ не только во много раз ускорили процесс вычислений при расчетах оптических схем, они стали сами проектировать простейшие конструкции для оптики и выдавать чертежи деталей для их производства. Дело это новое и чрезвычайно перспективное, позволяет облегчить труд конструктора оптических приборов, но пока остается множество нерешенных проблем, связанных с формализацией процесса проектирования. Поскольку мы затронули процессы расчета и проектирования оптических устройств, то было бы несправедливым умолчать о технологии оптического производства, которая завершает процесс их изготовления. Производство оптики весьма специфично. Постепенно из глыб стекла и порой бесформенных отливок металла получаются изумительные по качеству и точности изделия. Достаточно указать, что допуски на отклонения размеров и форм оптических деталей ограничены угловыми секундами, долями микрометров. Такие величины не поддаются воображению. Точности настолько высоки, что при производстве ряда изделий нельзя не только «дыхнуть», вредно само присутствие человека. С одной стороны, оптикам приходится иметь дело с мельчайшими оптическими деталями величиной со злаковое зернышко, а с другой — ими обрабатываются заготовки стекла порой в десятки кубометров для астрономических приборов. Долгие годы пределом технологии и верхом технического искусства считалось пятиметровое зеркало американского телескопа. Советские ученые на отечественной оптической базе создали телескоп, зеркало которого достигает шести метров в поперечнике. Это воистину уникальное оптическое творение получено в союзе с точной механикой, электроникой, автоматикой и вычислительной техникой. Оно свидетельствует о высоком классе и возможностях отечественной оптической промышленности. Наряду с традиционными способами обработки стекла, которые известны с давних пор: распиловка, обдирка, шлифовка и полировка, внедряются различные физические и химические приемы обработки опти- 34
ческих материалов. Многие замечали слегка голубоватый, а иногда зеленоватый оттенок оптических стекол в приборах. Такой цвет — результат покрытия стекол особой просветляющей пленкой. Она наносится испарением или химическим путем и служит для снижения потерь света, повышения качества изображения. Именно пленочная технология позволяет создавать новые оптические детали с неведомыми ранее свойствами. Например, в военной оптике широко распространены токопроводящие пленки для обогрева защитных окон, поляризационные и интерференционные покрытия, свето- и цветоделительные материалы, расширяющие оптические свойства приборов. Таковы азы оптики. Остается напомнить, что за внешней простотой излагаемых в книге идей скрываются грандиозные технические достижения, которые годами вынашивались специалистами, стоят огромные проблемы, которые и по сегодняшний день остаются до конца нерешенными. 3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ Оптико-электронные приборы (ОЭП) представляют собой разновидность оптических приборов. В отличие от оптико-механических устройств ОЭП реагируют на излучение всего диапазона оптического спектра. Они чувствительны к лучам ультрафиолетового (0,1 0,38 мкм), видимого (0,38 0,76 мкм) и инфракрасного (0,76 1000 мкм) участков спектра. Однако для практического применения не все области спектра оказываются равноценными. Так, в земных условиях ультрафиолетовое излучение не проходит сквозь атмосферу, оно почти полностью поглощается ею. Широкие перспективы развития оптико-электронной техники вырисовываются в связи с освоением инфракрасного (ИК) диапазона спектра. Из физики известно, что все тела, если их температура отлична от абсолютного нуля, испускают электромагнитное излучение. Основная его доля приходится на ИК спектр излучения. Инфракрасные лучи лучше, чем видимые, 2* 35
Источник излучения ПдЦтввг 11 Цель \-М(атмосфера) Электрическая чарть Ыоптическш\Априемник\\ блок МЙЫЦ!!1т {излучения Оптическая часть усиления блок формации Рис. 3.1. Структурная схема оптико-электронного прибора проникают сквозь дымку и легкий туман. Они невидимы невооруженному глазу и потому скрытны. Данные обстоятельства способствовали преимущественному развитию ОЭП инфракрасного участка спектра. Сложился класс оптико-электронных приборов, называемых инфракрасными. Чтобы уяснить физические особенности действия оптико-электронного прибора, рассмотрим его структурную схему (рис. 3.1). Световое излучение от цели и фона проходит через атмосферу, собирается оптической системой и направляется на приемник излучения. Последний под действием световой энергии вырабатывает электрический сигнал, который после усиления и обработки поступает в блок выдачи информации. К центральной и труднейшей проблеме, возникающей при создании ОЭП, относится выделение оптического сигнала из помех. Как правило, в оптическую схему проникает не только излучение цели, но и ненужный световой поток от фона и посторонних объектов. Он не только мешает действию аппаратуры, но порой и исключает ее применение. Этот недостаток иногда используется для создания противодействия оптико-электронным средствам. Атмосфера не остается безучастной при передаче оптической энергии. Она ослабляет ее, создает вредное побочное излучение. Помехи в работе прибора возникают не только во внешней среде. Они зарождаются и в самом приборе — в оптической и электрической частях аппаратуры — и сопровождаются случайными изменениями выходного сигнала. Подобные случайные флюктуации принято называть шумами. Помехи осложняют проекти- 36
рование ИК приборов, но существуют различные приемы, которые позволяют их значительно подавить. Чтобы лучше познать физическую природу ИК техники, рассмотрим подробнее роль элементов в оптико- электронном приборе. источники излучения К источникам ИК излучения относятся все тела, окружающие нас. Они могут быть естественного и искусственного происхождения. К естественным излучателям принадлежат, например, Солнце, планеты, звезды, небосвод, атмосфера, растения, животные, люди. Искусственные источники излучения — это различные лампы накаливания, лазеры, пиротехнические источники света, транспортные средства, летательные аппараты, фабрики, заводы и т. д. По характеру излучения тела разделяются на черные, серые и селективные. Встречаются и смешанные источники излучения. В оптике черными излучателями называют такие тела, которые полностью поглощают световую энергию вне зависимости от длины ее волны. Коэффициент поглощения и излучения черных тел принят за единицу. В отличие от черных тел серые тела обладают меньшими коэффициентами излучения. Особенность серых и черных излучателей в том, что их энергия излучения с единицы поверхности R однозначно связана с температурой следующей зависимостью (в Вт/м2): R = eoT\ где о — постоянный коэффициент, е — коэффициент излучения реального тела, Т — абсолютная температура этого тела. Из формулы видно, что температура тела оказывает решающее влияние на энергию излучения. Так, при ее возрастании только в два раза плотность излучения повышается уже в 16 раз. Распределение излучения серого тела по длинам волн отображено на рис. 3.2. Характер этого спектра — непрерывный, он существует на всех длинах волн и имеет один максимум. Для сравнения на рисунке отмечен возможный вид излучения селективного источ- 37
^Серый излучатель ника света. Он излучает только Т=600Н в отдельных зонах спектра. V Положение максимума кри- \ Селективный Вой излучения серого тела Хт ^излучатель обратно пропорционально его \ \ температуре и рассчитывает- п 2 я i9 m?n*ML ся п0 элементарной формуле О Лт8 12 W 20Л,мнм- Хт = 2896/Т, мкм. Длина волны тт ' м Человек тоже излучает. Если принять его тело за се- Рис. 3.2. Спектры излуче- рый источник ИЗЛучения с температурой 309 К, то максимальное излучение приходится на длину волны 9,3 мкм. Характер излучения реальных объектов в большей части описывается с помощью законов излучения, справедливых для черных тел. Лишь для селективных источников, таких, как атмосфера, пламя реактивного двигателя, лазер, приведенные формулы непригодны. Все реальные тела имеют коэффициент отражения, отличный от нуля, ^то значит, что каждое тело не только излучает, но и одновременно отражает падающую на него лучистую энергию. Двойственность природы излучения реального тела учитывается при проектировании ОЭП. Одни оптико-электронные системы настраиваются на восприятие только собственного излучения тел; отраженный лучистый поток оказывается помехой для них и от него, по возможности, избавляются. Другие приборы, наоборот, из суммарной энергии извлекают лишь отраженную составляющую. Приборы, которые реагируют на естественное излучение целей, называют пассивными. Применение пассивных приборов скрытно для противника, но радиус действия у них ограничен слабым излучением целей. Другое дело — активные приборы. В этом случае цели подсвечиваются мощными источниками света. В таких устройствах наилучшим образом согласуются оптические характеристики прибора, атмосферы, цели и прожектора, чем и объясняется их прекрасная помехозащищенность. Правда, активный характер приборов делает их привлекательной мишенью, как только у противника появляются аналогичные средства приема излучения. 38
Особое развитие активные системы получили в последние годы. Как сообщается в иностранной печати, это связано с возникновением и совершенствованием лазеров. Лазерные излучатели — это селективные источники, создающие монохроматическое излучение, причем высокой интенсивности и когерентности. Они излучают во всех участках оптического диапазона, в том числе и в ИК диапазоне. Наиболее характерные излучатели, применяемые в зарубежной военной технике, работают на длинах волн 1,06 и 10,6 мкм. Основной недостаток существующих лазеров — низкий коэффициент полезного действия. АТМОСФЕРА Атмосфера поглощает свет, рассеивает его, добавляет собственное излучение. ИК лучи поглощают в атмосфере пары воды, углекислый газ, озон. Если исследовать характер взаимодействия излучения с атмосферой, окажется, что поглощение радиации по спектру не сплошное. Обнаруживаются прозрачные «окна» с ничтожным ослаблением. В ИК спектре эти «окна» приходятся на длины волн: 2,1 2,4; 3,3 ... 4,2 и 8 ... 13 мкм. Чтобы придать помехоустойчивость, инфракрасные приборы, как правило, настраиваются на одно из «окон» прозрачности атмосферы с помощью оптической фильтрации излучения. Рассеяние света наблюдается на частицах вещества, содержащихся в атмосфере, т. е. на аэрозолях, на молекулах газов, наполняющих атмосферу. Причем характер рассеяния зависит от соотношения длины волны света и размеров рассеивающих частиц. Если частицы меньше длины волны падающего света, происходит избирательное рассеяние. При этом чем короче длина волны, тем сильнее рассеяние. Мы часто смотрим на небо, любуемся размеренным движением белых шапок облаков на иссиня-голу- бом фоне или стремительным перемещением черных грозовых туч. А в чем причина этих скупых, но радующих сердце красок? 39
Рис. 3.3. Видимость объектов: а — без фильтра; б — с ИК фильтром Голубой оттенок небосвода объясняется именно рассеянием солнечного света. Голубые лучи, как самые короткие в видимом спектре (см. рис. 2.1), рассеиваются на молекулах воздуха больше остальных лучей, и глаз это замечает. В космосе же нет атмосферы, нет и рассеянного света. При наблюдении объектов рассеяние в основном проявляется в виде световой пелены между объектом и наблюдателем или фотокамерой. При этом снижается видимая контрастность объектов. При наблюдении с высот 3500 м и более влияние дымки часто столь значительно, что становится трудно различать детали местности. Еще сильнее рассеяние на горизонтальных трассах (рис. 3.3, а). Поэтому фотографирование или наблюдение лучше проводить с использованием желтых или красных фильтров, чтобы к минимуму свести роль дымки, но результативнее применить ИК технику (рис. 3.3, б). Инфракрасные лучи длиннее видимых, поэтому им проще проникнуть сквозь атмосферу, и фотографирование и наблюдение в ИК лучах дает значительно лучшие результаты, чем в видимой области. Когда размеры рассеивающих частиц превышают длину световой волны, рассеяние уже не зависит от спектрального состава излучения. По этой причине туман и облака, состоящие из крупных капель влаги, нам кажутся при освещении белыми. Однако толстые слои тумана и облаков настолько заметно рассеивают свет, что, по существу, оказываются непрозрачными 40
и воспринимаются темными. Поэтому ИК системы нельзя считать универсальным средством, пригодным для любой погоды. ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Оптические системы в ОЭП выполняют разнообразные задачи, но две из них самые важные. Во-первых, это концентрация лучистого потока на приемнике излучения или построение на нем изображения объекта. Во-вторых — фильтрация лучистой энергии, попадающей в ОЭП, с целью достижения максимального отношения сигнала к помехам. В состав оптико-электронной системы могут входить разнообразные оптические элементы: объективы, конденсоры, компенсаторы наклона оптических лучей, сканирующие и модулирующие элементы, фильтры, анализаторы изображений, волоконно-оптические элементы и жгуты с регулярной или случайной укладкой световолокон. Для концентрации оптического излучения в ОЭП наряду с линзовыми системами широкое распространение получила зеркальная оптика. Дело в том, что обычное оптическое стекло практически непрозрачно для И К лучей с длиной волны свыше 2,5 мкм. Линзы, прозрачные для этого участка ИК диапазона, могут быть изготовлены только из весьма сложных в обработке и дорогих оптических материалов. Среди них есть материалы, которые встречаются в природе (фтористый кальций, кварц, кристаллы хлористого натрия), но есть материалы, изготовленные руками человека. Это — германий, кремний, бескислородные стекла, оптическая керамика. Ассортимент существующих оптических материалов небогат, и поэтому трудно создавать высококачественную оптику для ИК области. Но не только скудность номенклатуры оптических материалов ставит определенные препятствия. Отдельные материалы, прозрачные в необходимом участке спектра, могут не соответствовать требованиям по физико-механическим и химическим свойствам, которые предъявляются к военной оптической технике. Например, хлористый натрий — кристалл, прозрачный почти для всего опти- 41
ческого спектра. Но серьезным недостатком его является легкая растворимость в воде. Оптиков выручают зеркальные системы, обладающие рядом ценных свойств. Они не ухудшают качества в широких спектральных границах, имеют малые продольные размеры, содержат ничтожное количество оптических деталей. Простейший объектив можно сделать даже из одиночного сферического зеркала и с хорошим качеством изображения. Чем значительней диаметр объектива, тем больше энергии попадает на него, поэтому объектив является усилителем оптического сигнала, попадающего от бесконечно удаленной цели. ПРИЕМНИКИ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИЗЛУЧЕНИЯ Лучистый поток, собранный оптикой, направляется на приемник излучения. Иногда приемнику дают иное название — детектор. Детекторы излучения преобразуют световую энергию в энергию другого вида, которую удобно усиливать и регистрировать. Монопольное право в этом, безусловно, отдано электрической энергии, хотя в ряде случаев при создании оптических индикаторов оказываются более эффективными, например, фотохимические преобразователи. Приемник излучения — это то звено оптико-электронного тракта, в котором происходит передача «эстафетной палочки» от оптики к электронике. Именно в этом звене свет заканчивает свой путь и старт берут электроны. Различают две группы детекторов: во-первых, собирающие лучистый поток, и во-вторых, формирующие изображение. Приемники излучения, собирающие лучистый поток, реагируют на суммарную энергию рассматриваемой картины и не учитывают характер ее распределения по площади. Это — фотоэлементы и фотоэлектронные умножители, фоторезисторы и фотодиоды, болометры и пироэлектрики. У всех приемников данной группы под действием лучистой энергии на выходе возникает электрический сигнал. К приемникам, формирующим изображение и называемым преобразователями изображения, принад- 42
лежат ото- и инфракрасные пленки, электронно-оптические усилители и преобразователи света, телевизионные передающие трубки, мозаичные приемники излучения, ПЗС матрицы. Они обладают неоценимым свойством: визуализируют инфракрасное изображение. Невидимая картина, построенная оптикой на входе такого преобразователя, на его выходе отображается в виде, доступном для наблюдения или передачи сигнала видеоизображения на расстояние. Преобразователи информации на ПЗС структурах сейчас особенно выгодно использовать в оптической аппаратуре благодаря их замечательным свойствам: малые габариты и масса, большой срок службы, не требуются высоковольтные блоки питания, характерные для существующих телевизионных преобразователей, а также отклоняющие и фокусирующие устройства. Имеются у ПЗС матриц и другие качества, недостижимые в иных передающих трубках. Это — высокая геометрическая точность воспроизведения изображения, жесткая привязка к началу координат в плоскости изображения. Качество приемника излучения определяется его способностью воспринимать минимальный лучистый поток. Оказывается, бесплодны усилия создать фотоприемник, реагирующий на крайне малую порцию световой энергии. Непреодолимым физическим барьером становятся внутренние и внешние шумы приемника. Очевидно, оптический сигнал, попадающий на приемник излучения, можно заметить только в том случае, когда на выходе приемника он мощнее, чем шум. Природа шумов различна. В частности, среди них встречаются шумы, которые вызваны хаотическим движением свободных электронов в веществе; Остановить тепловое движение свободных электронов в веществе не представляется возможным, но с помощью охлаждения приемника его удается заметно ослабить. Вот почему приемники излучения иногда подвергаются охлаждению до весьма низких температур: до 11 и даже до 20 К. При охлаждении приемник способен уловить крохотную долю световой энергии: Ю-11 10"13 Вт. Универсальных приемников излучения не существует. Одни лучше работают в одной области спектра, 43
другие — в иной. Одни способны быстро реагировать на световые возмущения, другие оказываются слишком инерционными. ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛА Если сигнал от фона больше сигнала от цели, никакая светосильная оптика не в состоянии обнаружить в поле зрения цель. Чтобы выделить цель на фоне помех, стремятся снижать воздействие помех, возникающих внутри прибора и вне его, до такого уровня, при котором отношение сигнал/помеха превышает единицу. Такая задача по силам современной оптике и электронике. Для ее решения необходимо, чтобы сигналы от цели и фона обладали определенными отличительными признаками, по которым можно было бы разделить эти сигналы в процессе оптико-электронной обработки. Эффективные результаты по увеличению отношения сигнал/помеха дают спектральная и пространственная оптические фильтрации, методы накопления и временной селекции сигналов, а также оптические и электрические приемы корреляционной обработки сигналов. Некоторые варианты обработки сигналов в ОЭП, особенно в оптической части, предлагаются для рассмотрения. Спектральная фильтрация весьма результативна, когда характер распределения излучения по длинам волн у цели и фона различен (рис. 3.4, а). Поставив на пути излучения оптический фильтр, прозрачный в области спектра АХ (рис. 3.4, б), можно значительно заглушить фоновое излучение, поступающее на фотоприемник. Хотя лучистый поток от цели также частично срезается этим фильтром, отношение сигнала к шуму при наличии фильтрации будет больше, чем без нее (рис. 3.4, в). Спектральная фильтрация часто не в состоянии ликвидировать фоновые засветки. Например, при поиске самолетов даже в узкой области спектра 2 ... 2,5 мкм отраженный облаками свет Солнца может в 104 105 раз превышать световой сигнал от удаленной цели. Оказывается, что и в таком, казалось бы, безвыходном положении имеется потенциальная возмож- 44
■Излучение фона Излучение цели Пропускание Фильтра *- Излучение цели после фильтра Излучение фона после фильтра Рис. 3.4. Спектральная фильтрация излучения цели ность для обнаружения цели. Помогает опять фильтрация, но только пространственная. Она основана на различии угловых размеров цели и фона. Как правило, обнаружение противника происходит на предельных дистанциях, когда любая цель выглядит точкой в плоскости изображения оптики. Угловые же размеры облаков, создающих фоновое излучение, остаются несравненно большими. Как же практически реализуется пространственная фильтрация? Для этого в оптическую систему вводят пространственный фильтр в виде растров, специальных диафрагм (рис. 3.5). В качестве пространственного фильтра применяют вращающийся диск с чередующимися прозрачными и непрозрачными секторами. Их ширина равна изображению точечной цели. Растр размещен в фокальной плоскости объектива там, где находится изображение цели и фона. При вращении растра изображение точечной цели периодически перекрывается его непрозрачными секторами, поэтому на выходе приемника излучения возникает серия электрических импульсов. Их частота определяется скоростью вращения растра и числом прозрачных и непрозрачных секторов. Появившееся облако крупнее цели и потому перекрывает в поле зрения сразу несколько секторов. Облученность приемника при этом возрастает. Однако на его выходе вариации электрического сигнала будут слабыми, поскольку площадь перекрытия изображения фона секторами при вращении растра сохраняется почти одинаковой. Сигнал изменяется значительно только на границе облако — небосвод. Вследствие этого электрические сигналы от цели и фона получаются различными по частоте. После усиления их пропускают через электрический фильтр, настроенный на частоту сигнала от цели, поэтому фоновый сигнал затухает, и отношение сигнал/шум во много раз возрастает. 45
Растр изображение цели изображение обмана Приемнин ИМ излучения Форма Выходного сигнала от цели и облака пппГЧГ Элентричеснищ (рильтр Рис. 3.5. Пространственная фильтрация излучения цели Временная селекция сигналов состоит в том, что оптико-электронная система включается в работу строго в момент появления сигнала от цели, в остальное время внешние помехи в ОЭП не поступают. Временная селекция может эффективно помочь активным системам со стробированием оптического излучения, которым выполняется подсветка целей. Корреляционная (соотносительная) оптическая обработка оказывается полезной в устройствах ориентации и навигации, дешифрирования и распознавания изображений. Принцип работы большинства систем с оптическим коррелятором основан на достижении максимума оптического сигнала при наложении двух оптических изображений, расположенных последовательно друг за другом. Максимальный сигнал будет только тогда, когда изображения идентичны и совпадают по геометрии. Все перечисленные приемы выделения оптических сигналов на фоне помех относятся к аппаратурным средствам, реализуемым внутри оптико-электронного прибора. В последние годы для фильтрации оптических изображений и дешифрования специалистами стали применяться математические приемы обработки изображений. Получила развитие наука иконика, занимающаяся анализом и фильтрацией изображения на базе современной вычислительной техники. Как считают зарубежные специалисты, применяя специальные программы для обработки изображений, можно усиливать или ослаблять особенности исходного снимка, снимать 46
шумы, накладывающиеся на изображение, обнаруживать наличие камуфляжа и маскировочных сетей. Значительных успехов в борьбе с электрическими шумами и помехами добилась и электроника. Электрические сигналы, развиваемые детекторами излучения, ничтожны. Минимальный уровень оценивается величиной шума в цепи приемника, и он составляет доли микровольт. Максимальное значение тоже невелико и достигает десятков микровольт. Такие сигналы настолько слабы, что непосредственно их использовать не представляется возможным. Достаточно сказать, что сигналы от наводок электромагнитных полей могут в тысячи раз превосходить электрические сигналы, зарождающиеся в фотоприемнике. Поэтому обработка сигнала сводится не только к его усилению, а к целому комплексу конструкторских и схемных решений по устранению помех и путей их проникновения в электрические цепи. Помехи обусловлены не только электромагнитными полями, создаваемыми радиотехническими и промышленными установками. Они возникают из-за вибрации оптико-электронного прибора, шумов электронной схемы и блоков питания, наличия контуров заземления. Да разве все причины перечислишь! Чрезвычайно трудно бороться с помехами, и дело не только в многообразии их форм. Сложность в том, что помехи не поддаются учету. Уменьшению воздействия шума в электронном тракте способствует метод накопления. Сущность его состоит в суммировании полезных сигналов и существующих помех при условии, что полезный сигнал за время суммирования не меняется. Так как шумы зна- копеременны по амплитуде, то при накоплении они усредняются, и их среднее значение становится много меньшим, нежели мгновенные значения шума. Сигнал, наоборот, при накоплении возрастает. В итоге отношение сигнал/шум резко увеличивается. Усиление электронного устройства подбирается таким, чтобы шум приемника замечался на выходном устройстве. Требуемый для этого коэффициент усиления электронной схемы лежит в пределах 106 107 В качестве элементов для усиления электрических сигналов в ИК технике широко используются микросхемы 47
и полупроводники, благодаря чему масса аппаратуры и ее объем значительно снизились, повысилась надежность изделий, уменьшилось энергопотребление. Усиленный и обработанный электрический сигнал поступает на вход устройства регистрации или на привод следящей исполнительной системы. В качестве средств регистрации могут быть использованы визуальные системы, а также специальные средства регистрации и хранения оптической информации. Среди визуальных систем для представления оптической информации распространены электронно-лучевые трубки, матричные жидкокристаллические или светодиодные экраны, проекционные экраны, объемные и псевдообъемные индикаторы. Для работы проекционных экранов оптическая информация предварительно фиксируется на специальном светочувствительном материале. Кроме фотопленки, нашли применение фотохромные, электрографические, термографические основы, обладающие определенными преимуществами перед фотоносителями. 4. ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ НАБЛЮДЕНИЯ И РАЗВЕДКИ ПРИБОРЫ ДЛЯ ВОЖДЕНИЯ БРОНЕТАНКОВОЙ ТЕХНИКИ Современные танки — технически совершенные боевые машины. Броня у них стала крепче, оружие мощнее, чем у танков периода второй мировой войны. И эта грозная сила без оптики «слепа», а «слепой» танк беззащитен и беспомощен, для него даже яма может стать роковым препятствием. «Зрение» бронетехники — ее смотровые оптические приборы. Они помогают водителям машин следить за окружающим пространством, наблюдать за дорогой на марше. Понятно, что эти приборы должны удовлетворять определенным требованиям. Так, при наблюдении через смотровой прибор должно сохраняться естественное впечатление об окружающем пространстве. Только тогда водитель может мастерски управлять боевой машиной, своевременно предпринимать необходимый маневр. 48
Рис. 4.1. Смотровой прибор: слева — ромбический блок; справа — устройство с двумя прямоугольными призмами / — головная прямоугольная призма; 2—утолщение для крепления прибора; 3 — амортизатор; 4 — глазная прямоугольная призма; 5 — защелка замка Естественное восприятие пространства возникает при зрении двумя глазами и увеличении оптической системы, равном единице. При изменении увеличения угол зрения становится непривычным для человека, возникает искажение перспективы. Пространство как бы сжимается или растягивается по глубине в зависимости от того, будет ли увеличение больше или меньше единицы. Смотровые приборы, с одной стороны, защищают водителя от поражения, с другой — сами подвергаются опасности разрушения и потому нуждаются в повышенной живучести оптического блока. Для обеспечения безопасности наблюдателя смотровые приборы собирают по перископической схеме. Применяется ромбический блок или устройство из двух прямоугольных призм (рис. 4.1). Ширина призм выбирается в соответствии с глазным базисом наблюдателя. Это позволяет обозревать пространство двумя глазами. Так как увеличение смотровых приборов равно единице, они не искажают перспективу. 49
Смотровой прибор монтируется в корпусе бронемашины с помощью крепления 2. Над броней при этом выступает только головная прямоугольная призма /, а остальная часть прибора утоплена внутрь машины под защиту брони. Амортизатор 3 предохраняет голову наблюдателя от травм при тряске. В случае разрушения оптики во время боя головную призму / можно быстро заменить на запасную. Для этого освобождается защелка замка 5, нижняя часть прибора с глазной призмой 4 откидывается и на место пораженной детали вставляется новый оптический блок. Поле зрения смотрового прибора не превышает 40 град; оно ограничено габаритами оптики. Чтобы улучшить обзор местности, стремятся к расширению поля зрения. Панорамный обзор создается с помощью нескольких призменных приборов, расставленных на броне по дуге окружности. БИНОКУЛЯРНЫЕ ПРИБОРЫ Неисчерпаемые возможности для изучения окружающего пространства предоставили воинам наблюдательные приборы, известные еще с древних времен. Вспомним подзорные трубы, не раз выручавшие моряков. Появившись в XVII в., они сразу снискали признание мореплавателей и путешественников и дошли до наших дней в виде современных биноклей, визиров, стереотруб. По устройству древнейшие зрительные трубы весьма близки к современным оптическим приборам, все они построены по телескопической системе. Однако имеются и отличия. Разница состоит в том, что сейчас наиболее развиты стереоскопические устройства наблюдения, позволяющие осматривать пространство одновременно двумя глазами. Это особенно важно для военных. Стереоскопические (бинокулярные) устройства, хотя и труднее в производстве, обладают неоспоримыми достоинствами перед монокулярными. Мы уже выяснили, что границы объемного видения у человека не беспредельны. А с помощью бинокулярных приборов удается увеличить радиус стереоскопического восприя- 50
N Об N -ft Он 06 ! -e-F CR^ 0* Рис. 4.2. Принципиальная схема стереоскопической наблюдательной системы тия, раздвинуть горизонты объемного видения. В этом их характерное преимущество. Принципиальная схема стереоскопического устройства изображена на рис. 4.2. Чем шире стереоскопическая база прибора В, чем больше увеличение используемой телескопической оптики Г, тем дальше отодвигается граница объемного восприятия. Отношение базы прибора В к базе глаз 6, т. е. В/Ьу называется удельной пластикой, а произведение — Г=П именуется пластикой прибора. Пластика определяет степень увеличения радиуса стереоскопического восприятия оптическим бинокулярным прибором. Среди бинокулярных наблюдательных устройств самое широкое распространение получили призменные бинокли. Ежегодно на мировой рынок поступает более 4,5 млн разнообразных моделей и типов биноклей общего назначения, выпускаемых фирмами ФРГ, США и других стран. На рис. 4.3 показано устройство полевого бинокля. Он состоит из двух симметричных друг относительно друга оптических трубок, скрепленных шарнирно. Вращением оптических трубок / вокруг оси шарнира 2 добиваются соответствия окулярной базы прибора и глазного базиса. Каждый канал бинокля собран по телескопической схеме. Для формирования удельной пластики в ней линзовая оборачивающая система заменена на приз- менный блок 3. Сетка в таких бинокулярных устройствах нужна только в одном из каналов (на рисунке она не видна). 51
Рис. 4.3. Полевой бинокль: / — оптические трубки; 2 — ось шарнира; 3 — призменный блок Внешнее оформление бинокулярных приборов довольно разнообразно; оно зависит как от увеличения прибора, так и от условий его работы. Увеличение бинокля составляет 6 15х Больше оно бывает редко, так как с ростом увеличения прибора возрастают его габариты и масса. Такой прибор приходится монтировать на опоре, а иногда и стабилизировать для устранения дрожания и качки во время эксплуатации. Допустим, что для наблюдения выбран бинокль с увеличением 6х и базой В=150 мм. Если глазной базис 6 = 65 мм, то пластика такого прибора П=15. Это значит, что радиус стереоскопического восприятия, равный 1350 м для невооруженных глаз, при наблюдении в бинокль продлевается в 15 раз, до 20250 м. Применительно к наблюдательным устройствам военная практика диктует два условия. Оптическая система должна обладать, во-первых, большим полем зрения, удобным для поиска цели, и во-вторых, значительным увеличением, позволяющим надежно различать мелкие детали объектов. Удовлетворить оба 52
поставленных требования не представляется возможным, так как они взаимно исключают друг друга. Приемлемым оказалось компромиссное решение. В оптических приборах создают сменное увеличение или применяют панкратическую оптику, которая плавно изменяет масштаб. При малом увеличении достигается большое поле зрения, при большом — малое. Предположим, требуется обнаружить цель размером / на дистанции D. Каким же критерием следует руководствоваться при выборе увеличения прибора? Цель замечается, если угол, под которым наблюдатель ее видит на выходе прибора, не менее углового разрешения глаза. Тогда минимальное увеличение прибора Гтт, необходимое для обнаружения заданной цели, можно рассчитать по формуле Гт|п =3 X 10~~4D//. Пусть цель удалена на 5000 м, ее размеры — не менее 0,25 м. Подставив исходные данные в формулу, получим Ггшп=6х При пасмурной погоде, когда освещенность цели и ее контрастность понижены, для обнаружения той же цели увеличение должно быть больше. Чем больше увеличение оптического прибора, тем подробнее просматривается структура цели. Значит ли это, что всегда следует стремиться к предельному увеличению? Оказывается, в военных оптических приборах предельное увеличение не используется, и вот почему. Во-первых, чем больше увеличение, тем меньше поле зрения системы, а это значительно осложняет поиск цели. Во-вторых, при больших увеличениях заметно падает качество изображения. То, что видно при слабом увеличении, смазывается при сильном. Качество изображения ухудшается также вследствие вибрации аппаратуры, движения воздуха в атмосфере на пути между целью и прибором. Поэтому военные приборы с увеличением более 40х встречаются крайне редко; в основном такое увеличение имеют стереотрубы и стереодальномеры военных кораблей. ПРИБОРЫ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ Современная военная техника достигла такого совершенства, что ночь перестала быть существенной помехой боевой активности войск. 53
Как же удается сохранить высокую боеспособность в темное время? Вспомним, что зрение человека совершенно только днем, к тому же в ограниченном участке оптического спектра, от 0,38 до 0,76 мкм. Обладая высокой остротой зрения при ярком свете, с наступлением сумерек глаз лишается этого качества. Зрение ухудшается настолько, что в звездную ночь наблюдатель смутно различает очертания крупных объектов, а при сплошной облачности он вообще не в состоянии ориентироваться. Военных выручили приборы ночного видения, раздвинувшие человеку горизонты видения как по спектру, так и по уровню яркости. Сбылась давняя мечта — наблюдать противника и ночью. Первые устройства ночного видения проектировались на основе активного действия, когда производилась подсветка целей светом прожектора. Наряду с обычными прожекторами искусственное освещение стремились сделать незаметным для невооруженного глаза. Иначе противнику не составит труда оказать противодействие. Поэтому для подсветки были выбраны, и при том не случайно, инфракрасные лучи. Им легче, чем видимым или ультрафиолетовым, проникнуть сквозь атмосферу, дымку, легкий туман. Не составляет труда и создать источник ИК излучения. Активные приборы ночного видения за рубежом известны со времен второй мировой войны и, как информирует зарубежная печать, зарекомендовали себя в роли эффективного средства ночной разведки, прицеливания, вождения транспорта. Правда, большой расход электроэнергии на подсветку, значительная масса прожектора ограничивали применение приборов ночного видения. В первую очередь эти недостатки затрудняли создание переносной аппаратуры, поэтому радиус ее действия не превышал 1,5 км. Однако в стационарных установках при мощности прожектора 16 кВт и диаметре зеркала 150 см суда противника обнаруживались на дистанции до 8 км, если погодные условия этому благоприятствовали. Сигнальные же огни, попавшие в поле зрения, просматривались на еще большем удалении, до 15 км. Очевидно, заметить действие активных систем противнику было куда проще, чем попасть под их наблю- 54
дение. Поэтому, несмотря на ряд очевидных достоинств, подсветочные приборы ночного видения вскоре не стали удовлетворять военных, ибо противник научился распознавать их работу, создавать противодействие. И хотя активные ночные приборы, судя по зарубежным материалам, еще не сняты с вооружения, сейчас их потеснили более практичные бесподсветоч- ные приборы ночного видения. Их отличает малый вес, незначительные габариты, малая мощность потребляемой электроэнергии. Например, масса современного прибора ночного видения колеблется в пределах 1,8 2,4 кг, в зависимости от тактических свойств. Основу приборов ночного видения как с подсветкой целей, так и без нее составляют электронно-оптические преобразователи (ЭОП) и усилители света. Понять работу прибора ночного видения будет совсем нетрудно, если познакомиться с устройством и принципом действия ЭОП. ЭОП представляет собой электровакуумную колбу 2 цилиндрической формы (рис. 4.4, а). На переднем торце колбы напылен фотокатод /, а на противоположном торце нанесен люминесцентный экран 3. Внутри колбы 2 закреплены специальные электроды, образующие электронную линзу 4. От источника высокого напряжения 18 кВ к электродам подводится электропитание. Тем самым создается электростатическое поле определенной конфигурации, способное управлять движением электронов при пролете от фотокатода к экрану. Принцип действия ЭОП заключается в следующем. Когда изображение цели спроецировано на фотокатод, из него вылетают электроны. Под влиянием приложенного электрического поля электроны разгоняются и бомбардируют люминесцентный экран. Возбужденный люминофор начинает светиться зеленоватым светом. Электронная линза, управляющая движением электронов, действует таким образом, что электроны, покинувшие фотокатод из какой-либо его точки, собираются в определенную точку на экране. Аналогично каждый элемент изображения одновременно переносится с фотокатода на экран. И на экране ЭОП будет четкая, но повернутая на 180 град картина, подобная той, которая проецировалась на фотокатод. 55
12 4 3 / 2 4 3 14 3 I—iJ±J I =j|±J I -f I *l 15 kB \15"B 1\15h6 а б Рис. 4.4. Схема электронно-оптического преобразователя: а — однокамерного; б — многокамерного / — фотокатод; 2 — электровакуумная колба; 3 — люминесцентный экран; 4 — электронная линза Если фотокатод чувствителен к ИК лучам, то ЭОП может преобразовать невидимое на фотокатоде инфракрасное излучение в видимое на экране. Отсюда и произошло название — преобразователь света. Усилительные свойства такого ЭОП обычно невелики, около 20 40^ Недостаток усиления компенсируется мощностью излучения прожекторной системы. Фотокатоды ЭОП характеризуются проявлением внешней фотоэмиссии. Это значит, что спектральная чувствительность у них ограничена длиной волны 1,5 мкм — красной границей внешнего фотоэффекта, а излучение на длинах волн короче 1,5 мкм ЭОП может преобразовывать. В пятидесятые годы на базе однокамерных ЭОП удалось создать многокамерные усилители света. Они- то и стали применяться в бесподсветочных приборах. Многокамерные усилители света как бы объединяют в одной колбе несколько однокамерных ЭОП (рис. 4,4, б). Они хороши тем, что создают последовательное усиление яркости света от каскада к каскаду. Усиление удается довести до такой степени, когда на экране становятся заметными вспышки света, создаваемые каждым электроном, покинувшим фотокатод. Практически столь большое усиление не требуется, и свыше 50 000* оно нецелесообразно. Уже при таком значении усиления, получаемом в трехкамерном усилителе, на экранах ЭОП различимы объекты, подсвечиваемые светом звездного неба. 56
Развитие оптической технологии привело к созданию модульных многокамерных усилителей света. Модули со стекловолоконным входом и выходом похожи на однокамерные ЭОП. Два или три из них соединяются вместе методом оптического контакта. По сообщениям иностранной печати, многомодульные ЭОП запущены в серийное производство. Недостатком многокамерных усилителей считается снижение детализации в темных участках изображения при избыточном освещении фотокатодов. Более того, при ярких вспышках света, например в случае взрыва, большое усиление пагубно для ЭОП, если не принять мер предохранения. Возникающий мощный поток электронов способен прожечь экран. Сравнительно недавно, в семидесятые годы, появились весьма многообещающие ЭОП на основе микроканального усиления света. В зарубежной литературе их часто именуют усилителями второго поколения в отличие от только что рассмотренных ЭОП первого поколения. Их принципиальным элементом является микроканальный усилитель электронов, который находится внутри колбы ЭОП между фотокатодом и экраном. Микроканальный усилитель выполнен в виде круглой пластины, набранной из миллионов стеклянных капилляров, каждый длиной до 3 мм и диаметром 10 15 мкм. Внутренняя полость капилляра покрыта веществом, обладающим вторичной электронной эмиссией. Электроны, испускаемые фотокатодом, попадают в открытый торец капилляра и внутри его выбивают вторичные электроны из стенок. Усиленный в капилляре в 10 000 раз электронный пучок возбуждает люминофор экрана, создавая свечение. ЭОП с микроканальным усилением сочетают достоинства однокамерных преобразователей (малые габариты и пониженное до 6 кВ напряжение питания) и многокамерных (большое усиление). Примерные габариты зарубежных микроканальных ЭОП: диаметр фотокатода не превышает 18 мм, длина ЭОП — около 25 мм. Важным достоинством ЭОП второго поколения считают насыщение усиления в них при засветках. Этим предупреждается разрушение экрана. 57
От цели г ^ П?\ 1) и \Ш ■ч, ^ ' 1 / Н 2 ♦ БЛОК питания 1 ~~кМ —гЧД! « J Рис. 4.5. Компоновочная схема прибора ночного видения: а — активного типа; б — пассивного типа /—объектив; 2 — ЭОП; 3 — лупа; 4 — параболическое зеркало; 5 — источник света; 6 — инфракрасный фильтр Конструкции подсветочных и бесподсветочных ночных приборов не обладают принципиальными отличиями. Те и другие (рис. 4.5) содержат светосильный сложный объектив /, позволяющий захватить побольше фотонов от цели, ЭОП 2, нужный для преобразования и усиления оптического сигнала, а также лупу <?, через которую мелкое изображение на экране рассматривается наблюдателем. Прибор дополняется источником питания, например аккумулятором, и малогабаритным высоковольтным блоком, преобразующим низкое напряжение в высокое. В тех случаях, когда необходима подсветка, ночной прибор оборудуется еще и прожектором. Он состоит из параболического зеркала 4 и источника света 5, закрытого светофильтром 6, срезающим видимый свет, но пропускающим ИК лучи. Поэтому противник не воспринимает свет прожектора невооруженным глазом. В качестве источника света в прожекторах применяются лампы накаливания, газоразрядные устройства, есть сообщения о возможности лазерной подсветки целей в режиме стробирования, удобной при просмотре пространства в рассеивающей среде — тумане. Прожектор в переносных ночных приборах выполнен заодно с оптикой, в едином корпусе. Однако в танковых и артиллерийских системах ночного видения он крепится раздельно с прибором наблюдения на 58
определенном удалении. При любом виде сопряжения оптические оси прожектора и ночного прибора должны оставаться взаимно параллельными. Только в этом случае поля зрения у них окажутся согласованными. Блоки питания ночных приборов — сложное электронное устройство. Они изготавливаются на полупроводниковых элементах и потому их габариты не выходят за размеры пачки сигарет. Кроме высокого напряжения в блоке вырабатываются управляющие сигналы, обеспечивающие как защиту ЭОП от световых перегрузок, так и автоматическую регулировку яркости свечения экрана для предотвращения ослепления наблюдателя. Иногда управляющие сигналы позволяют производить подфокусировку изображения при засветках поля зрения ночного прибора. Принцип действия активного ночного прибора следующий. Цель подсвечивается прожектором. Отраженный от нее свет поступает в прибор, и объективом на фотокатоде ЭОП строится инфракрасное изображение цели. Это изображение ЭОП преобразует в видимое, после чего оно рассматривается наблюдателем через лупу с увеличением до 15х В бесподсветочных приборах установлены ЭОП с большими коэффициентами усиления, прожектор отсутствует и для работы прибора хватает слабого света звезд и Луны. Такой режим работы называется пассивным, и он позволяет использовать ЭОП с чувствительностью не только в ИК, но и в видимой спектральной зоне. Существующие фото катоды способны охватить излучение в диапазоне от 0,4 до 0,9 мкм. Дальность видения с помощью пассивных средств зависит от уровня естественной освещенности, контраста цели и фона, состояния атмосферы. Поэтому для усиления контраста ночной прибор часто снабжается набором светофильтров разных оттенков: зеленого, желтого, красного. В звездную ночь такой прибор эффективно действует на дистанциях до 800 м. Огонек сигареты при этом просматривается на удалении до 2 км. Только в полной темноте, когда небосвод затянут облаками и свет звезд и Луны не пробивается, пассивные приборы наблюдения становятся слепыми. Неэффективным оказывается и наблюдение из светлых 59
участков местности за более темными: изображение выглядит малоконтрастным и недостаточно резким. В этих случаях начинают использовать активный режим с подсветкой цели. При этом ИК прожекторы рекомендуется включать только на короткое время. В настоящее время зарубежные армии оснащаются современными образцами наблюдательных и прицельных устройств ночного видения. Они помогают прицеливаться из стрелкового, танкового, артиллерийского оружия. Приборы ночного видения применяют и в авиации. В ночных прицелах в отличие от наблюдательных устройств дополнительно введены отсчетные устройства, позволяющие вводить углы прицеливания. Увеличение ночных приборов колеблется в пределах 2 8х, поле зрения составляет 8 17 град. На вооружении армий стран НАТО состоят, например, наблюдательный прибор AN/TVSA с зеркально-линзовой оптикой, винтовочный прицел AN/PVS-2A. Самыми последними зарубежными моделями являются приборы типа AN/TVS-5, разрабатываемые для замены танковых подсветочных приборов на основе микроканальных усилителей, ночные очки VNVA- 300, ночной визир VNVA-ЗЮ. В двух последних системах применены микроканальные усилители с антиионной защитной пленкой, исключающей попадание положительных зарядов на фотокатод. Этим достигаются более высокие показатели при работе в условиях малых освещенностей. Ночные очки представляют собой бинокулярный прибор, закрепленный на лицевой маске, которая ремнями удерживается на голове оператора. Эти очки позволяют вести наблюдение ночью с расстояния от 25,4 см до бесконечности. Они имеют ИК источник для подсветки при чтении документов, карт, ремонте оборудования. Техническая характеристика очков: увеличение Iх, поле зрения 40 град, масса 0,86 кг, питание 2,7 В. Благодаря компактности и относительно невысокой стоимости пассивные приборы ночного видения в ближайшие годы, по зарубежной оценке, сохранятся на вооружении во многих армиях. 60
ФОТОГРАФИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ Фотографические приборы в военном деле известны давно. В 1856 г. француз Нодар запечатлел Париж из корзины воздушного шара, за что был высмеян публикой. А уже через пять лет подобные снимки использовались в войне Севера и Юга в США. В России первые опыты воздушного фотографирования проводились летом 1886 г. с аэростата обычным фотоаппаратом. С высоты 600 1000 м воздухоплаватели Л. И. Зверинцев и А. М. Кованко сфотографировали в районе Петербурга Петропавловскую крепость, военную гавань и форты крепости Кронштадт. С того времени фототехника значительно продвинулась вперед. Она широко применяется для картографирования местности, обеспечивает информацией разведку, используется для фиксации быстропротекаю- щих процессов, скоростных целей. Удобство фотографического метода записи и хранения изображения объясняется полнотой и объективностью получаемой информации, возможностью определения по снимку размеров целей и их координат. Повторяя фотосъемку через определенные промежутки времени, на рассматриваемых участках местности удается выявить динамику происходящих событий, вскрыть замаскированные цели. Имеется возможность неограниченно размножать фотодокументы, изучать их необходимое время. Фотографическая разведка, как сообщают иностранные источники, стала настолько совершенной, что может выполняться не только днем, но и ночью. Громадная роль за рубежом отводится приборам аэрофотосъемки. Разведывательный аэрофотоаппарат представляет сложнейшее устройство, функционирующее в автоматическом режиме. Кроме весьма сложного объектива и фотопленки, присущих всем фотографическим системам, аэрофотоаппарат снабжается автоматическим устройством регулировки экспозиции и натяжения пленки в соответствии со скоростью перемещения цели, устройством автоматической фокусировки, командным устройством смены оптических фильтров. Чтобы фотоснимки были четкими, не смазывались, аэрофотоаппаратура стабилизируется гиро- 61
скопическим устройством. Для маркировки на каждом кадре фотопленки по ее краям или между кадрами впечатываются данные о режиме полета, высоте съемки, времени фотографирования и т. д. Объем информации, добываемый с фотоснимка, зависит от оптических характеристик прибора. Чем больше поле зрения прибора, чем подробнее отражается структура цели, тем обильнее информация, содержащаяся на одном кадре фотопленки. Структура изображения на пленке зависит от разрешающей способности оптики и фотоматериала. Чем меньше аберрации объектива и больше его фокусное расстояние, тем выше разрешающая способность аппарата. Диапазон фокусных расстояний современных зарубежных аэрофотоаппаратов простирается от 20 до 1200 мм, а иногда и больше. Например, в аэрофотоаппарате КА-Ю2А фокусное расстояние составляет 1670 мм, а в КАЛ 12А — 1829 мм. По утверждению американских экспертов, такой длиннофокусной техникой, установленной на самолетах, летающих вдоль государственных границ, можно вести фоторазведку противника на глубину до 110 км без нарушения воздушного пространства. В зависимости от угла поля зрения аэрофотоаппараты могут быть узкопольными с углом менее 50 град, широкоугольными и сверхширокоугольными при углах свыше 150 град. Чем меньше фокусное расстояние, тем больше угол съемки. Размер поля зрения зависит и от ширины фотоматериала. Аэрофотоснимки бывают малоформатными при ширине пленки 70 мм, средне- форматными при ширине фотоматериала 127 мм и широкоформатными, когда размер пленки в поперечном направлении достигает 241 мм. По своим основным задачам аэрофотоаппараты подразделяются на четыре типа: картографические, разведывательные, панорамные и спектрозональные. Познакомимся с ними. Картографические приборы оснащаются специальными объективами, которые создают высокое геометрическое подобие изображения объекту съемки. Обычно такую оптику очень трудно рассчитывать. По сте- реокартографическим снимкам, используя специальные оптические приборы — фототрансформаторы, удается 62
оценить размеры объектов: их длину, высоту и ширину. Для разведывательных фотоаппаратов основное требование — это создание снимка с высокой разрешающей способностью; геометрическое подобие снимка может быть снижено. Поэтому разведывательные устройства имеют малое поле зрения, объективы у них — длиннофокусные. По сообщению иностранной прессы, разведывательная техника отличается полной автоматизацией в работе, возможностью фотографирования в широком диапазоне высот и скоростей полета. Чтобы с малых высот обеспечить съемку широкой полосы местности в диапазоне 100 180 град, применяют панорамные аэрофотоаппараты. Они различаются большим разнообразием технических решений, обеспечивающих достижение больших полей зрения. Так, в зарубежных панорамных устройствах увеличения угла охвата за один проход самолета достигают фотографированием одновременно 3 5 фотоаппаратами, установленными под углом друг к другу. В ряде конструкций размах угла поля зрения создается поворотом объектива по отношению к вертикали, а изображение на пленке при этом строится по участкам. В панорамных аэрофотоаппаратах с одним объективом обзор от горизонта до горизонта может быть выполнен поворотом оптической оси объектива специальными оптическими элементами — зеркалами, призмами. Панорамные снимки отличаются значительными плановыми искажениями, но эти недостатки окупаются большим объемом получаемой информации за короткий промежуток времени. К разновидностям фоторазведки относят за рубежом спектрозональную фотосъемку, местности. Сущность спектрозонального фотографирования заключается в' получении черно-белых изображений одних и тех же объектов при одновременном фотографировании их в нескольких узких участках спектра. Для этого съемка выполняется многообъективными фотокамерами. Так, на американском космическом аппарате EPTS-1 была установлена четырехканальная система, работающая в областях спектра 0,5 0,6; 0,6 0,7; 0,7 0,8; 0,8 1,1 мкм. 63
Применяя после проявления пленки специальный проектор и набор таких же фильтров, как при фотосъемке, все изображения одновременно проецируют на экран. На нем получают цветное изображение, но при этом обеспечиваются более широкие возможности спектрального дешифрования, чем при использовании обычной цветной пленки. Для воздушного фотографирования за рубежом используются свыше 20 типов фотоматериалов. Это фотопленки для работы в видимых и инфракрасных лучах, негативные и обратимые цветные и черно-белые материалы, обладающие высокой чувствительностью и прекрасным разрешением, до 100 лин/мм. Все фотоматериалы просты в обращении. Трудности возникают только при работе с инфракрасными фотоматериалами. Они слабочувствительны, имеют малое разрешение, для их хранения необходима низкая температура. Однако на ИК фотоматериале хорошо прорабатываются горячие источники излучения, многие замаскированные цели. Под покровом ночи активность передвижения войск противника увеличивается. Становится весьма заманчивым продолжить разведку и в темное время суток, но как это сделать? Выход из положения был найден. Оказывается, ночью фоторазведку можно вести при искусственном освещении. За рубежом предлагается освещать цели осветительными бомбами, импульсными источниками света. Для фотографирования даже не требуется замены фотооборудования. Но подсветка целей сопряжена с риском, так как она демаскирует самолет-разведчик. Иностранные специалисты считают, что использование активных лазерных систем фоторазведки, устанавливаемых на самолетах тактической авиации, связано с меньшим риском. Поле зрения прощупывается узким лучом ИК лазера. Отраженный свет лазера в процессе сканирования фиксируется на фотопленке. Сейчас в США на вооружение принято несколько образцов лазерных станций воздушной разведки (например, AN/AVD-1). Лазерные фотостанции обеспечивают разрешение порядка нескольких сантиметров при высоте полета 1000 м. 64
Широкая перспектива для ночной фотосъемки, как утверждают иностранные специалисты, открылась при создании фотографической техники, совмещенной с ЭОП. Изображение цели в таких устройствах строится оптикой сначала на фотокатоде ЭОП, и только затем оно с экрана переводится на фотоматериал. Аппаратура становится чувствительнее и поэтому при малых освещенностях способна фотографировать без подсветки, причем как в видимом, так и ИК диапазоне. Примечательно, что при съемках в ИК лучах уже не требуется инфракрасная пленка с низкими фотосвойствами, а, наоборот, можно применять пленку высокой чувствительности, сенсибилизированную к видимому свету, который испускается экраном ЭОП. Для получения максимального количества разведывательной информации за каждый самолето-вылет, как отмечают иностранные специалисты, в состав бортового оборудования самолетов-разведчиков включается от 3 до 12 аэрофотоаппаратов различного назначения. Они располагаются так, что ведут съемку в разных масштабах, под разными углами, с продольным или поперечным перекрытием полей зрения. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПРИБОРЫ Одним из средств, позволяющих оперативно получать наглядную информацию о действиях войск, по мнению западных военных специалистов, является телевизионная техника. Разработке новых военных систем телевидения за рубежом уделяется значительное внимание. Этому благоприятствуют успехи в оптике, микроэлектронике, поз- волющие создавать компактную аппаратуру. Телевизионные приборы, как указывают иностранные специалисты, необходимы не только для оперативного наблюдения. Они выполняют функции связи между центрами управления, обеспечивают задачи прицеливания оружия. Область использования телевизионной аппаратуры в военном деле столь обширна, что не представляется возможным в данной книге отметить все ее стороны. Телевизионными приборами снабжаются объекты наземной техники, подводные лодки, разведывательные самолеты и спутники. 3 За к. 66 65
V- Радиопе- редатчин I Блок генераторов строчной и надро- Вой разВертон Н Видео усилитель! щ Синхроге- нератор Передающий блок. 1 Радиоприемник Видеоусилитель устройство 8ыделт\ ния синхроимпульсов] х Блок генератороВуГТз^г^ строчной и надро- I / ~tT/0 Вой разВертон Приемный 6лон 8 Рис. 4.6. Принципиальная схема телевизионной передачи: /—объектив; 2 — мишень; 3 — видикон; 4 — электронный луч; 5 — электронный прожектор; 6, 7—катушки строчной и кадровой разверток; 8— кинескоп Основными достоинствами телевидения являются высокая наглядность получаемой информации, значительная скорость ее передачи, практически неограниченный радиус действия аппаратуры. Как же устроены телевизионные приборы? В их основе использована единая схема передачи изображения на расстояние. Принципиально в эту схему входят два блока: передающий и приемный, которые разнесены на расстояние и связаны каналом связи (рис. 4.6). Сердцем передающего блока является передающая трубка. В ней световое изображение преобразуется в электрический сигнал. В военной аппаратуре иностранного производства используются электровакуумные преобразователи изображения типа суперортикон и видикон. Чувствительность первой трубки настолько велика, что удается видеть объекты даже при звездном свете. Видикон хуже по чувствительности, но его габариты и масса много меньше, он надежнее в эксплуатации. Поэтому в малогабаритных устройствах види- кону, размеры которого соответствуют указательному пальцу человека, отдают предпочтение. Преимущества телевидения стали еще весомее, когда появились твердотельные передающие трубки на основе ПЗС матриц. Размером с почтовую марку и с характеристиками, лишь несколько уступающими видикону, ПЗС матрицы сразу обратили на себя вни- 66
мание специалистов, хотя, как отмечает зарубежная печать, необходимо продолжать их усовершенствование. Поэтому телевизионные передающие трубки типа видикон пока являются самыми распространенными. Видикон 3 состоит из светочувствительной многоэлементной мишени 2 и электронного прожектора 5, испускающего тонкий электронный луч 4. Каждый элемент мишени представляет собой электрический конденсатор. Если электронный луч заставить двигаться по мишени, например слева направо и сверху вниз, подобно тому, как человек читает текст, то все элементы мишени зарядятся до одного потенциала. Объективом / на мишень переносится оптическое изображение изучаемого предмета. В зависимости от распределения яркости в изображении предмета разные точки мишени освещаются по-разному. Под действием света мишень теряет изоляционные свойства, конденсаторы начинают проводить заряды и разряжаются. На мишени возникает потенциальный рельеф, который оказывается электронной копией распределения яркости в поле зрения. При повторном обегании электронного луча мишень подзарядится, но каждая точка мишени потребует различного зарядного тока. Ток заряда протекает через сопротивление нагрузки R„, и он пропорционален освещенности того места мишени, которого касается электронный луч. Таким образом, в передающей трубке двумерное оптическое поле предмета переводится в одномерный электрический сигнал, зависимый только от времени. Движение электронного луча в видиконе по выбранной траектории формируется токами, протекающими через катушки строчной и кадровой разверток 6, 7. Токи вырабатываются в блоке генераторов кадровой и строчной разверток, работой которых управляет син- хрогенератор. Видеосигнал, снимаемый с резистора Rh, усиливается и передается в радиопередатчик. В приемный блок он попадает по каналу связи. Вместе с видеосигналом по каналу связи передаются импульсы синхронизации. В приемном блоке электрические сигналы усиливаются видеоусилителем, а затем разделяются. Видеосигнал подается в систему управления током 3* 67
электронного луча кинескопа 8. Электронный луч в кинескопе под действием токов, протекающих в катушках 6 и 7 строчной и кадровой разверток, обегает экран. Закон движения электронного луча в кинескопе идентичен закону развертки луча в передающей трубке. Чтобы начало и конец движения электронного луча в кинескопе совпадали с началом и концом развертки электронного луча в видиконе, импульсы синхррниза- ции согласуют действия генераторов разверток приемного и передающего блоков. Под влиянием видеосигнала ток электронного луча кинескопа флюктуирует и вызывает различное высвечивание экрана по его полю. Образуется изображение, геометрически подобное рассматриваемому, но усиленное по яркости. Связь между передающим и приемным блоками может быть осуществлена как по радиоканалу, так и по кабельной линии связи. При наличии кабельной связи устройство телевизионной аппаратуры несколько упрощается. Ряд узлов в передающем и приемном блоках совмещается. В последние годы для передачи видеосигнала стало возможным применять оптические линии связи: передавать сигнал по лазерному лучу или по стекловолокну. Этой проблеме в книге отведен специальный раздел. В связи с потребностью передачи оптического изображения на значительные расстояния в зарубежной технике нашли применение малокадровые системы телевидения. За счет снижения частоты кадров, например до долей герц, удается сузить полосу передаваемых частот и выиграть в дальности связи между абонентами без повышения мощности передатчика. Но слабые стороны есть и у малокадровых систем телевидения. Прежде всего это медленная передача информации. Полученное сеобщение запаздывает и не соответствует реальному масштабу времени. Разновидностью телевизионных устройств являются фототелевизионные передающие автоматы. Они представляют собой синтез передающей телевизионной системы с фоторегистрирующим прибором. Примером может служить зарубежная самолетная разведывательная аппаратура. В ней фоторазведывательный прибор фиксирует на пленке картину местности. Затем 68
фотопленка ускоренно проявляется, и воссозданное изображение с фотопленки телевизионной системой преобразуется в электрический сигнал. Усиленный видеосигнал по каналу связи передается на приемный пункт, где может быть снова восстановлено изображение на экране кинескопа и зафиксировано на магнитной ленте или перефотографировано на фотоматериал. Отмеченные преимущества делают перспективными фототелевизионные устройства при передаче изображений с космических аппаратов. На Земле принятым видеосигналом модулируется по яркости луч лазера, который записывает изображение на специальную пленку, не требующую химической обработки,— она проявляется нагревом. Готовые снимки получаются через 1 мин после пролета над объектом. Не только в воздухе, но и под водой надежно работает телевизионная техника. Используемая в ВМС США подводная система AN/WQXA состоит из подводной передающей камеры, источника подсветки и телеприемника с видеомагнитофоном. К этой телекамере разработана стереоскопическая приставка, которая в 1,5 раза повышает эффективность подводного поиска и на одну четверть сокращает время осмотра подводных объектов. В зарубежной печати имеются также сведения о применении телевизионных лазерных систем для задач навигации подводных лодок в погруженном состоянии. ТЕПЛОВИЗИОННЫЕ РАСПОЗНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА Аэрофоторазведка порой становится неэффективной из-за применения противником широкого спектра средств оптической маскировки объектов под фон ландшафта. Для обнаружения внешне невидимых инфракрасных источников и объектов, составления тепловых карт местности выпускаются специальные оптико-электронные приборы, именуемые тепловизорами. Принципиально эти приборы могут «фотографировать» в любом участке оптического спектра. „Однако свое применение они нашли только в ИК диапазоне, где другие оптические средства не чувствительны. Спектральная область действия тепловизоров ограни- 69
чена лишь прозрачностью атмосферы да спектральными свойствами оптических элементов устройства. Изображение в тепловизорах воссоздается не сразу по всему полю зрения, как это происходит в фотоаппаратах или ночных приборах на основе ЭОП. Оно образуется поэлементным просмотром пространства, напоминающим телевизионную развертку. Последовательный обзор пространства принято называть сканированием. Сканирование выполняется оптико-механическим устройством (сканером), введенным в оптическую схему ИК радиометра. ИК радиометр — это простейший оптико-электронный прибор, состоящий из объектива и приемника излучения. В тепловизоре сканер качает в пространстве визирную ось ИК радиометра по одной или двум взаимно перпендикулярным координатам. В зарубежных тепловизорах воздушной разведки сканирование осуществляют по одному направлению. Принцип действия подобного прибора можно пояснить схемой (рис. 4.7). ИК излучение в узком телесном угле зрения поступает на зеркальную грань призмы- сканера. Отразившись, оно светосильным зеркальным объективом / собирается на фотоприемнике 2, чувствительном в окне прозрачности атмосферы. Для повышения чувствительности фотоприемник охлаждается криогенным устройством. Электрический сигнал, пропорциональный оптическому сигналу, с выхода приемника излучения усиливается и направляется для управления током электронного луча кинескопа. На его экране формируется неподвижное световое пятно в виде точки, яркость которого зависит от облученности фотоприемника. Светящееся пятно с экрана кинескопа проекционным объективом 3 переносится на фотопленку. Если заставить призму вращаться, то приемник излучения начнет последовательно просматривать подстилающую поверхность вдоль координаты X, перпендикулярной направлению полета. На пленке при этом запечатляется световая строка переменной освещенности. Просмотр вдоль направления полета по координате Y совершается движением самого носителя. Форма траектории сканирования не имеет принципиального значения для работы тепловизионной ап- 70
Рис. 4.7. Принципиальная схема авиационного тепловизора: / — зеркальный объектив; 2 — фотоприемник; 3 — проекционный объектив паратуры. Важно, чтобы законы сканирования при обзоре местности и записи изображения были тождественны. Пленка в тепловизоре продвигается синхронно перемещению изображения наблюдаемой поверхности, поэтому на ней фиксируется построчная запись тепловой карты местности вдоль маршрута носителя. Плотной и без пропусков укладки строк друг к другу на фотопленке добиваются подбором угловой скорости вращения сканера. Тепловой рельеф рассматривается после проявления пленки. На рис. 4.8 показана тепловая картина траулера. 71
Зарубежные специалисты считают, что кроме фотопленки изображение тепловой карты можно записать и на магнитную ленту, а для текущего контроля за изображением тепловая карта может выводиться на экран индикатора. Тепловизоры достаточно термочувствительны. Они позволяют заме- рис. 4.8. Теплограмма рычать на ПОДСТИлаЮЩеЙ ПО- боловецкого траулера верхности перепады температур иногда до сотых и менее долей градуса Цельсия. Для тепловизоров характерно, что, подобно филину, они с наступлением ночи «видят» лучше, чем днем. Перспективными системами тепловидения за рубежом считают многоканальные устройства, визуализирующие тепловой рельеф одновременно в нескольких участках спектра. Многоспектральная съемка охватывает внушительный спектральный участок (1 14 мкм) и потому способствует предельной достоверности оптической разведки. В США уже принята на вооружение многоспектральная система разведки AN /ASS-24, чувствительная в 24 раздельных зонах оптического спектра. С целью большей выразительности тепловой карты запись визуализированного на ней изображения может быть исполнена в условных цветах. Каждая градация температуры на такой карте отмечается определенным цветом. Участкам с высокой температурой присваивают, например, красные тона, холодным — синие. Изображение становится похожим на раскрашенную географическую карту. Естественно, красочное отображение теплового объекта не имеет ничего общего с его действительным цветом, но оно наглядно и удобно для изучения. Военное применение тепловидения не ограничивается одной разведкой. За рубежом тепловизоры используют для ночного прицеливания из самолетов, танков, 72
вертолетов. Их называют ИК станциями переднего обзора. Отличительный признак ИК станций состоит в том, что пространство в них осматривается оптическими средствами только по одной координате, а по другой координате развертка достигается линейкой приемников излучения. Электрические сигналы от каждого элемента линейки приемников снимаются одновременно и поступают в устройство отображения, где и формируют визуализированную строку. При сканировании линейка фотоприемников просматривает все пространство поля зрения, и в такт с ней на экране устройства отображения пробегают визуализированные строки, заполняя полностью кадр. С помощью микропроцессоров и многоэлементных приемников можно производить обработку сигналов в ИК станциях и эффективно выявлять цели на фоне помех. Обработанная информация поступает на приборную доску с ЭЛТ или на лобовое стекло, где одновременно фиксируются точка цели, точка прицеливания и карта местности. Зарубежная печать отмечает, что масса ИК станции составляет 48 кг, стоимость превышает 53 тысячи долларов. Дальность действия И К обзорных устройств при хорошей метеорологической видимости может простираться до 18 20 км и не зависит от уровня внешней освещенности, если они работают в области спектра 8~ 14 мкм. "Чувствительность аппаратуры оценивается в 0,1 0,5 °С. По сообщениям зарубежной печати, производство матричных ИК приемников еще несовершенно, сопряжено с большими затратами, но уже существуют матрицы, содержащие 5625 фотоприемников, рассчитанные на работу в области спектра 8 14 мкм. Особенность этих матриц в том, что они требуют .глубокого охлаждения во время работы (до 20 К). Примером тепловизионной системы с матричным приемником ИК излучения, состоящим из 60 элементов, служит прицел AN/TAS-4 для наведения противотанковой управляемой ракеты (ПТУР) «Toy». Перезаряжаемая батарея автономного питания и баллон с жидким газом для охлаждения матрицы приемников излучения рассчитаны на непрерывную работу в течение 2 ч. Масса прицела 7,25 кг. 73
Английский прицел «Хаукер Сидли» для ПТУР «Милан» массой 4 кг позволяет обнаруживать танки и личный состав на дальностях 2 и 1 км соответственно. Он рассчитан на работу в течение 3 ч. Преимуществами подобной тешювизионной техники является то, что ее действие не зависит от времени суток, задымленности поля боя, аппаратура обладает достаточно высокой для ночных условий дальностью обнаружения целей (3500 м). Фирма «Дженерал электрик» изготовила матричный приемник излучения размером 128X128 чувствительных элементов, что способствовало повышению чувствительности и дальности действия тешювизионной техники. Ориентировочная стоимость ИК станций на основе рассмотренного приемника составляет 200 ... 300 тыс. долларов. Отсутствие эффекта ослепления от вспышек взрывов и осветительных средств противника, обнаружение целей, укрытых растительностью и маскировочными сетями, возможность передачи изображений по каналам связи способствуют тому, что, несмотря на огромные затраты, тепловизионная техника за рубежом интенсивно набирает силу. СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТРАТЕГИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ Сведения о противнике, его военном и экономическом потенциале обычно добываются средствами разведки. За рубежом разведку подразделяют на тактическую, когда получаемая информация используется в основном в интересах планирования боевых действий, и на стратегическую. Стратегические данные разведки нужны для формирования политики и осуществления военных мероприятий не только в военное, но и в мирное время. По мнению пентагоновской военщины, роль разведки, которая была важной и в прошлом, приобретает особо ответственное значение сейчас, когда ракетно-ядерный потенциал достиг невиданных размеров. Подчеркивается, что именно разрушительная мощь современного оружия плюс точность его доставки к намеченной цели обращают разведку в залог победы. Поэтому разведка рассматривается за рубежом как 74
неотъемлемая часть военного потенциала противоборствующих сторон. «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать»,— гласит поговорка. Поэтому исстари военная информация приобреталась визуальными средствами. Великая Отечественная война не была исключением. Из книг о войне мы знаем, как в тылы врага засылались бесстрашные разведчики. С риском для жизни они собирали материал о противнике, доставляли «языка». Информация стекалась по крупицам, на это уходила масса времени. Что же изменилось в наш стремительный век? Появление современных средств борьбы расширило сферу деятельности разведки, причем не только в военное время, но и в мирное. К разведке за рубежом выдвигается ряд серьезных требований: минимальное время на обнаружение, высокая точность опознавания и определения местонахождения противника, высокая скорость обработки разведывательной информации и наглядность ее отображения. Решение поставленных проблем военные специалисты стран НАТО связывают как с совершенствованием летательных аппаратов, способных доставлять разведывательные средства в район наблюдения, так и с развитием разведывательного оборудования и новых приемов ведения технической разведки. В последние десятилетия за границей прослеживается откровенное внимание к оптическим средствам разведки. Не сбрасывая со счетов визуальные приемы наблюдения и совершенствуя их эффективность за счет внедрения новейших зрительных систем, иностранные специалисты огромные силы затрачивают на создание таких оптических средств разведки, которые готовы работать в автоматическом режиме, ,а по своим тактическим возможностям превосходят не только зрительную систему человека, но и открывают новые приемы видения. Для целей разведки оптическое оборудование устанавливается на различных летательных аппаратах. Среди разнообразных носителей аппаратуры разведки в США и в других странах НАТО известны самолеты- разведчики стратегической и тактической авиации, например RF-4, /?S-135, OV-IB «Мохаук». На их борту, 75
как правило, наряду с РЛС переднего обзора имеется многочисленное аэрофотографическое оборудование. В зависимости от обстоятельств оно может быть дополнено другой оптической аппаратурой разведки: телевизионной, тепловизионной, лазерной. Разнообразие техники, чувствительной в различных участках спектра электромагнитного излучения, способствует более полному извлечению необходимых данных о противнике. Очень важно, чтобо1 информация при передаче и обработке не задерживалась во времени и соответствовала действительному состоянию обстановки в текущий момент. Поэтому полученная информация зачастую, как отмечает зарубежная печать, обрабатывается на борту самолета и в ряде случаев может передаваться с борта воздушного носителя по радиоканалу в центр управления. Там она собирается, обрабатывается с помощью ЭВМ и отображается на индикаторах обстановки. Отфильтрованная с помощью ЭВМ информация далее может быть направлена в вышестоящее звено управления, и там на экранах систем отображения коллективного пользования приводятся сведения как о противнике, так и о своих силах. Анализ оперативной обстановки позволяет руководству принимать боевые решения. Возможности стратегической разведки, по мнению иностранной прессы, возросли в связи с освоением космоса. Военные ИСЗ, как отмечается в США, решают следующие задачи: ведение оптической, электронной и радиотехнической разведок, обеспечение навигации и связи подвижных объектов, борьба с ИСЗ и другие не менее важные задачи. Достоверность стратегической информации, по сведениям американских военных, от космической разведки составляет 90%, причем если в мирное время эта информация используется на 50 %, то в военное время ее значимость возрастет до 100%. Именно поэтому расходы на технические средства разведки в США составляют не менее 4 млрд долларов в год, и эта сумма не предел. В результате использования имеющихся средств разведки, по заявлениям американских специалистов, 76
США удается получать в других странах разнообразную информацию о состоянии военно-экономического потенциала и составлять прогноз его развития, иметь представление о размещении группировок войск, военных и промышленных объектов, производить оценку топливно-энергетических ресурсов. По данным технической разведки, в частности об испытаниях новых образцов техники, специалистам под силу оценить эффективность вооружения противника, определить масштабы военных учений, проверить выполнение условий договоров об ограничении стратегических вооружений, следить за испытаниями ядерного оружия. В задачу космической разведки входит также наблюдение за воздушным и Мировым океанами, управление действием истребительной авиации, ведение радиоэлектронной борьбы. Наиболее многочисленная, около 40 %, группа военных спутников США занята оптической разведкой с низких орбит. Оптическая техника орбитальных шпионов, как отмечается за рубежом, способна высматривать из космоса места расположения стартовых позиций ракет, военных баз, кораблей, воинских соединений. Указывается, что если в былое время координаты военных объектов, других стратегических пунктов тщательно засекречивались, то с появлением спутников- шпионов такой тайны больше нет. Создались условия, позволившие держать под наблюдением не только приграничные районы, но и глубокие тылы противника, удаленные за тысячи километров. Прошло двадцать с лишним лет с момента запуска в США первого разведывательного спутника «Самос», оборудованного длиннофокусной фотокамерой, которая обеспечивала разрешение на местности до 0,5 м. К 70-м гг. разведывательные спутники США, как сообщают информационные агентства, уже могли определять местоположение отдельных объектов, позиций ракет с точностью до 10 30 м. В качестве разведывательных спутников в эти годы США запускали спутники видовой разведки «Биг Бёрд». Орбиты спутников проходили через высоты 137 ... 527 км, а время жизни составляло 50 200 сут. Каждый разведывательный спутник «Биг Бёрд», как теперь известно, оснащался двумя аэрофотоап- 77
паратами и ИК аппаратурой. Обзорное фотографирование выполнялось фотокамерой с фокусным расстоянием объектива /' = 610 мм на пленку с разрешением 180 лин/мм, что обеспечивало на местности разрешение не менее 1 м с типовых орбит ИСЗ. При детальном фотографировании второй камерой фокусное расстояние объектива достигало /' = 2440 мм. Разрешение на местности увеличивалось, как считают американские специалисты, до 0,3 0,5 м при разрешении пленки 400 лин/мм. По иным зарубежным сведениям, с высоты 112 км (нижайшей точки орбиты) спутникам удавалось замечать еще более мелкие детали на поверхности Земли (порядка 15,2 см). Зарубежные специалисты считают, что для распознавания из космоса военных объектов на местности достаточно иметь разрешение 6 м, чтобы обнаружить подводную лодку, 4,5 м — увидеть мост, 30 м—различить городской район, 1,5 м — заметить самолет, а 0,9 м — РЛС. Один из фотоаппаратов ИСЗ, как отмечается иностранной печатью, был рассчитан на съемку в диапазоне 0,4 0,9 мкм. Разрешение фотообъектива по полю кадра достигало в среднем 80 лин/мм. Установка оптимальной экспозиции задавалась автоматически от фотоэлектрического датчика, учитывающего интегральную освещенность объекта. Точность линейных измерений по снимку соответствовала точности топографической карты масштаба 1:50 000. Отснятая фотопленка с борта спутников-шпионов в капсулах сбрасывалась на Землю, где она подбиралась поисковой группой. У спутников «Биг Бёрд», как видно из сказанного, достигалось достаточно высокое разрешение на поверхности Земли, позволяющее опознавать военные объекты. Однако доставка фотоматериалов на Землю в капсулах создавала задержку в получении разведывательной информации, поэтому с 1983 г. спутники «Биг Бёрд» не запускаются, хотя, по официальным сведениям, четыре таких спутника вместе с носителями находятся в законсервированном состоянии на чрезвычайный случай. По мере совершенствования американских ИСЗ и оборудования разведки время на передачу инфор- 78
мации удалось сократить до 1 ч и передавать ее на Землю практически в реальном масштабе времени. Такую возможность открыли усовершенствованные спутники фоторазведки типа Л7/-11, которые выводятся на более высокие орбиты. Это позволило продлить время жизни спутников в рабочем состоянии до 700 сут, но привело к потере разрешения на местности до 1,1 3,0 м. Правда, сейчас в США имеется мнение о возможности запуска спутника Д7/-11, способного маневрировать на орбите и спускаться на малые высоты для улучшения разрешения аппаратуры. Основным элементом аппаратуры нового типа спутника фоторазведки является решетка из кремниевых диодов, заменившая фотопленку. На ней, подобно телевизионной системе, под действием света возникают заряды, которые считываются и по радиоканалу передаются на Землю. На Земле сигналы дешифруются, преобразуются в сигналы изображения и фиксируются на фотоматериале или дисплее ЭВМ. Спутники фоторазведки, как отмечают зарубежные специалисты, позволили определять даже модификацию пусковых шахт. А с помощью средств радиотехнической разведки (спутники «Феррет», «Носе») дополнительно удается опознавать тип боевой части, установленной на ракете. Возможности космической разведки значительно возросли благодаря применению современных активных и пассивных ИК систем, телевизионных приборов. Они представляют возможность анализа оптических характеристик целей, составления тепловых карт подстилающих поверхностей. В США признают, что отличные перспективы для совершенствования разведки открывают многоспектральные системы, размещенные на ИСЗ. Съемка объектов одновременно в разных участках спектра позволяет выявлять форму объектов, их строение, цвет, контраст, насыщенность. Такой аппаратурой уже оборудованы спутники серии «Лэндсат». В качестве целевого оборудования на спутнике установлены спектро- зональная телекамера, работающая в трех участках спектра в диапазоне 0,47 0,83 мкм, и четырехканаль- ный радиометр MSS с разрешением на местности 70 м. Передача оперативной информации на Землю 79
обычно осуществляется аппаратурой дальней связи, которая вначале переадресует информацию с борта спутника «Лэндсат» на спутник слежения TDRSy находящийся на более высокой орбите, а оттуда информация ретранслируется земным абонентам. В центр управления на территории США данные разведки могут быть переданы с помощью другого спутника связи «Домсат». Столь сложная цепь передачи сигналов обеспечивает глобальную связь и доставку информации потребителю с минимальной задержкой по времени. Один спутник «Лэндсат» в состоянии осуществить обзор почти всей поверхности Земли в течение 18 сут. Полный фотомонтаж территории, подобной США, может быть выполнен с использованием 570 изображений, тогда как для фотографирования той же площади с самолета, как сообщает зарубежная печать, требуется 30 тыс. аэрофотоснимков. Стратегическую информацию США пытаются выжать не только из военных сведений о противнике. В ход идет все. Например, спутник «Лэндсат-3» тоже оборудован спектрозональной камерой, но предназначен для мирных исследований. По его снимкам, в частности, производится оценка урожаев. Однако имея такой спутник и обладая привилегией в более точной оценке урожая в других странах, причем на ранней стадии вегетации растений, США удается, своевременно манипулируя ценами на мировом рынке, ежегодно выколачивать дополнительные прибыли до 300 млн долларов. Эти же спутники предполагается использовать и для определения ущерба, наносимого противнику применением оружия массового поражения. Для выявления результатов нанесения ядерных ударов по объектам противника США располагают специальной серией ИСЗ. Это спутники НДС. Они фиксируют факт, время, район, ориентировочную мощность взрыва. Обычно на круговых орбитах, близких к экватору, с высотой 112 000 км функционируют 4 таких спутника. На их борту находятся датчики электромагнитного излучения, в том числе и видимого спектра. Милитаристские силы США рассматривают космическое пространство и как наиболее приемлемую 80
сферу для раннего предупреждения о запусках межконтинентальных ракет, а также о полетах стратегических бомбардировщиков. Такие задачи поставлены перед спутниками DSP и ИМЕЮС. Спутники ИМЕЮС, оборудованные ИК датчиками, позволяют обнаруживать пуски ракет спустя 30 с после старта. Как только ракета выходит из облаков, ее засекают ИК датчики и осуществляют передачу информации о скорости и курсе ракеты наземным постам командного центра. После подъема ракеты над горизонтом ее продолжают сопровождать посты РЛС в Англии, Аляске, Гренландии. Данные от РЛС по спутниковым каналам связи немедленно передаются в тот же командный центр. Обычно на стационарных орбитах высотой 36 000 км одновременно функционируют 3 4 ИСЗ типа ИМЕЮС, просматривая зоны Индийского, Атлантического и Тихого океанов. На этих же спутниках размещены также датчики регистрации ядерных взрывов. С целью выявления радиационной обстановки, создающейся в результате выпадения радиоактивных осадков от ядерных взрывов, в США намечено использовать аппаратуру метеорологических спутников. Например метеоспутник «Блок 5С» имеет сканирующий радиометр и четыре датчика. Радиометр рассчитан на одновременное получение изображений в видимой и ИК областях спектра. Датчики чувствительны к излучению оптического спектра. Имеются сообщения иностранных средств информации, что в США разрабатывается оптическая система раннего обнаружения пуска ракет противника, получившая шифр СОФАС. В качестве обнаружителя в системе намечено использовать, радиометры длинноволнового ИК излучения, которые устанавливаются на ракетных ускорителях. Ракеты с подобными ускорителями будут запускаться после того, как с постов наземных РЛС раннего обнаружения поступят данные о пуске стратегических ракет противника. ИК датчики сообщат о размерах и характере нападения в реальном масштабе времени. В качестве чувствительных элементов радиометров будут использованы ПЗС матрицы. Если, как отмечает западная пресса, в 1983 г. 81
количество чувствительных элементов могло быть доведено до 4096, то в 1987 г. их число довели до 106 Достаточно развитой системой в США признана спутниковая навигационная сеть. Навигационные спутники используются для обеспечения кораблей, подводных лодок и военных самолетов данными для определения их координат. Эти спутники применяются также для увязки геодезических систем разных стран, что необходимо для определения взаимных координат объектов. Если сейчас спутниковая навигационная система «Навстар» позволяет определять местоположение объектов с точностью до 50 м, то в будущем, когда система будет укомплектована 18 спутниками, точность может быть повышена, по иностранной оценке, до 20 м. Океанографические спутники США измеряют волнение моря, скорость ветра, температуру воды, обнаруживают течения, осуществляют поиск подводных лодок. Многочисленной группой ИСЗ представлена в США спутниковая связь, радиотехническая и электронная разведка, метеорологическая разведка. А впереди в США намечены и реализуются очередные проекты по разработке новых средств космической разведки, новых средств доставки их в космос. Так, в США планируется до 1994 г. 113 из 311 полетов космических кораблей типа «Челленджер» осуществить в военных целях. С помощью таких кораблей уже делались попытки замены на орбите военных спутников, выработавших свой ресурс. А «кандидатом номер один» на вывод в космос таким кораблем является спутник- шпион нового поколения /(//-12 (по сообщению газеты «Балтимор сан»). ДЕМАСКИРОВКА ОБЪЕКТОВ И ДЕШИФРОВКА ОПТИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ По сути, оптическую демаскировку можно рассматривать как контроль качества маскировочных мероприятий неприятеля. Основная задача демаскировки — увеличить контраст целей с фоном настолько, чтобы выявить их присутствие. Очевидно, что применение увеличительной оптики, 82
рассматривание целей при большом уровне освещения сказывается благоприятно на демаскировке. Но этого недостаточно. Нужны технические средства, хотя и они смогут оказаться нерезультативными, если нет у дешифровщика личного опыта, отсутствуют знания законов оптики и живой природы. В общем случае полагают, что практически невозможно замаскировать большие сооружения так, чтобы их нельзя было бы обнаружить с воздуха, применяя современную технику. Визуальное наблюдение, цветная пленка, ИК фотография, ЭОП, современные средства дистанционного зондирования тепловых полей дают наглядные результаты при обнаружении замаскированных объектов. Определенная тактика маскировки лишь затрудняет обнаружение замаскированного объекта, но не может полностью воспрепятствовать обнаружению. При демаскировке используется та особенность, что контрасты, создаваемые на снимках в разных участках оптического спектра, могут резко отличаться по величине и характеру распределения от контрастов, воспринимаемых глазом человека. Визуализированные изображения могут быть совершенно непохожими на реальные объекты. Происходит так по той причине, что спектральная чувствительность у технических средств, особенно в ИК диапазоне, имеет иной вид, чем у глаза. Кроме того, из-за различия коэффициентов отражения и излучения яркости объектов по спектру совсем не совпадают с визуальными яркостями. Поэтому на ИК снимке, к примеру, можно заметить такие детали, которые при визуальном наблюдении совершенно сливаются с фоном; иногда на снимке можно обнаружить обратный контраст объектов. Вот некоторые примеры. Человек с темными волосами, брюнет, в ИК области спектра 0,7 1,2 мкм выглядит блондином. Интересно, что и смуглая кожа в ИК области воспринимается более светлой. Это явление каждый из нас ощутил на себе, когда загорал на Солнце. Задумывались ли вы над тем, почему при длительном световом облучении ваша кожа обгорает? Казалось бы, она белого цвета и должна хорошо отражать свет! Причина кроется в том, что в ИК диапазоне мы — черные 83
Як т^у//& Е 1^ Зщ! ^нЮ у \ Ш^в т^^Вьь w Рис. 4.9. Фотография листа дерева: внизу — в видимой области; вверху — в ИК области и поглощаем львиную долю солнечной энергии. Кожа не выдерживает, воспаляется, что, однако, совсем не грозит человеку с темным покровом. Зависимостью контраста по спектру широко пользуются военные для выявления замаскированных целей. Вот что показывают исследования. Естественные объекты в ИК лучах обладают большим отражением, мало отличающимся для разных объектов, поэтому различить, например, разные породы лиственных деревьев в ИК спектре затруднительно. Напротив, объекты с искусственной окраской должны хорошо выделяться. Боевая техника, окрашенная под цвет ландшафта, глазу невидима, но в ИК спектре часто отлично прорабатывается. Очень просто найти для маскировки краски, которые имели бы такой же цвет, как трава или листва. Такие краски, снятые на панхроматическую пленку, будут сливаться с фоном. Однако оказывается, что многие обычные зеленые краски обладают очень выраженным поглощением в ИК области. Поэтому на ИК фотографиях они выглядят в виде темных пятен. Оптические свойства хлорофилла также крайне интересны для демаскировки. Из-за резкого изменения спектральных свойств хлорофилла листья деревьев в ИК диапазоне имеют более высокую отражательную способность, тогда как хвоя воспроизводится более темной. Поэтому трава и листва выглядят на ИК снимках светлыми, а на обычных — темными (рис. 4.9). В качестве маскирующего материала хорошие результаты дает, но на короткое время, свежесрезанная 84
растительность. Тем не менее определение тех мест, где была срезана листва, иногда может указать на наличие замаскированных объектов. Эффективным методом обнаружения маскировки за рубежом признано фотографирование объектов «до и после» с последующим сравнением в приборе (стереоскопе) полученных фотографий друг с другом. Этим приемом пользуются при фотографировании в видимой, ИК областях спектра, при визуализации изображений. Например, известно, что по данным спутниковой разведки составляются тепловые карты различных районов. Они дают наглядное представление о распределении температуры не только по поверхности, но и по глубине до нескольких метров. Оказывается, что сравнение тепловых карт, получаемых на протяжении многих лет, позволяет вскрывать их динамику, а по ней выявлять наличие засекреченных объектов, укрытых слоем земли. Прогресс в технике демаскировки привел к необходимости испытания новых маскировочных мероприятий в местах базирования межконтинентальных ракет. Именно по этим соображениям американские военные специалисты поначалу хотели новые МБР MX упрятать в шахты, укрытые в гранитных породах. В таких укрытиях космические средства разведки не могут обнаружить ракеты. Несмотря на высокое разрешение разведывательной аппаратуры, имеются большие трудности при дешифровке фотоснимков, полученных даже в видимой области. Первоначальная фаза дешифровки состоит в создании стереопары изображений, полученных с определенным перекрытием, так как объемное изображение увеличивает информативность. Для измерения геометрических размеров объектов по снимку используют специальный фотограмметрический прибор, дающий истинный размер /: l = dH/fy где d — размер изображения на снимке; Н — высота фотографирования; / — фокусное расстояние объектива при съемке. Размеры высот по фотоснимку оцениваются по размеру теней и времени фотографирования, которое указывает на высоту Солнца в момент фотографирования. Последующее дешифрирование осуществляется так. Если на снимке замечен новый объект, например стартовая площадка, дешифровщик сначала делает пред- 85
положение, что она относится к ракетной технике. Затем, применяя знания в области ракетной техники и опыт по дешифровке аналогичных снимков, точно определяет назначение объекта. Сравнение снимков, сделанных в разное время, позволяет на дисплее выявить только их изменения. Поскольку упаковка для систем вооружения имеет специфические внешние формы, то по ее виду можно дополнительно сказать о типе скрытого вооружения. Из-за трансформации контрастов в ИК лучах, большого объема информации на снимке наблюдателю подчас трудно быстро и четко ориентироваться в непривычной для восприятия картинке. На ее осмысление уходит много времени, а дешифровка требует высокой квалификации. Как отмечается в печати, в ФРГ были даже открыты специальные курсы по подготовке де- шифровщиков по фото, ИК и РЛС изображениям. Во время подготовки такие специалисты учатся дешифровать сложные фотографии в условиях жесткого режима времени, изучают общие сведения по структуре и тактике видов вооруженных сил. Ускорить процесс переработки информации принципиально позволяет автоматизация распознавания получаемых псевдоизображений. Устройства распознавания оптического изображения за рубежом создаются на базе вычислительной техники. В связи с неформальным подходом к ряду этапов процесса расшифровки изображения полная автоматизация распознавания еще не достигнута, последнее слово остается за человеком. В целом же зарубежные специалисты считают, что проблема автоматизации дешифрирования делает только начальные шаги на этом пути. 5. УГЛОМЕРНЫЕ ПРИБОРЫ Угломерные приборы — самая развитая группа приборов оптической техники. Многообразные по конструкции и по точности оптико-механические и оптико- электронные средства могут определять угловые координаты целей в выбранной системе координат, прокладывать ориентирные направления на местности. Среди военных угломерных приборов встречаются стереотрубы и перископы, буссоли и теодолиты, секстаны и пене
ленгаторы, локаторы и автоколлиматоры. Множество других специализированных оптических угломерных устройств нашло применение в военной топографии, геодезии. Обычно оптико-механические угломерные приборы выполнены по единой кинематической схеме: телескопическое оптическое устройство связано с поворотными механизмами, которые позволяют ориентировать визирную ось в вертикальной и горизонтальной плоскостях и измерять ее направление в угловых единицах. Вертикальные углы принято отсчитывать от горизонтальной плоскости. Индикатором горизонта в угломерных приборах являются цилиндрические или круглые пузырьковые уровни, которые чрезвычайно чувствительны к малейшим наклонам. В плоскости горизонта углы откладываются либо от выбранного ориен- тирного направления, либо от истинного или магнитного меридианов. Углы, отсчитанные от меридианов, называют азимутами. За магнитным азимутом сохранилось и другое название —буссоль. Исторически сложилось так, что в военных приборах углы измеряют не в градусной мере, а в системе более простой и удобной для выполнения огневых задач. За единицу измерения принят угол, называемый тысячной ди-станции, сокращенно — т. д. Этот угол получен делением окружности на 6000 частей, что в градусной мере составляет 3,6' Значит, 360 град — это 6000 т. д. Цель, видимая под углом в 1 т. д., оказывается равной 1/1000 дистанции до цели. Отсюда и появилось название «тысячная дистанции». Ценным свойством избранной меры пользуются для перевода угловых величин в линейные, не прибегая к математическим таблицам. Если размер цели/ -известен и она воспринимается наблюдателем под углом а, выраженным в т. д., то дальность D до цели можно прикинуть в уме по очевидной формуле D=1000 l/a. Изображаются и читаются углы в виде двух пар цифр, например 32-08, а при передаче углов голосом дается следующая команда: тридцать два-ноль восемь. Первая пара цифр означает сотни тысячных, вторая — десятки и единицы тысячных. Фактически приведенная запись соответствует 3208 тысячным. Разбивка чисел 87
Рис. 5.1. Измерительный механизм угломерного прибора: /—червяк; 2—шкала точного отсчета; 3 — оптический визир; 4 — шкала грубого отсчета; 5 — указатели; 6 — червячное колесо на две группы упрощает их передачу и восприятие. Во время боя удобнее передавать и запоминать короткие команды. Отсчеты тысячных в измерительных механизмах угломерных приборов, как правило, снимают или вводят по двум шкалам: грубого и точного отсчетов. Грубая шкала оцифрована в сотнях тысячных, точная — в десятках и единицах тысячных дистанции. Устройство измерительного механизма угломера поясняется на рис. 5.1. Основой его является кинематическая пара червячное колесо — червяк. Червячное колесо 6 жестко связано с оптическим визиром 3. При повороте червяка 1 на один оборот червячное колесо 6 разворачивается на 1/60 окружности. Поэтому на шкале грубого отсчета 4, совмещенной с колесом, нанесено 60 делений. Шкала отсчета 2 разбита на 100 частей. Отсчеты снимают относительно указателей 5, укрепленных на корпусе прибора. Если деления на шкале 2 нанесены плотно друг к другу, то их можно рассматривать через лупу. АРТИЛЛЕРИЙСКАЯ СТЕРЕОТРУБА Стереотруба служит основным наблюдательным и угломерным инструментом артиллерийских подразделений. Она является необходимой принадлежностью наблюдательных и командных пунктов. Стереотрубу применяют для изучения поля боя, определения углов между целями и вычисления их угловых размеров. Она незаменима при выполнении корректуры стрельбы, так как обладает огромным радиусом стереоскопического восприятия (пластика прибора П=110).
Прибор (рис. 5.2) состоит из двух зрительных труб /, держателя 2, горизонтального лимба 4, механизма бокового уровня 9 и треноги 6. Горизонтируется стереотруба по круглому уровню 8 при раздвижке ног треноги 6. Для наведения на цель, а также измерения горизонтальных углов используется горизонтальный лимб 4, состоящий из нижнего и верхнего червячных механизмов. Ориентирующий червяк 7 нижнего червячного механизма необходим только для разворота стереотрубы вокруг вертикальной оси. Измерение же углов производится измерительным червяком 5 верхнего червячного механизма. При его вращении поворачиваются лишь зрительные трубы, тогда как ориентирующий червяк 7 остается неподвижным. Диапазон измерения горизонтальных углов составляет ±60-00, ошибка их измерения не более одной тысячной, т. е. 3,6' При горизонтальной наводке разворот стереотрубы и измерение углов совершаются одним и тем же механизмом. Иначе обстоит дело при оценке вертикальных углов. Функции наведения и измерения здесь разделены. Качание трубы вокруг горизонтальной оси производится червяком 3 держателя, а измерение углов в диапазоне ±3-00 выполняется механизмом бокового уровня 9, который укреплен на правом окуляре 10 стереотрубы. Оптическая схема зрительного канала стереотрубы принципиально не отличается от оптической схемы на рис. 2.6. Это — перископическая телескопическая си- Рис. 5.2. Стереотруба: / — зрительные трубы; 2 — держатель труб; 3 — червяк держателя; 4 — горизонтальный лимб; 5 — измерительный червяк; 6 — тренога; 7- ориентирующий червяк; 8 — круглым уровень; 9 — механизм бокового уровня; 10 — окуляры 89
Рис. 5.3. Сетка стереотрубы стема, ее увеличение 10х, поле зрения 5 град. Для улучшения видимости при наблюдениях сквозь дымку, при ярком белом фоне или сильном освещении на окуляры 10 стереотрубы насаживаются желто-зеленые светофильтры. Они срезают голубые лучи и подчеркивают контраст цели на окружающем фоне. На рис. 5.3 показан вид сетки, установленной в правом зрительном канале. Расстояние между штрихами сетки в определенном масштабе соответствует угловому полю зрения величиной 00-05. Наложив штрихи сетки на изображение цели, можно оперативно оценить угловые размеры цели и дистанцию до нее. Поясним, как это делается. Пусть изображение цели на сетке уместилось между двумя большими штрихами. Значит, ее угловой размер составляет 00-10. Если цель опознана, например это танк длиной 5 м, то не составит труда вычислить дальность до него: D=1000 //а=Ю00Х Х5/10=500 м. Таким же образом пользуются сетками и в наблюдательных приборах. ПЕРИСКОПИЧЕСКАЯ АРТИЛЛЕРИЙСКАЯ БУССОЛЬ Буссоль (рис. 5.4) — многофункциональный прибор. Он необходим главным образом для измерения магнитных азимутов различных направлений (буссолей) Однако прибор пригоден и для определения горизонтальных и вертикальных углов. В буссоли выделяются следующие основные части: ориентир-буссоль, ориентирующий механизм, оптический визир, угломерные механизмы вертикальной и горизонтальной наводки. Отличительным узлом прибора является ориентир- буссоль /. Это немагнитная коробка, внутри которой 90
находится магнитная стрелка, вращающаяся на острие иглы, подобно стрелке в компасе. Под действием земного магнетизма стрелка всегда устанавливается в направлении магнитного меридиана, относительно которого и задается направление на цель или ориентир. Действуя на ориентирующий червяк 8, плавно поворачивают буссоль вокруг вертикальной оси. Когда риски С—Ю на корпусе прибора согласуются с остриями концов магнитной стрелки, буссоль будет выставлена по магнитному меридиану. Ошибка ориентирования прибора по магнитному меридиану составляет 00-02. Оптическая схема визира 4 буссоли подобна схеме монокуляра бинокля. Наводится оптический визир на цель вращением привода механизма горизонтальной наводки 6 и привода механизма вертикальной наводки 2. Горизонтальные углы измеряются в пределах ±60-00, вертикальные углы — в пределах ±3-00. Зеркальный перископ 5 расширяет тактические возможности прибора. Благодаря ему удается наблюдать за полем боя из укрытия. Для этого перископ надо закрепить в наклонном положении, удобном для обозрения из укрытия. Как же обращаться с буссолью при измерениях? Например, чтобы найти азимут цели, артиллерийскую буссоль шаровой пятой 9 крепят к треноге, приводят прибор в плоскость горизонта по встроенному уровню и ориентируют по линии магнитного меридиана. Затем, глядя в окуляр 3, наблюдатель разворотом буссоли 91 Рис. 5.4. Артиллерийская буссоль: У — ориентир-буссоль; 2 — привод механизма вертикальной наводки; 3 — окуляр; 4— оптический визир; 5 — зеркальный перископ; 6 — привод механизма горизонтальной .наводки; 7 — шкала; 8 — ориентирующий червяк; 9 — шаровая пята
вокруг вертикальной оси совмещает перекрестие сетки визира с целью. Азимут цели снимается по буссольной шкале 7 Положительным качеством артиллерийской буссоли является то, что ориентирование возможно в любое время суток, оно не зависит от состояния погоды. Однако точность ориентирования направления недостаточна для выполнения некоторых современных задач стрельбы. Погрешности буссоли объясняются магнитыми возмущениями, воздействующими на магнитную стрелку ориентира-буссоли. Чтобы устранить ошибки ориентира-буссоли, к прибору придается оптическая астрона- садка. Она позволяет по известным звездам на небосводе выставить прибор по астрономическому (истинному) меридиану и рассчитать поправку ориентира- буссоли. В другом приборе ориентирования — гиротеодолите избавиться от магнитной стрелки и сохранить ориен- тирное направление позволяет гироскопическое устройство. Точность ориентирования возрастает в десятки раз. Основное ориентирное направление, сформированное буссолью, передается огневым средствам для их наводки. Для этого оружие снабжается универсальными угломерными приборами. Одним из них является орудийная панорама. ОРУДИЙНАЯ ПАНОРАМА Орудийная панорама давно завоевала симпатии артиллеристов. Ее применяют в качестве угломерного визира орудийных прицелов. С помощью панорамы принимается ориентирное направление, производится наводка полевой ствольной и реактивной артиллерии. Оптическая схема прибора показана на рис. 5.5, а. На ней изображены: защитное стекло /, головная поворотная призма 2, компенсирующая призма /5, объектив 14, окулярная призма 13, сетка 12 и окуляр //. Увеличение оптики Г=4Х Головка панорамы, состоящая из защитного стекла / и прямоугольной призмы 2, вращается вокруг вертикальной оси, чем и достигается обзор пространства. Вследствие вращения головной призмы в поле зрения 92
Рис. 5.5. Орудийная панорама: а — оптическая схема; б — внешний вид / — защитное стекло; 2—головная поворотная призма; 3— привод механизма вертикальной наводки; 4—поворотная головка; 5—механический визир; 6— шкалы; 7 — привод механизма горизонтальной наводки; 8 — корпус; 9 — окуляр; 10 — хвостовик; // — окуляр; 12 — сетка; 13 — окулярная призма; 14 — объектив; 15 — компенсирующая призма окуляра, к сожалению, происходит наклон изображения. Чтобы его устранить, в оптический ход введена компенсирующая призма 15, которая вращается синхронно с головной призмой, но на угол, вдвое меньший. Тогда изображение, воспринимаемое наблюдателем, остается прямым при любом положении головной призмы. Для расширения угла обзора головка панорамы может качаться и относительно горизонтальной оси. По внешнему виду орудийная панорама (рис. 5.5, б) напоминает коленчатую трубку, состоящую из корпуса 8 и поворотной головки 4, совершающей круговой обзор пространства. Именно за это свойство визир именуют панорамным. Визир удобен тем, что при пано- 93
рамировании местности его окуляр 9 не смещается в пространстве. Разворот головной и компенсирующей призм производится приводом механизма горизонтальной наводки 7, а отсчеты горизонтальных углов снимаются по шкалам 6. Вертикальное наведение панорамы осуществляется качанием поворотной головки вокруг горизонтальной оси благодаря вращению привода 3. Панорама крепится в прицеле хвостовиком 10. Для предварительного наведения на цель в ней предусмотрен механический визир 5. ПЕРИСКОПЫ ПОДВОДНЫХ ЛОДОК Перископы подводных лодок применяются для обзора поверхности океана и воздушной сферы, служат целям навигации, обеспечивают прицеливание при торпедных атаках. На подводных кораблях нашли место несколько видов перископов. Среди них командирский перископ предназначен для обзора пространства, вычисления пеленга и дистанции до цели; навигационный перископ необходим, когда возникает потребность определиться в океане по небесным светилам. На рис. 5.6 представлен зенитный перископ. Он состоит из двух труб: наружной и внутренней. Наружная труба воспринимает гидростатическое давление. Это прочный корпус перископа. Внутренняя составная труба заполнена оптикой, собранной по сложной телескопической схеме (рис. 5.6,а). Изображение в приборе строится объективом 16, а необходимую перископич- ность создают три линзовые оборачивающие системы I, II, III, сопрягаемые через коллективы 13 и 14. Для герметичности перископа его наружная труба закрыта головным обтекателем /. Действие кривизны обтекателя на ход световых лучей компенсируется линзой 2. Перископ снабжен двумя переключающимися окулярами //. Один окуляр — наблюдательный, другой — измерительный, позволяющий вычислять скорость и курсовой угол цели, дальность до нее. 94
Линзу перемены увеличения. 15 можно передвигать вдоль оптической оси в одно из двух фиксированных положений. При этом изменяется увеличения В одном увеличение масштаб перископа, положении составляет Iх, в другом—5х , что соответствует полям зрения 40 и 8 град. Ручка 6У перемещающая линзу 15, выведена на нижнюю головку 8 перископа. Расширение угла обзора в перископе совершается как разворотом всей трубы перископа вокруг вертикальной оси, так и качанием призмы-куба 3 вокруг горизонтальной оси. Поворот перископа, а также качание призмы выполняются рукоятками 7 Отсчеты горизонтальных углов между направлением линии визирования перископа и осью подводной лодки, а также относительно магнитного меридиана снимаются по лимбам азимутального круга 5. Для этого азимутальный круг свободно надет на наружную трубу перископа и жестко связан с корпусом подводной лодки. Отсчет углов может производиться в поле зрения окуляра. Для этого Рис. 5.6. Перископ подводной лодки: а — оптическая схема; б — внешний вид / — головной обтекатель; 2 — линза, компенсирующая кривизну обтекателя; 3 — призма-куб; .4 — верхняя- головка; 5 — азимутальный круг с лимбами; 6 — ручка смены увеличения; 7 рукоятка поворота перископа; 8 — нижняя головка; 9 — окуляр; 10 — зрачок выхода; 11 — переключающий окуляр; 12 — сетка; 13, 14 — коллективы; 15 — линза перемены увеличения; 16 — объектив; I, II, III— оборачивающие системы 95
предусмотрена специальная оптическая система переноса изображения штрихов лимба в плоскость сетки 12 окуляра. К конструкции перископа предъявляются жесткие требования: водонепроницаемость, малые изгибы и вибрации трубы при движении корабля, отсутствие влаги внутри прибора. Даже при полной герметизации перископа влага, находящаяся внутри него, способна конденсироваться на холодных элементах оптики; особенно это заметно в головной части, выступающей над поверхностью воды. С явлением конденсации прекрасно знакомы те, кому приходится носить очки. Зимой, да и вообще в холодную погоду, попадая с улицы в теплое помещение, стекла очков запотевают, видимость теряется. То же происходит и в перископе. Чтобы исключить запотевание оптики, внутренняя труба перископа периодически продувается сухим воздухом от специального механизма осушки. Сухой воздух осушает внутреннюю полость. Перископ поднимают, когда подводная лодка находится на перископной глубине. Над поверхностью океана при этом выступает только верхняя головка 4 перископа. Она и служит тем «окном», через которое подводная лодка связывается с внешним миром. Наблюдатель размещается у нижней головки 8 перископа. Свой глаз он совмещает со зрачком выхода 10 телескопической системы, который в конструкции перископа совмещен со срезом наглазника окуляра 9. Удаление головной части перископа от нижней головки составляет 7...9 м. Размер перископа типа XI американского атомохода и того больше, он доходит до 15 м. Современные навигационные перископы выглядят сложнее. Это — угломерные устройства, вычисляющие координаты места нахождения подводного корабля астрономическим способом. По координатам светил, их высотам и азимутам путем пересчета на ЭВМ отыскивается местоположение подводной лодки в океане. В навигационном перископе типа XI американской стратегической подводной лодки это делается так. Оптическая ось прибора ориентируется на навигационную звезду. Для этого оператор поворотом головной призмы ловит звезду в центр сетки окуляра. Как только совмещение выполнено, по углам поворота 96
призмы с высокой точностью отсчитывается высота и азимут светила. Чтобы избавиться от влияния качки корабля на измерения, головная призма перископа установлена на стабилизированной платформе. ТЕПЛОПЕЛЕНГАТОРЫ Как считают зарубежные специалисты, с появлением ракетного оружия, когда время доставки ядерных зарядов в любую точку земного шара стало исчисляться минутами, проблемы поиска и обнаружения целей резко обострились. Чтобы заблаговременно привести в действие средства защиты от нападения, требуется своевременно обнаружить пуски ракет противника. Проблема эта не из простых, и ее реализации способствует ИК техника. Специалистами установлено, что ракеты во время полета, танки, корабли, а также артиллерийские орудия после первого же выстрела оказываются сильными источниками инфракрасного излучения. Поэтому поиск и обнаружение теплоизлучающих целей, определение их угловых координат удобно выполнять с помощью приборов ИК техники — теплопеленгаторов. Они обладают высоким угловым разрешением, имеют малую массу и габариты, их удобно размещать как на кораблях, самолетах, так и на объектах космической техники, а в отличие от РЛС им к тому же не страшны радиопомехи. Каковы же тактические возможности теплопеленгаторов? Расчеты иностранных специалистов показывают, что факел запущенной ракеты, вышедшей из плотных слоев атмосферы, теоретически может быть зафиксирован на расстоянии до 5000 км, если, конечно, обеспечена прямая видимость. В зоне земной атмосферы по известным причинам дальность засечки инфракрасных целей во много раз снижается. Отмечают, однако, что и в этих неблагоприятных условиях ИК аппаратура порой дает лучший результат, нежели радиолокатор. Такие ситуации возникают, например, при действии целей на малых высотах, когда на работу радиолокатора влияют помехи от поверхности Земли. Принципиальная схема теплопеленгатора дана на 4 Зак. 66 97
Рис. 5.7. Принципиальная схема теплопеленгатора: / — избирательный фотоприемник; 2 — зеркальный объектив рис. 5.7. По такой схеме был построен, например, немецкий теплопеленгатор «Киль-4». В нем пространство последовательно просматривается «игольчатым» полем зрения оптики и отыскивается источник излучения. Сканирование по заданному закону производит система поиска, качающая зеркальный объектив 2. Оптическое излучение, собираемое объективом 2, направляется на избирательный фотоприемник 1. Если в поле зрения появляется тепловая цель, на приемнике возникает электрический сигнал. Он усиливается и выдается индикатору — системе отображения цели. При работе сканирующего устройства электронный луч индикатора совершает такие же движения по двум координатам, как и оптическая ось объектива. Электронным лучом управляет система разделения координат, вырабатывающая электрические сигналы, пропорциональные повороту объектива, т. е. устройство тепло- пеленгатора напоминает действие тепловизионной системы. Отличие их в том, что в теплопеленгаторе отпадает надобность визуализировать структуру просматриваемого теплового поля. Важно только выявить цель. Поэтому световая метка на экране индикатора должна вспыхнуть лишь в тот момент, когда цель попадает в поле зрения. В остальных случаях экран не должен светиться и отвлекать наблюдателя. Координаты световой метки оцениваются по масштабной сетке, нанесенной на экран индикатора. 98 f>
Очевидно, что для обнаружения желательна такая аппаратура, которая обнаруживает цели на возможно далеких рубежах. Однако беспредельно увеличивать радиус действия теплопеленгатора нельзя. Мешают случайные помехи внешнего и внутреннего происхождения. Экран индикатора мерцает от выброса шумов, и метка от цели на их фоне может остаться незамеченной или, наоборот, шумовая вспышка света окажется принятой за цель. Обнаружение цели на фоне шумов носит вероятностный характер, поэтому при поиске возможны как ложные тревоги, так и пропуски цели. Зарубежные специалисты считают, что человек- оператор в таких устройствах является не вполне надежным звеном. Нервное напряжение, усталость притупляют остроту восприятия, снижают работоспособность. Поэтому наряду с теплопеленгаторами визуального контроля за рубежом созданы автоматические системы поиска целей и определения их координат, называемые координаторами цели, которые широко распространены в тепловых головках самонаведения, астропеленгаторах. ОПТИЧЕСКИЕ ЛОКАТОРЫ В последние годы за рубежом прослеживается усиленное внимание к лазерным средствам военного назначения. Высокая плотность энергии, излучаемой лазером, малая угловая расходимость лазерного пучка и потому высокая направленность излучения позволяют создавать аппаратуру с характеристиками, которые считались недостижимыми при использовании более длинных радиоволн. С помощью оптической системы диаметром 1 м лазерное излучение видимого диапазона может быть сконцентрировано в луч с расходимостью 1 мкрад. В этом случае на дальности 1000 км вне атмосферы получается пятно размером в 1 м. По зарубежной оценке, уже более половины произведенных лазеров предназначено для военных ведомств. Сейчас на вооружении армии США и стран, входящих в НАТО, находится значительное количество лазерных систем и устройств различного назна- 4* 99
чения. Указывается, что только в США существует или находится в стадии разработки 26 видов оружия с лазерными источниками. Среди них — приборы оптической локации объектов. Тонкий лазерный луч высокой интенсивности позволяет создавать поисковые и следящие устройства активного типа, обнаруживающие в окружающем пространстве цели весьма малых размеров. Оптические локаторы конкурируют с радиолокаторами, если атмосфера достаточно прозрачна в оптическом диапазоне спектра. Считается, что лазерная система может производить точное измерение азимута, угла места воздушных целей и дальности на расстоянии до 19 км. Эксперименты показывают, что лазерный локатор, обеспечивающий измерение дальности, значительно повышает возможность не только обнаружения, но и классификации целей. Утверждается, что с помощью лазерного локатора можно даже идентифицировать тип танка. Это одна из причин, по которой лазерному локатору отдается предпочтение перед радиолокаторами миллиметрового диапазона, угловое разрешение которых значительно хуже. Немаловажным преимуществом является и скрытность лазерного локатора. Поэтому весьма актуальной в США признана разработка подвесных контейнеров с лазерными локаторами для военных вертолетов. Оборудование предназначено для распознавания танков и аналогичных им целей, а также должно предотвращать столкновение вертолетов с наземными препятствиями. Сообщают, что в эксперименте лазерный локатор обнаруживал полевой кабель диаметром 3,2 мм с расстояния в 500 м, а линии электропередачи — с дистанции 1650 м. Лабораторией вооружений ВМС США объявлен конкурс на предварительное изучение проблем, связанных с созданием крылатых ракет, оборудованных лазерными локаторами, способных поражать в глубине обороны противника мобильные и неподвижные цели. При этом на лазерный локатор возлагается множество ответственнейших задач. Например, отслеживание рельефа местности и препятствий на высоте менее 60 м; наведение на среднем участке траектории с целью обе- 100
спечения следования ракеты вдоль автомагистралей и рек; периодическое обновление данных для бортовой инерциальной системы наведения; наведение на конечном участке траектории путем получения детальных снимков; наконец, измерение дальностей до целей и распознавание их по конфигурации. Отмечается, что хотя лазер локатора, излучающий на длине волны 10,6 мкм, не одинаково эффективен при любой погоде, погодные условия Западной Европы позволяют на высотах менее 60 м пользоваться локатором 90% времени. Оптический локатор способен также определять скорости целей, используя эффект Доплера. В зарубежной печати сообщается о таких лазерных устройствах с радиусом действия до 40 км, которые следят за снарядами и самолетами. В иностранной прессе указывается и на иные возможности оптических локаторов — лидаров. Построенный на принципе.взаимодействия света с веществом лидар может быстро и точно оценить степень загрязнения атмосферы. В Швеции, например, проходит испытания такой прибор. На расстоянии до 20 км он определяет наличие серы, озона, двуокиси азота, пыли, паров воды. 6. ОПТИЧЕСКАЯ ДАЛЬНОМЕТРИЯ Для прицельной стрельбы из оружия важно точно рассчитать дистанцию до цели. Ошибки определения дальности — это обязательные промахи при выстреле. В простейших случаях определить дальность удается по картам местности, но чаще военные обращаются к помощи техники. Для этого дальность измеряют радиодальномерами или с помощью оптических инструментов. Радиодальномеры характеризуются большим радиусом действия, высокой точностью измерения дальности. Однако в полной мере их достоинства раскрываются при слежении за воздушными целями, контрастными на фоне неба. При работе по наземным объектам результат иной. По причинам малой контрастности целей и фона измерения становятся грубее. Радиопо- 10!
мехи со стороны противника также ограничивают действие радиодальномеров. Отмеченных недостатков лишены оптические инструменты и, как утверждают иностранные специалисты, в полевых условиях они одерживают верх над радиодальномерами. Десятки лет на вооружении армий мира широко применялись оптико-механические дальномеры. Прогресс в науке и технике привел к тому, что появились лазерные дальномеры. Как сообщает зарубежная печать, теперь многие армии оснащаются современной дальномерной техникой, обладающей повышенной точностью измерения. ЛАЗЕРНЫЕ ДАЛЬНОМЕРЫ Лазерная дальнометрия была первым шагом в боевом марше лазерной военной техники. На вооружение за рубежом были приняты импульсные лазерные дальномеры, по принципу работы схожие с радиодальномерами, но отличающиеся лишь длиной волны излучения. Дальность оценивается временем прохождения световой волны до цели и обратно. Поэтому импульсные дальномеры (рис. 6.1) состоят из передающего и приемного блоков. В передающем блоке в качестве излучателя выбирают лазерный источник света обычно с длиной волны в ИК диапазоне спектра. При включении дальномера на выходе лазера вспыхивает короткий импульс света длительностью порядка 10-9 с. Излучение лазера проходит оптическую систему /, уменьшающую расходимость лазерного луча, и облучает цель. Часть световой энергии при выходе из оптической системы отбирается призмой 2 и направляется на фотоприемник 3. Электрический сигнал, снимаемый с этого фотоприемника, через усилитель управляет блоком стробирования. Как только появляется электрический сигнал, блок стробирования открывается, и калиброванные временные импульсы от генератора временных импульсов беспрепятственно проникают в счетчик. Счет временных импульсов производится до тех пор, пока в приемном блоке не появится отраженный от цели импульс света. Отраженное излучение собирается 102
Генератор временных импульсов 5Л0Н стробирования\ импульсов Очетчин | ^\индинатор чорменных I—»н дальности К цели I От цели ^npMJHJWUJ)JWK_ Рис. 6.1. Принципиальная схема импульсного лазерного дальномера: /—оптическая система; 2 — призма; 3, 6 — фотоприемники; 4 — светосильный объектив; 5 — оптический фильтр объективом 4, и на фотоприемнике 6 возникает электрический сигнал, который запирает блок стробирова- ния. Доступ временных импульсов в счетчик прекращается. Число импульсов, записанное на счетчике, это мера времени прохождения световой волны до цели и обратно. Зная это время /, а также скорость света, расстояние до цели D можно рассчитывать по формуле D=0,5 tc, где 0,5 t — время прохождения света до цели по счетчику, ас — скорость света. В приборе такой пересчет происходит автоматически в вычислительном блоке, а значение дальности высвечивается на табло индикатора дальности. Измерение дальности достигается с помощью одной посылки света. Погрешность измерения в лазерных дальномерах армии США составляет 5... 10 м; она зависит только от длительности световой вспышки. Чем короче световой импульс, тем точнее дальномер. За рубежом уже появились дальномеры с ошибкой измерения^ м (дальномер США LRR—104 Мк IV). На дальность действия прибора влияние оказывают мощность лазера, чувствительность приемника, прозрачность атмосферы. Чтобы фоновое излучение не забивало полезный оптический сигнал, в приемном блоке установлен оптический фильтр 5, прозрачный только для лазерного излучения. 103
Для светомаскировки работающего дальномера и снижения негативного воздействия атмосферы на прохождение лазерного излучения в дальномерах широко применяются лазеры, излучающие в ИК диапазоне спектра (обычно на длине волны 1,06 мкм). Такое излучение характерно для лазеров на основе алюмо- иттриевого граната или стекла, активированного неодимом; оно незаметно для зрения человека. В качестве фотоприемников для дальномеров, с учетом длительности светового импульса и длины волны излучения, подходят кремниевые фотодиоды. Увеличение дальности действия лазерных приборов в условиях дыма и запыленности атмосферы западные военные специалисты связывают с использованием длинноволновых лазеров, излучение которых соответствует длине волны 10,6 мкм. Дальномер с таким излучателем был предложен фирмой «Хьюз эйркрафт» для танков типа «ХМ-\». Для наведения в дальномере установлено визирное оптическое устройство, построенное по телескопической схеме. Поле зрения его на много больше угловой расходимости лазера, поэтому наблюдатель без труда захватывает цель оптикой. Чтобы луч лазера точно осветил избранный объект в пространстве, дальномер разворачивается до совмещения перекрестия сетки с намеченной точкой. Недостатки лазерных дальномеров, как следует из иностранной печати, вызваны сложностью опознавания отраженных сигналов при наличии в зоне облучения лазера посторонних объектов. Особенно многочисленны эхо-сигналы на пересеченной местности, в лесу, а также при наложении нескольких целей, разнесенных по глубине, в створе лазерного луча. Для селекции отраженных сигналов во многих зарубежных дальномерах предусматривается ступенчатое или плавное изменение дальности действия дальномера. Счетчик такого прибора запирается на время прохождения ложных импульсов от близких объектов, и на индикаторе высвечивается дальность только от выбранной цели. В других моделях дальномеров на их цифровых индикаторах одновременно могут отображаться дальности до двух объектов, попавших в поле зрения лазе- 104
pa. Для этого применяют сложные электронные схемы со стробированием. Индикаторы таких дальномеров, как LAT, 77W-10, могут, например, сигнализировать одной, двумя или тремя освещенными точками о наличии в створе луча лазера соответственно одного, двух или трех объектов. В современных зарубежных дальномерах (например, AN/VVSA, ГС1/-29, IML-11105) высвечивается одна дальность, но особое электронное устройство запоминает значение дальностей до двух объектов, например до танка и расположенного за ним леса. В поле зрения наводчика при этом включается световой сигнал о появлении двух эхо-сигналов. Благодаря запоминающему устройству можно ручным переключением вывести на цифровое табло индикатора любую из двух дальностей, измеренных за одну световую вспышку лазера. Для удобства работы в ряде лазерных дальномеров иностранных фирм отображается и дополнительная информация: выдается условный сигнал, если цель окажется ближе минимальной дальности действия дальномера (это системы VML-11201, LP7), регистрируется промах луча лазера по выбранной цели, если луч без отражения уходит выше линии горизонта (дальномер L/?/?-103), сигнализируется недостаточность мощности излучения лазера или недопустимый разряд автономного источника питания прибора. С целью достижения надежной селекции импульсов цели в зарубежных дальномерах иногда применяют электронные блоки с автоматической регулировкой усиления по времени. Максимальному усилению подвергаются сигналы, которые приходят с наибольшим запаздыванием, т. е. самые слабые сигналы от наиболее удаленных целей. Для повышения надежности совмещают лазерные дальномеры с оптическими. Такое решение было найдено в западногерманском танковом прицеле-дальномере EMESA2. Для защиты глаз наблюдателя от излучения собственного лазера в оптическую схему визира дальномера вводят светофильтр (дальномеры 18LV2, LP7) или непрозрачную шторку (в дальномерах 77W-10, 105
7P-1050L), которая перекрывает поле зрения прибора в момент генерации излучения. В настоящее время за рубежом созданы десятки разновидностей импульсных дальномеров. Их устанавливают на танках, самолетах, кораблях, применяют для выполнения артиллерийских задач. Большое значение придается разработке дальномеров-биноклей малой массы, дальномеров для измерения коротких дистанций (до 100... 150 м). Отмечают, что дальность действия известных лазерных дальномеров составляет 0,2... 10 км для боевых машин и до 30 км у артиллерийских систем. Масштабы внедрения лазерных дальномеров характеризуют следующие данные, взятые из зарубежной литературы: в США в течение 5 лет предполагается разместить лазерные дальномеры на 3767 танках «М60-ЛЗ», а к 1987 г.— на 4092 танках типа «ХЛМ». Точность импульсных лазерных дальномеров недостаточна для производства геодезических работ. Значительно точнее расстояние определяют фазовые све- тодальномеры. При применении фазового метода измеряется разность фаз между посланным на объект лучом и отраженным от него. На основе фазового метода разработано большое количество совершенных моделей отечественных и зарубежных дальномеров. На фазовом принципе измерения работают свето- дальномеры СД-3 и ИК квантовый дальномер ГД-314, приборы СГ-2 и 2СМ-2. Источниками света в фазовых дальномерах служат светодиоды, испускающие некогерентный свет, или полупроводниковые лазеры. Последние обладают более монохроматическим излучением. Излучение в фазовых дальномерах непрерывное, свет модулируется по синусоидальному закону масштабной частотой. Для реализации высокой точности измерения дальности в конце дистанции ставится блок уголковых отражателей. Он представляет собой набор четырехгранных призм, по действию схожих со световозвращателями, которые размещаются на автомобилях. Основным свойством уголковых отражателей является то, что пучок лучей после отражения от них возвращается 106
в обратном направлении строго параллельно падающему пучку лучей. Отраженный от уголкового отражателя пучок света собирается объективом фазового дальномера на приемнике излучения — фотоумножителе. Одновременно на фотоумножитель подается опорное напряжение. После фотоумножителя происходит сравнение по времени (фазе) ответного сигнала с опорным. Фазовые дальномеры оказались самыми точными оптическими измерителями расстояний. У некоторых точность составляет от 5 до 50 мм. Основные недостатки прибора связаны с необходимостью установки отражательного элемента на объекте, до которого оценивается дистанция, а также с потребностью сложного вычислительного устройства, обеспечивающего расчеты дальности. ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ДАЛЬНОМЕРЫ Оптико-механические дальномеры уже десятки лет исправно несут воинскую службу. Заметим сразу, что они менее точны, чем лазерные дальномеры. Погрешность измерения к тому же у них растет с увеличением дальности до цели. И тем не менее от них нельзя полностью отказаться. Таким приборам не страшны многие помехи, присущие лазерным системам, они пассивны и не привлекают своим действием внимание противника. В основу измерений в оптико-механических дальномерах положен геометрический принцип вычисления стороны треугольника по другим его известным элементам. Рассмотрим треугольник ЛЕС (рис. 6.2). Пусть в нем известны сторона АЕ=В и углы г и у, а сторону АС примем равной измеряемой дистанции D. По теореме синусов имеем АЕ AC n Bsinv — =—: , отсюда D = —: *-. sin e sin у sin б В случае, если треугольник АЕС прямоугольный и угол е весьма мал, то sin у=1, a sine=e. Тогда D = B/e. Таким образом, для определения дистанции D необходимо задаться базой В и измерить угол е, который 107
Рис. 6.2. Параллактический треугольник называют параллактическим углом. В качестве базы В может служить известный размер цели, расстояние между пунктами наблюдения либо расстояние между входными окнами дальномера. В военной практике находят применение дальномеры со всеми отмеченными видами баз: с базой на цели, с базой на местности и внутрибазные дальномеры. С работой дальномера с базой на цели мы уже встречались на страницах этой книги при определении дистанции по сетке стереотрубы (см. рис. 5.3). Дальнометрией с базой на местности широко пользуются в навигации для измерений траекторий ракет и спутников. Для определения координат точек траектории по трассе полета размещаются угломерные приборы, причем каждая точка засекается одновременно с двух постов наблюдения кинотеодолитами. Погрешность измерения, как указывают, достигает 0,1%. Это значит, при дальности 10 км ошибка измерения составит 10 м. Особенность дальнометрии с базой на местности состоит в том, что между парой смежных постов должна создаваться надежная связь, обеспечивающая синхронизацию измерений. На танках, в артиллерии, на кораблях ВМФ применяют внутрибазные дальномеры с базами от 0,3 до 3 м типа ДС-09 и ДМС-3. Однако известны дальномеры и с большими базами, до 10...12 м. Оптические внутрибазные дальномеры бывают двух типов: монокулярные и стереоскопические. Монокулярные приборы менее удобны для военных, их чаще можно увидеть в бытовой фототехнике для измерения расстояния до объекта фотографирования. Военные предпочитают стереоскопические дальномеры (рис. 6.3). Измерение дальности основано на явлении стереоэффекта, который возникает при восприятии предметов двумя глазами. Поэтому стереодальномер имеет пару телескопических систем, входные окна которых разне- 108
Рис. 6.3. Оптическая схема стерео дальномера: /, 7 — оптические отражатели; 2, 5 — объективы; 3, 4 — специальные призмы; 6 — оптический компенсатор; 8, 13 — ромбические призмы; 9, 12 — оптические пластины; 10, 11 — окуляры сены на величину базы В. Оптические отражатели / и 7 стереодальномера направляют лучи света от цели в объективы 2 и 5. Затем, пройдя специальные призмы 3 и 4, которые наклоняют лучи на 90 град и одновременно их оборачивают в одной плоскости, пучки лучей проходят ромбические призмы 8 и 13 и строят два изображения в фокальных плоскостях окуляров 10 и //. 8 этих же плоскостях находятся оптические пластины 9 и 12 с нанесенными на них марками. Марки имеют вид ромбов и располагаются на оптических осях телескопических систем, поэтому пучки лучей от марок выходят из окуляров параллельно друг другу, и наблюдателю кажется, что он видит одну объемную марку, расположенную в бесконечности. Если цель находится на бесконечно далеком расстоянии, то наблюдатель видит ее совмещенной по глубине с измерительной объемной маркой, при этом р=0. Когда цель удалена на конечное расстояние, лучи света, попадающие во входные окна стереодальномера, окажутся направленными друг к другу под углом е. В фокальной плоскости это проявится смещением в одном из каналов изображения с оптической оси на 109
величину линейного параллакса р=С2—С\. Цель и марка в этом случае воспринимаются на разной глубине пространства. Измерение дальности выполняется совмещением по глубине изображения цели и центральной марки с помощью оптического компенсатора 6, который приводится в движение рукой наблюдателя через кинематическую передачу. Смещение компенсатора ликвидирует линейный параллакс, и снова цель и марка кажутся на бесконечности. По величине смещения компенсатора судят о дальности до цели. Стереоскопический дальномер является чрезвычайно чувствительным инструментом. Его чувствительность достигает порой долей угловых секунд. Достоинства прибора из-за этого оборачиваются для него недостатками. Удары, тряска, неравномерный нагрев от Солнца в процессе работы вызывают перекосы оптических деталей, что приводит к нестабильности параллактического угла и появлению ошибок измерения. Военные обычно применяют более совершенные малорасстраиваемые дальномеры, например артиллерийский измеритель дальности ДС-09. Пределы измерения дальности у него составляют 400...16 000 м; увеличение прибора 14х; база £=0,9 м; масса 8,8 кг. 7. НАВИГАЦИОННЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОПТИЧЕСКАЯ НАВИГАЦИЯ Мореплавание, дальние полеты самолетов и космических кораблей невозможны без приборов, обеспечивающих их движение по заданной траектории. Эта задача решается методами и приборами мореходной, воздушной и космической навигации, которые способны определить местоположение корабля или летательного аппарата, обеспечить ориентацию его опорных осей относительно выбранной системы координат, рассчитать величину и направление скорости движения. Существует множество приемов навигации, они основаны на измерении различных физических парамет- 110
ров,.которые тем или иным путем связаны с навигационными параметрами. Уже древнегреческие мореплаватели применяли простейшие, приближенные методы определения положения корабля по небесным светилам. С течением времени астрономические приборы и методы их применения совершенствовались, особенно в эпоху великих географических открытий (XV...XVI вв.). Своего значения астрономия не утратила и после того, как применили магнитный компас. Знаменитый мореплаватель Колумб, открывший Америку, отмечая ненадежность работы и ошибки компасов, говорил: «Существует лишь одно безошибочное корабельное исчисление — это астрономическое; счастлив тот, кто с ним знаком». Но в то время умели находить только географическую широту. Поэтому, выйдя из порта, корабль обычно направлялся по меридиану до той широты, на которой находился порт назначения, а уже достигнув ее, следовал к месту назначения вдоль параллели, контролируя свое положение наблюдением за Полярной звездой. Лишь много позднее, в XVI...XVII вв., научились измерять долготу. Более точно долготу и широту стали определять только после создания в 1761 г. точных часов — хронометров с использованием разновременного наблюдения высот светила. Таким образом, издавна человек использовал для навигации астрономические приемы определения координат, основанные на знаниц положения известных светил на небесной сфере. Астрономические методы навигации надежны. Они применяются и поныне, благодаря развитым оптическим и оптико-электронным навигационным приборам: секстанам, астропеленгаторам, астрокомпасам, оптическим вертикалям. Не потеряли своей актуальности и сейчас широко распространены обзорно-сравнительные средства навигации, обеспечивающие сравнение оптического изображения поверхности Земли с реальной окружающей обстановкой. Как астрономические, так и обзорно-сравнительные средства находятся непосредственно на борту корабля или летательного аппарата, поэтому навигацию они ill
обеспечивают в автономном режиме, не замыкаясь на управление с Земли. Автономные средства навигации удобны тем, что обладают высокой точностью, могут быть использованы в любом районе Земли, в космосе, если только их «зрение» не перекрыто облаками и туманом. В астрономической навигации для измерения координат принято звездное ориентирование. По положению известных светил на небе в определенное время можно вычислить координаты точки наблюдения. При выборе небесных светил в качестве астрономических ориентиров важное значение приобретает их положение на небесной сфере, яркость свечения, цвет свечения. Для целей наблюдения и пеленгации используют излучение светил не только в видимой, но и в ИК области спектра. Найти нужную звезду на небосводе — задача достаточно сложная, особенно если поиск ведется из кабины летательного аппарата, откуда обзор пространства ограничен. Для удобства ориентирования на небе группы звезд по их характерным рисункам взаимного расположения еще в древности были названы созвездиями. Созвездия получили собственные имена по сходству конфигураций групп звезд с очертаниями некоторых предметов, с фигурами героев легенд, животных. Это такие созвездия, как Большая и Малая Медведицы, Лира, Скорпион, Лев, Дева и др. В настоящее время звездное небо также разбито на созвездия, но теперь под созвездием понимают не группу звезд определенного очертания, а участок звездного неба. Сейчас на звездном небе насчитывается 88 участков-созвездий, из которых 60 просматриваются с территории СССР. Каждое такое созвездие имеет название. Самые яркие звезды созвездий обозначаются буквами греческого алфавита в порядке убывания их яркости (а, р, у и т. д.). Менее яркие звезды записываются буквами латинского алфавита (а, Ьу с и т. д.), а слабые звезды — цифрами 1, 2, 3... Около 130 самых ярких звезд получили еще и собственные имена: например, в созвездии Малой Медведицы — Полярная; в созвездии Большого Пса — Сириус и др. Видимая яркость звезд характеризуется определен- 112
ной величиной, именуемой блеском. Самые слабые звезды, видимые при нормальном зрении невооруженным глазом, относятся к звездам 6-й звездной величины. Человек с нормальным зрением видит над горизонтом одновременно около 2500 звезд до 6-й звездной величины, а в обоих полушариях насчитывается 5500 звезд, которые способен заметить человек. В мощный телескоп, однако, видны звезды более слабые, до 25-й звездной величины. По яркости они слабее звезд 6-й звездной величины в 107...108 раз. Самые яркие звезды на небе — это Сириус и Кано- пус. Величины их блесков составляют соответственно — 1,58 и —0,86, т. е. имеют отрицательные значения. Десять звезд имеют величину блеска от 0 до 1. Это такие звезды, как Вега, Арктур, Капелла, Альтаир. 41 звезда имеет блеск второй звездной величины, а 138 звезд горят ярче третьей звездной величины. Не все обилие звезд используют в навигации. Для этого выделяют самые яркие звезды, легко замечаемые на небе. Так, в авиационной навигации рекомендуется применять всего 26 звезд с блеском до второй звездной величины. В дневное время звезды не видны, поэтому для целей навигации берут Солнце, Луну, планеты солнечной системы. Солнце обладает блеском —26,5 звездной величины; блеск Луны равен —12,6; Венеры и Марса соответственно —4,3 и —2,8. Звезды различны не только по блеску, но отличаются спектром излучения. По окраске встречаются голубые, белые, желтые, оранжевые и красные звезды. Цвет их свечения зависит от температуры звезд. Красные звезды — холодные, имеют температуру 2000° С, голубые — самые горячие, обладают температурой до 30 000°С. Данный признак используется в автоматических навигационных приборах для опознавания нужных светил на звездном небе. СЕКСТАНЫ Для вычисления координат места летательного аппарата в навигации выбраны три системы координат: географическая, экваториальная и горизонтальная, из
совместное использование которых позволяет определиться в пространстве. Географическая система координат с началом в центре Земли служит для привязки координат к поверхности Земли. Положение летательного аппарата в географической системе задается тремя координатами: долготой А,, широтой ф и высотой Я. Положение небесных светил задается в экваториальной системе координат, начало которой совпадает с началом географической системы. Положение светила на небесной сфере однозначно определяется двумя углами: прямым восхождением а и склонением б. Достоинство экваториальной системы координат состоит в том, что в этой системе координаты звезд практически не изменяются со временем. Поэтому координаты звезд и планет хорошо изучены и приведены в астрономических справочниках, откуда данные могут быть всегда почерпнуты для навигационных расчетов. Горизонтальная система координат располагается в месте нахождения летательного аппарата, откуда и производится наблюдение за светилами. Основной определяющей плоскостью в этой системе координат является плоскость истинного горизонта, от нее производятся измерения. Тогда положение светила в горизонтальной системе координат определится высотой светила h над горизонтом и азимутом А. Высота светила — это угол от плоскости горизонта до направления на светило; азимут отсчитывается в плоскости горизонта от точки севера по часовой стрелке. Несмотря на то, что горизонтальные координаты объектов и светил изменчивы вследствие движения летательного аппарата и вращения Земли, их достаточно просто измерить с помощью оптических инструментов— секстанов и астрокомпасов. Если совместить все отмеченные системы координат, оказывается, что с помощью формул сферической тригонометрии можно вывести аналитические связи всех отмеченных координат. При этом для высоты светила h дается следующее выражение: sin /z=sin б sin ф+cos б cos ф cos (Srp— a±k), где Srp — гринвичское звездное время, выраженное в градусах; берется по данным хронометра из таблиц. 114
Поскольку для нахождения двух неизвестных ф и X одного уравнения недостаточно, то на практике определяют высоты для двух светил hi и /гг и решают систему двух уравнений. Эту же задачу можно выполнить графически путем проведения на географической карте двух кругов равных высот. Такой работой занимается штурман, который на карте делает необходимые построения. Высоты светил измеряют секстаном; идея его создания принадлежит Ньютону (1648... 1727 гг.). Работу секстана поясним рис. 7.1. Он измеряет высоту светила относительно линии горизонта. Часто, однако, горизонт отчетливо не прорабатывается или вообще не наблюдаем. Поэтому горизонт в приборе формируется искусственно, с помощью сферического уровня. Его воздушный пузырек указывает направление вертикали, принимаемое за начало отсчета высот звезд. Уровень в секстане располагают в фокальной плоскости объектива, отчего наблюдателю он кажется удаленным на бесконечность, подобно светилам. Угломерный механизм инструмента связан с качающейся полупрозрачной пластинкой, называемой главным зеркалом. Качанием главного зеркала совмещают изображение пузырька уровня с изображением светила, отраженным от главного зеркала. Когда изображения наложены друг на друга, оказывается, что угол z=2p, где z — измеренное зенитное расстояние, а (3 — угол между плоскостями неподвижного отражателя и главного зеркала. Таким образом, угол поворота главного зеркала относительно отражателя служит мерой зенитного расстояния г. Переход от зенитных расстояний к высотам светил трудностей не представляет: /г=90 град—2р. Шкала угломерного механизма, кинематически связанного с главным зеркалом, градуируется непосредственно в высотах светил. Для удобства в секстанах перед глазом наблюдателя помещается телескопическая труба с небольшой кратностью увеличения (2,2х ). От этого светило и изображение пузырька уровня просматриваются четче и потому точнее совмещаются. При работе ночью сферический уровень подсвечивается осветителем. На точность измерения секстаном оказывает значительное влияние ускорение носителя, вызывающее бес- 115
Рис. 7.1. Оптическая схема секстана порядочные колебания пузырька уровня. Вследствие этого одиночные отсчеты высот светил связаны со значительными погрешностями, достигающими десятков угловых минут. С ошибками измерения приходится бороться. Используется известный из математики прием. Погрешность среднего результата наблюдений может быть меньше в сравнении с ошибкой единичного измерения. Поэтому секстаном выполняют серию отсчетов в течение нескольких десятков секунд. Получаемые значения углов непрерывно усредняются специальным интегрирующим механизмом, запускаемым часовым приводом. Инструменты с интегрирующими устройствами удобнее, ошибки измерений составляют несколько угловых минут. Еще результативнее приборы, в которых для формирования вертикали вместо пузырькового уровня применено гироскопическое устройство. Секстан относится к категории отражательных угломерных приборов. В нем проявляется ряд неоспоримых достоинств. Визирование обоих предметов, между которыми измеряется угол, осуществляется не последовательно, как принято в известных угломерных при- 116
борах, а одновременно, и оно заключается в совмещении изображений объектов в поле зрения прибора. Такое техническое решение прибора позволило измерять углы с руки, не прибегая к неподвижной опоре. Точность измерения от этого не страдает. В авиации для измерения высот светил получил распространение перископический секстан. Он сочетает достоинства панорамного визира и рассмотренного секстана. Обзор пространства совершается поворотом головной части прибора / (рис. 7.2), штурман смотрит в окуляр 2, и при поиске светила положение его головы и тела не изменяется. Навигационная техника значительно продвинулась вперед в своем совершенстве в связи с освоением космоса, зарождением космической навигации. Сообщают, что за 30 лет космической эры конструкторам удалось на несколько порядков увеличить точность угловой ориентации осей космических аппаратов. Для космической навигации были созданы разнообразные визуальные и оптико-электронные устройства. Среди них отметим визуальный космический секстан типа РО-1. Пожалуй, по конструкции это один из сложнейших оптико-механических приборов, состоящий из сотни оптических элементов. Космический секстан устанавливается на иллюминатор, и с его помощью можно измерять углы между двумя небесными ориентирами Рис. 7.2. Перископический сек- -стан: / — головная призма; 2 — ручка смены светофильтров; 3 — окуляр; 4 — угловая шкала высот светил; 5 — рукоятка поворота головной призмы 117
с высокой точностью, в несколько угловых секунд. К секстану подключена бортовая ЭВМ, что позволяет снимать углы не только визуально, но и фотоэлектрически, непосредственно вводя их в вычислительное устройство. Астрономические наблюдения — это наиболее сложная, точная и ответственная работа из всех инструментальных работ, какие когда-либо приходилось выполнять человеку. Факторы, связанные с участием человека, относятся к наиболее тонким, но часто игнорируемым аспектам при разработке и эксплуатации оптической техники. От наблюдателя многое зависит, его навыки в работе с оптическими приборами должны быть доведены до автоматизма, чтобы до минимума свести субъективные ошибки измерений. ОБЗОРНО-СРАВНИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ Развиваясь от примитивных планшетов с географическими картами и оптических визиров, обзорно- сравнительные системы оказались важнейшим информационным звеном для пилотов воздушных кораблей. Они наглядно воспроизводят навигационную обстановку, а взаимодействуя с бортовыми ЭВМ, корректируют информационные датчики. Несмотря на многообразие технических средств, суть обзорно-сравнительных приемов навигации сводится к определению местоположения летательного аппарата путем сравнения местности, изображенной на карте или заложенной в память бортовой ЭВМ, с ее фактическим видом, воспринимаемым визуально или через бортовое оптическое оборудование. Наиболее развитым на практике и применяемым и поныне на всех пилотируемых средствах является визуальное ориентирование. В полете член экипажа наблюдает через окно кабины или оптический визир фактическую обстановку на местности и сравнивает ее с географической картой маршрута. Практическая точность визуальной ориентировки, как считают некоторые специалисты, составляет 0,3...0,6 км с высот полета 2...3 км и 2...4 км при полете на высотах 6... 10 км. Применение оптической наблюдательной техники заметно повышает точность навигации. Местоположе- 118
ние самолета может быть определено с погрешностью до 4% от высоты полета. Обзорно-сравнительные системы навигации обладают высокой достоверностью информации, качество наблюдения не зависит от географического района. Такие системы позволяют автоматизировать процесс навигации, им несвойственно накопление погрешностей определения координат. Затруднить их эксплуатацию могут только туман и облачность, из-за чего и усложняется полет, да отсутствие ориентиров на местности при движении над океаном, пустыней. Но применение ИК средств наблюдения, развитие электронной памяти некоторые из этих ограничений успешно устраняют. Необходимость всепогодного и регулярного движения воздушных кораблей вызвала потребность установки на борту одновременно нескольких обзорно- сравнительных систем, отражающих картины пролетаемой местности в различных диапазонах длин волн. До недавнего времени каждая такая система содержала свой индикатор, по которому оператор мог осуществлять управление полетом. Увеличение числа систем привело к тому, что оказалось невозможным разместить все индикаторы навигационной обстановки на рабочем месте оператора, а человек был уже не в силах грамотно воспринимать и перерабатывать одновременно поступающую информацию. Достаточно напомнить, что объем одной зрительной фиксации у человека составляет не более 4...8 не связанных между собой простейших сигналов, например, отличающихся формой, размером, цветом. Этот объем ограничивается возможностью кратковременной памяти мозга человека. Решить проблему эргономической совместимости обзорно-сравнительных систем навигации помогают современные средства отображения визуальной обстановки, различные проекционно-оптические устройства, управляемые ЭВМ, помогающие автоматизировать процессы измерения, анализа и вывода информации. Основными компонентами обобщенного обзорно- сравнительного комплекса (рис. 7.3) являются датчики / обзорно-сравнительной информации, которые получают изображение в разных оптических участках 119
Человек- оператор «ЗУ ИГО У Б h ЦВ Синтезатор НС\*\Д Селектор •Датчики Рис. 7.3. Функциональная схема об- зорно-сравнитель- ^ ного навигационного комплекса спектра, селектор, выделяющий наиболее информативное изображение при решении поставленной задачи, а также навигационная система НС, необходимая для определения положения летательного аппарата. Навигационная система состоит, в свою очередь, из кур- со вертикал и, системы счисления пути и высотомера. Дополнительно в навигационный комплекс введены цифровой вычислитель ЦВ для обработки информации и представления летчику изображения местности в форме, удобной для восприятия, картографическое устройство КЗУ, в котором на фотоматериале хранятся фрагменты маршрута полета, а также индикаторы горизонтальной ИГО и вертикальной ИВО обстановки. Экран ИГО ориентируется в горизонтальной плоскости, на нем воспроизводятся навигационная карта и текущее изображение местности, отображается вероятное положение самолета в исходный момент времени и указывается направление географического меридиана. На экране ИВО, установленном вертикально, летчик видит такое же изображение местности, которое он воспринимал бы, если бы смотрел непосредственно 120
через лобовое стекло. Одновременно на экране отображаются траектория полета самолета, его скорость и высота, а также ориентация в пространстве. В обзорно-сравнительном комплексе, кроме того, имеются управляющий блок УБ, датчик коррекции Д навигационной системы НС и синтезатор. Синтезатор вырабатывает оптические метки оперативной информации: траектории полета, навигационных ориентиров, линии горизонта. На человека-оператора возлагаются задачи опознавания картин пролетаемой местности, фильтрации естественных и организованных помех, обнаружения характерных объектов, по которым производится навигация, а также совмещения действительного и картографического изображений с помощью управления самолетом. Участие человека в работе обзорно-сравнительного комплекса значительно повышает точность, надежность, помехозащищенность измерений, придает комплексу адаптивные свойства. Благодаря личному опыту, интеллекту, человек способен принимать решения в сложной быстроменяющейся обстановке, управлять системой. Техническое исполнение обзорно-сравнительных систем зависит от их назначения. Например, в авиации получили распространение телевизионные индикаторы навигационной обстановки. Они обеспечивают взлет и посадку самолетов и вертолетов, позволяют ориентироваться в сложных условиях. Многие из этих задач приходится решать при крайне слабой освещенности, нередко и ночью. Поэтому размещаемые на летательных аппаратах телевизионные индикаторы снабжаются высокочувствительными передающими трубками. Индикатор навигационной обстановки с выводом информации на лобовое стекло показан на рис. 7.4. Под кабиной пилота на турели установлена передающая телевизионная камера 1. С нее телевизионный сигнал поступает на кинескоп 2 и создает на его экране изображение окружающей обстановки. Это изображение с экрана кинескопа с помощью двух зеркал 3 и 5 и объектива коллиматора 4 направляется в глаза пилота. Так как зеркало 5 выполнено полупрозрачным, летчик может видеть одновременно местность и через 121
Рис. 7.4. Индикатор на лобовом стекле самолета: / — передающая телевизионная камера; 2 — кинескоп; 3, 5 — зеркала; 4 — объектив коллиматора; 6 — лобовое стекло Рис. 7.5. Изображения на экране авиационного коналога: а — на старте; б — при разбеге; в — при отрыве от земли и развороте / — взлетно-посадочная полоса; 2 — маркер; 3 — «дорога в небо»; 4 — небосвод; 5 — линия горизонта; 6 — земная поверхность лобовое стекло 6. Индикатор удобен, когда через лобовое стекло местность не видна из-за слабой освещенности или плохой видимости. В системах управления самолетами, в тренажерах для большей наглядности передаваемого изображения приходится применять индикаторы с перспективным (объемным) отображением визуальной обстановки. Центральной частью таких систем отображения является искусственная модель той обстановки, которую пилот мог бы увидеть из окна кабины, ориентируясь относительно базовых ориентиров, таких как Земля, линия горизонта, небо. Такое искусственное стилизованное изображение, представляемое в реальном масштабе времени, является аналогом внешней среды. Отсюда и возникло название аппаратуры — коналог. На рис. 7.5 продемонстрированы изображе- 122
ния, возникающие на экране авиационного коналога. На экране условно отображены: уходящая вдаль взлетно-посадочная полоса /; маркер 2\ «дорога в небо» 3; небосвод 4\ линия горизонта 5 и земная поверхность 6. Модели изображений составлены для каждой фазы полета с помощью ЭВМ и представляются пилоту на оптически совмещенных экранах. При движении самолета горизонтальные линии, имитирующие земную поверхность, перемещаются навстречу, причем пропорционально скорости движения. При наклоне самолета возникают соответствующие искажения изображений. Летчик по этим картинкам судит об эволюциях самолета в пространстве. Искусственное изображение в коналоге создает объемную модель, отображающую пространственные соотношения с учетом реальных параметров движения и условий полета. Именно такие приборы позволяют совершать слепую посадку, доверяя данным, получаемым от внешних датчиков. При пилотировании маневренных самолетов представляется целесообразным для удобства пилота телеметрическую и визуальную информацию выводить непосредственно на полупрозрачный козырек его шлема (рис. 7.6). Через жгут гибких оптических волокон / изображение местности проецируется на полупрозрачный козырек 2 с обеих сторон шлема 3. Этим воссоздается стереоскопическое изображение в поле зрения пилота. На шлеме, кроме того, закреплен оптико-электронный датчик 4, указывающий положение головы летчика. Сигналы с датчика положения затем поступают в вычислительное устройство 5 и учитываются в передаваемой информации. За рубежом сейчас уделяется пристальное внимание навигационным системам, выполняемым на современной элементной базе. В частности, приводятся сообщения о создании прицельно-навигационной системы самолета-истребителя F-16, предназначенной для обеспечения самолетовождения днем и ночью, в различных метеоусловиях, для обнаружения целей и измерения их параметров. В процессе модернизации оборудования кабины планируют установить индикатор с голографической оптикой, поле зрения которого бу- 123
Рис. 7.6. Шлемный индикатор: / — жгут гибких оптических волокон; 2 — полупрозрачный козырек; 3 — шлем; 4 — оптико-электронный датчик; 5 — вычислительное устройство дет в 2,5 раза больше, чем у имеющегося на вооружении. Такая модернизация, как считают американские специалисты, улучшит условия ночного обнаружения наземных малоразмерных целей на дальностях до 5 км при полетах на малых высотах. В состав прицельно-навигационной системы предполагается включить лазерный целеуказатель, малогабаритную РЛС слежения за рельефом местности и вычислительное устройство. Инфракрасная система будет включать два датчика: с широким полем зрения для отображения местности на экране с символами целеуказания и рельефа местности, а также с узким полем — для обнаружения, распознавания и автосопровождения наземных малогабаритных целей. По сообщению зарубежной печати, в новых разработках для повышения яркости изображения на лобовом стекле при высоких уровнях освещения фона целесообразно применять вместо электронно-лучевых трубок лазерные устройства генерирования и создания служебных символов. ОПТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПИЛОТАЖНЫХ ТРЕНАЖЕРОВ Оптические тренажеры применяются в войсках для подготовки личного состава, при обучении классных специалистов по владению военной техникой. Одной из важнейших составных частей тренажера является имитатор визуальной обстановки (ИВО). 124
Задачами ИВО могут быть имитация Земли или ее участков, Луны или планет, звездного неба с облаками, подстилающей поверхности, линии горизонта. Здесь приведены главные признаки окружающего пространства, относительно которых или по которым обычно дается оценка своему собственному положению в пространстве. Избыточности информации, как правило, для этого не требуется. Таким образом, тренажер должен моделировать не весь реальный мир, а только ряд физических явлений, объектов, достаточных, например, для процесса управления. Разумеется, что возможности адекватного отображения реального мира в технике еще ограничены. Например, для операторов летательного аппарата трудно моделировать опасность, невесомость, тем не менее применение тренажеров считается весьма оправданным средством. Они позволяют развивать автоматизм действий в ряде ситуаций, экономить время на проведение испытаний оборудования и обучение оператора в 10... 100 раз и экономить ресурс боевой техники. На тренажерах можно многократно отрабатывать аварийные ситуации без риска для жизни людей и техники, объективно контролировать процесс обучения. В частности, в зарубежной печати сообщалось, что тренажеры хорошо себя зарекомендовали в период второй мировой войны. За счет использования в ВВС США одиннадцати тренажеров ежегодно во время войны сберегалось не менее 524 человеческих жизней, 130 млн долларов и почти 31 млн человеко-часов ресурса боевой техники. Было высвобождено для решения других военных задач более 15 тыс. человек. Установлено, что летчики, проходящие тренировки на наземных тренажерах, быстрее и точнее считывают показания приборов в полете, отличаются более совершенной координацией, менее подвержены эмоциональным срывам при непредвиденных ситуациях. В иностранной прессе имеется такой пример. Однажды экипаж стратегического бомбардировщика США совершал «полет» в тренажере. Все шло хорошо, пока экипаж не начал «посадку». Инструктор решил пошутить и «выключил» все двигатели на одном крыле самолета. Это было так неожиданно для экипажа, 125
что он не смог справиться с задачей, и самолет «разбился». Это заставило пилота подумать о том, что могло бы произойти трагическое и в реальном полете. Он попросил повторять ситуацию и в результате неоднократного тренажа отработал действия экипажа. Через неделю в реальном полете у этого же летчика остановились три мотора. Но на этот раз летчик не растерялся, опыт тренажа помог экипажу благополучно приземлить самолет. Моделирование внешней обстановки осуществляется с помощью коллиматорных и проекционных устройств. В коллиматорных устройствах реальная обстановка проецируется в поле зрения подобно тому, как это происходит в индикаторе на лобовом стекле (см. рис. 7.4). В проекционных устройствах визуальная обстановка отображается на экране, и летчик ее рассматривает из кабины. Проекционный имитатор самолета-цели (рис. 7.7) включает в себя трехстепенный кардановый подвес У, в котором установлена миниатюрная модель самолета 2, геометрически подобная реальной цели. Группа осветителей 3 подсвечивает модель самолета так, что отраженные ею световые лучи попадают в оптическую проекционную систему 4. Выйдя из нее, световые лучи, отражаясь от неподвижного 5 и поворотного 6 зеркал, создают на экране 7 увеличенное изображение модели самолета 8. Движение цели имитируется поворотом модели самолета по трем осям карданова подвеса и наклоном зеркала 6. Передвигая компоненты проекционной системы вдоль оптической оси, удается варьировать масштаб изображения модели самолета, что адекватно изменению дальности до цели. Управление перемещением всех подвижных элементов имитатора производится по сигналам от счетно- решающего устройства тренажера. На его вход подаются сигналы как от органов управления самолетом, так и сигналы, характеризующие параметры движения цели, задаваемые инструктором во время тренировки. Таким образом, перемещение изображения по экрану соответствует реальной обстановке, которую воспринимает пилот при взаимном перемещении цели и самолета. 126
Фоновая обстановка, то есть горизонт, облачность, звезды, в поле зрения летчика имитируется в тренажере дополнительными проекционными системами, которые установлены вне кабины самолета 9. Необходимость иметь качественные тренажеры заставляет искать способы создания новых индикаторов, с высокой степенью подобия реализующих окружающую обстановку. За рубежом развиваются голографические принципы формирования объемных изображений, создаются телевизионные системы с синтезированным изображением, которое формируется и управляется ЭВМ. О последних устройствах под названием коналог уже шла речь в предыдущем разделе. 8. ПРИЦЕЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА ПРИЦЕЛЬНАЯ СХЕМА ДЛЯ НЕПОДВИЖНОГО ОРУЖИЯ И НЕПОДВИЖНОЙ ЦЕЛИ Назначение любого оружия — поразить противника, его боевые порядки и укрепления. Для этого пуля, снаряд или ракета, выпущенные по врагу, должны попасть в намеченную цель. Если бы движение снаряда могло оставаться прямолинейным на всем пути полета, цели были бы непод- Рис. 7.7. Проекционный имитатор самолета-цели: / — кардановый подвес; 2 — модель самолета; 3 — осветители; 4 — оптическая проекционная система; 5 — неподвижное зеркало; 6 — поворотное зеркало; 7 —экран; &—изображение модели самолета; 9 — кабина самолета 127
вижны, то задачи встречи снаряда с целью решались бы просто и не создавали проблем. Известно, однако, что на снаряд во время полета действуют различные силы. Так, при вылете из ствола на снаряд влияет сила земного притяжения и траектория его полета изменяется. Дальность полета также изменяется в зависимости от угла бросания. На снаряд отрицательно воздействует сопротивление воздуха, вследствие чего его полет замедляется, снаряд уводит в сторону. Установлено, что сопротивление воздуха не всегда одинаково и зависит от влажности атмосферы, силы и направления ветра. Из-за вращательного движения снаряда, которое им приобретается в канале ствола, может происходить увод снаряда в поперечном направлении. Если цель движется, то за время полета снаряда она отклонится от намеченной точки и, чтобы поразить цель, стрелять приходится в упрежденную точку пространства. Отмеченные факторы приводят к тому, что траектория снаряда не остается прямолинейной, а дистанция до цели — постоянной. Поэтому, чтобы попасть в цель, оружие определенным образом должно быть развернуто в вертикальной и горизонтальной плоскостях относительно визирной линии оружие — цель. Совокупность таких действий обычно называют наводкой. Устройства, обеспечивающие наводку огневых средств, называются прицелами, а сам процесс наводки — прицеливанием. Попытаемся уяснить сущность прицеливания. Для этого рассмотрим простейшую прицельную схему стрельбы, когда оружие и цель неподвижны (рис. 8.1). Совместим начало системы прямоугольных координат с точкой стояния, например орудия О, а плоскость XOY — с истинным горизонтом. Пусть цель видима и расположена в точке А. Спроецируем точку А на вертикальную и горизонтальную плоскости прямоугольной системы координат OXYZ. Назовем линию визирования ОА линией цели, а угол АОАч, под которым наблюдается цель, углом места цели е. Предположим, что снаряд поразит цель, если ствол орудия совмещен с плоскостью XOZ, а ось канала ствола направлена по линии выстрела ОС, состав- 128
ляющей с плоскостью горизонта угол возвышения ф. Угол СОА\ в вертикальной плоскости принято называть углом прицеливания а, а угол ХОА2 в горизонтальной плоскости — горизонтальным углом прицеливания у\. Проекцию угла Yi на плоскость АОА\ именуют боковым УГЛОМ прицеливания Рис 8л Схема прИцеливания назем- у. Ввиду мало- ной артиллерии сти угла yi допустимо принять, что Y = Vi и е' = е. Если это так, то угол возвышения запишется в следующей форме: Ф=а+£- Сущность прицеливания в этом случае заключается в том, что ствол орудия смещают относительно линии цели ОА на угол прицеливания а и угол бокового прицеливания Y- В прямоугольной системе координат направление ствола задается углом возвышения ф — в вертикальной плоскости и углом горизонтального прицеливания Yi — в горизонтальной плоскости. Угол места цели е — составляющая угла ф — измеряется оптическим угломерным прибором, а величины а и Yi берут из артиллерийских таблиц стрельбы. Так как а и yi меняются с изменением дальности, то для входа в таблицы стрельбы необходимо узнать дальность до цели О А. Для этого существуют оптические дальномеры. Как же поступают артиллеристы, когда позиция противника не просматривается с точки стояния орудия? Прежде всего по данным разведки определяют координаты цели и производят предварительные расчеты. Затем приступают к прицеливанию. При стрельбе с закрытой позиции линия визирования переносится во вспомогательную точку Т — точку наводки: Это может быть хорошо просматриваемый на местности или сформированный искусственно ориен- 5 Зак. 66 129
тир с известными координатами. Линию ОТ в этом случае называют линией наводки, а угол \|)о, отсчитываемый в горизонтальной плоскости, углом горизонтальной наводки. Данный угол может быть вычислен, например, по карте местности. Когда ориентир отсутствует, за линию наводки принимают подготовленное ориентирное направление. Об этом мы говорили в начале книги. Если угол фо рассчитан, тогда угол наводки орудия в горизонтальной плоскости -ф определяется из выражения i|) = \f)o — yi. При прицеливании в этом случае подготавливают численные значения углов наводки -ф и возвышения ср. Рассмотренная схема прицеливания является базовой для артиллерийского ствольного и реактивного оружия. В случае стрельбы из оружия, которое само установлено на перемещающемся основании (на танке, самолете, корабле), задача прицеливания заметно усложняется. В помощь оптическому прицелу придаются при этом различные вычислительные устройства, датчики наклонов основания оружия. СНАЙПЕРСКИЙ ПРИЦЕЛ Среди прицелов широко распространены оптические снайперские, минометные и артиллерийские устройства. Простейшим из них является снайперский прицел, предназначенный для прямой наводки стрелкового оружия типа винтовки, автомата, карабина, охотничьего или спортивного ружей. Понять действие снайперского прицела, оценить его преимущества поможет предварительное рассмотрение механического стрелкового прицела, хорошо знакомого читателю. Такой прицел (рис. 8.2) состоит из мушки 2 и целика 3, укрепленных на стволе стрелкового оружия. В исходном положении визирная линия, следующая через точки 2 и 3 прицела, направлена параллельно оси канала ствола оружия. Поэтому для прицельной стрельбы между визирной линией и осью канала ствола создается определенное угловое рассогласование: стрелок приподнимает целик 3 на нужную высоту и визирная линия сбивается на соответствующий угол. 130
Во время прицеливания визирная линия совмещается с целью / с помощью глаза наблюдателя 4, от чего ось канала ствола оказывается приподнятой над плоскостью горизонта на угол рассогласования. Очевидно, чтобы избежать промаха, угол рассогласования, вводимый в прицел, должен соответствовать по величине углу прицеливания, но быть противоположным по знаку. Ошибка прицеливания б в угловой мере зависит от ширины прорези целика р и базы / между целиком и мушкой. Если предположить, что / = 500 мм, р = 1 мм, то 6 = 0,5 р/1= 1/1000. Это значит, что на расстоянии 1 км промах составит 1 м. Видимо, такая ошибка прицеливания недопустима, а снизить ее можно только уменьшением зазора прорези целика и увеличением базы /. Однако то и другое делать недопустимо, так как снижение просвета в целике ухудшает видимость цели через прорезь, а увеличение базы приводит к увеличению габаритов оружия. При стрельбе в тире каждый стрелок испытывает определенные неудобства механического прицела: глаза быстро устают, элементы прицела видны не резко. Дело в том, что глаз не в состоянии одновременно резко наблюдать цель, мушку и целик, ибо они разноудалены от глаза. Глазу человека приходится перестраивать зрительное усилие поочередно на резкое видение трех точек / 3. На переаккомодацию зрения затрачивается значительное время — несколько секунд, и глаза устают от столь напряженной работы. Поэтому механические прицелы не позволяют быстро и с высокой точностью поражать цели на значитель- 5* 131
ных дистанцих, хотя они чрезвычайно просты и имеют большое поле обзора, потому что обычно целик невелик и не затеняет пространство наблюдения. Оптический прицел совершеннее. Он снимает ряд недостатков механических устройств, повышает точность прицеливания как за счет увеличения изображения, так и за счет отсутствия необходимости переаккомодации глаза. Так, цель и целик в оптическом прицеле совмещены в плоскости изображения оптической системы. В оптическом прицеле также допустимо и смещение глаза с оптической оси в пределах поля зрения прицела, поэтому времени на прицеливание уходит меньше. Все оптические элементы и механизмы снайперского прицела (рис. 8.3) размещены в цилиндрическом корпусе, который крепится к оружию. Снаружи корпуса находятся маховички 5 и 6 механизмов ввода углов а и Y- Оптическая схема состоит из объектива /, который строит перевернутое изображение цели в плоскости перекрестия 2, оборачивающей линзовой системы 3 и окуляра 4. Оптические характеристики снайперского прицела следующие: увеличение Г = 3,5Х; поле зрения 2о) = 4°30/; диаметр выходного зрачка d = 6,5 мм, а его удаление / = 72 мм. Особенность оптической схемы прицела состоит в том, что в приборе предусмотрен большой размер выходного зрачка и он удален на значительное расстояние. Благодаря таким параметрам стрелок быстро находит цель и совмещает ее с перекрестием, а удаление зрачка исключает травматизм лица при отдаче после выстрела. Для прицеливания в плоскости изображения объектива установлено перекрестие 2 в виде трех заостренных проволочек 8. Это перекрестие с помощью двух винтовых механизмов 7 и 9 может перемещаться по вертикали и горизонтали. Горизонтальные проволочки позволяют также устранять «сваливание» оружия набок, а просвет между ними может быть использован для измерения дистанции до цели, если известен ее размер и масштаб сетки. Из рисунка видно, что просвет равен 7 т. д., а толщина проволочек 3 т. д. Шкала углов прицеливания наносится на барабан- 132
Рис. 8.3. Устройство снайперского прицела: а — схема; б — вид механизмов перекрестия /—объектив; 2—перекрестие; 3 — оборачивающая линзовая система; 4 — окуляр; 5,6 — маховички; 7,9 — механизмы ввода углов а, у; 8 — заостренная проволочка перекрестия чике 5 привода механизма вертикального перемещения перекрестия и маркируется в гектометрах. Предельная прицельная дальность составляет 13 гектометров (1300 м). Боковая поправка вводится в угловой мере (в тысячных дистанции) в пределах ±10 т. д. Напомним, что оптическая ось в прицеле проходит через центры оптических элементов, тогда как визирная линия формируется двумя точками А и Б: А — это центр объектива, а Б — центр перекрестия. Эти точки эквивалентны мушке и целику в механическом прицеле. Прицел жестко крепится на оружии так, чтобы оптическая ось прицела проходила параллельно оси канала ствола оружия. Установка параллельности осей достигается с помощью специальной операции, которую называют выверкой прицела. Для выполнения выверки выбирают удаленный объект и смотрят на него через ствол оружия и оптический визир. При этом удаленный объект должен оказаться в центре перекрестия при нулевых установках шкал прицела и размещаться на оси канала ствола. Если по каким-либо причинам совмещения объекта с перекрестием не произошло, а ось канала ствола направлена строго на выбранный объект, то вращением маховичков 5 и 6 добиваются необходимого совпадения перекрестия с объектом в поле зрения прицела. Затем шкалы механизмов обнуляются; такая возможность предусмотрена конструкцией механизмов. 133
Как же выполняется прицеливание? Стрелок, прильнув к прицелу на расстоянии 72 мм от окуляра, обозревает окружающее пространство и осуществляет поиск цели. Если цель обнаружена, то, наблюдая в окуляр и зная размеры нитей перекрестия, он оценивает дистанцию до цели. В соответствии с расстоянием до цели устанавливается угол прицеливания. Оружие с прицелом перемещается до тех пор, пока перекрестие не совместится с целью. Производится выстрел. При движении цели в плоскости, перпендикулярной линии визирования, рассчитывается боковая поправка. Угол места цели е вводится в оружие подъемом оси канала ствола при визировании на цель. В настоящее время за рубежом известны разнообразные типы снайперских прицелов, отличающихся незначительными деталями. Отмечают, что все современные снайперские винтовки армий капиталистических стран имеют калибр 7,62 мм и разработаны под стандартный патрон НАТО. Это такие винтовки, как L42AI (английская), УИ21 (американская). На ряде винтовок возможно крепление ночных прицелов. В ночных устройствах вместо перекрестия используется система из оптических элементов, проецирующая светящуюся марку в поле зрения прицела. ПРИЦЕЛ НАЗЕМНОЙ АРТИЛЛЕРИИ Изучение прицельной схемы на рис. 8.1 позволяет указать на ряд функциональных узлов, необходимых в прицелах для выполнения наводки огневых средств. К таким узлам относятся: визирное устройство; устройство выверки нулевой линии визирования с осью канала ствола; угломерное устройство, необходимое для смещения визирной линии в вертикальной и горизонтальной плоскостях; устройство для связи прицела с оружием; а также уровень, задающий начало отсчета в вертикальной плоскости. Кинематическая схема артиллерийского прицела изображена на рис. 8.4. В качестве визирного приспособления прицела использована орудийная панорама //, укрепленная в гнезде 10. Ее вид ранее был показан на рис. 5.5. Сам прицел крепится на оси 3, связанной 134
Рис. 8.4. Кинематическая схема артиллерийского прицела: / — продольный уровень; 2 — рукоятка углов места цели; 3 — ось; 4 — ствол; 5 — рукоятка углов прицеливания; 6 — червячное колесо; 7 — механизм качания прицела; 8 — корпус прицела; 9 — поперечный уровень; 10 — гнездо прицела; // — орудийная панорама с люлькой ствола 4 орудия. В исходном состоянии линия визирования панорамы и ось канала ствола выставлены параллельно друг другу, чего добиваются при выверке прицела. Как же происходит прицеливание по невидимой цели? Оно совершается в два этапа. Сначала линия визирования панорамы сбивается относительно оси канала ствола на углы возвышения и наводки, но взятые с противоположными знаками. Делается это так. Наводчик разворачивает поворотную головку панорамы в горизонтальной плоскости на угол наводки — -ф. Затем вращением рукоятки 5 он устанавливает угол прицеливания — а. При этом червяк, обкатываясь по червячному колесу <5, жестко связанному с осью 3, на клоняет корпус прицела 8 совместно с продольным уровнем /. Угол места — е вводится поворотом рукоятки 2, и продольный уровень / также наклоняется. В результате совместных действий на рукоятки 2 и 5 продольный уровень разворачивается настолько, что угол между его осью и линией, параллельной оси канала ствола, соответствует углу возвышения — ф. Установив углы по шкалам прицела и панорамы, приступают к наводке орудия. Наводчик, воздействуя на механизмы наведения орудия, начинает отрабатывать введенные углы. Вертикальная наводка выполняется подъемным 135
механизмом лафета орудия. Она продолжается до тех пор, пока пузырек продольного уровня / не займет нулевое положение, отвечающее плоскости горизонта. Как только пузырек примет нулевое положение, ствол орудия поднимается на угол возвышения ф. Горизонтальная наводка совершается поворотным механизмом орудия. Ее выполнение контролируется по совмещению перекрестия визира панорамы с выбранной точкой наводки Т (см. рис. 8.1). Идеальное прицеливание орудия совершается в том случае, когда червячное колесо 6 лежит в вертикальной плоскости. Компенсации наклона прицела добиваются механизмом качания прицела 7 Поперечный уровень 9 должен указывать горизонтальное положение. Может быть, некоторым покажется странным, да и непонятным, многозвенный порядок прицеливания. Казалось бы, чего проще приделать отсчетные устройства к силовым приводам орудия и по ним сразу развернуть ствол на нужные углы. Сделать так, конечно, можно, но тогда не достигнем главного — высокой точности наводки орудия. Всем ясно, что механизмы наведения орудия быстро изнашиваются. Причин для этого множество. Такие механизмы испытывают огромные ударные нагрузки, сминаются под действием веса орудия. А песок, пыль, влага! Они тоже делают свое черное дело. В результате износа появляются зазоры в силовой передаче и возникают большие ошибки наводки. Поэтому конструкторы пошли по более длинному, но гарантирующему точность пути, который только что был описан. Отсчетные системы в прицелах разгружены от силовых воздействий. Они точны, и, следовательно, углы в прицелах задаются с малыми ошибками. Что же касается отработки этих углов, то ее можно обеспечить грубыми силовыми приводами орудий, на точность прицеливания это никак не повлияет. Погрешность наводки зависит лишь от ошибок наведения визирного устройства на ориентир и от чувствительности пузырькового уровня. 136
ТАНКОВЫЙ ПРИЦЕЛ Приемы прицеливания в танке принципиально не отличаются от прицеливания в артиллерии. Однако особенности эксплуатации танкового вооружения накладывают определенный отпечаток на конструкцию и характеристики прицельной техники. Прежде всего надо помнить, что стрельба из танка ведется с коротких дистанций, в пределах прямой видимости целей. Как сообщает иностранная печать, учитывая рельеф местности на возможных театрах военных действий, цели, подобные машинам бронетехники, заметны из танка на расстояниях, не превышающих 2 км. Трудность применения танкового оружия связана с его вибрацией и качкой во время хода. От этого значительно снижаются темп стрельбы и ее результат, теряется из виду цель. В прежние годы, чтобы как-то снизить промахи при стрельбе, огонь из танка велся с коротких остановок. Но в это мгновение танк сам становился легкой добычей для врага. Благодаря усилиям специалистов возникли стабилизаторы танкового вооружения. Современные танки технически более совершенны. В них нашли применение новейшие достижения электроники, металлургии, энергетики, химии. Прочнее стала броня, мощнее вооружение. Благодаря созданию стабилизаторов вооружения стало возможным стрелять из танка на полном ходу. Однако и оптика не осталась в долгу у танкистов. Иностранные специалисты отмечают, что сейчас на обнаружение целей из танка затрачивается значительно больше времени, чем на их поражение. Поэтому при модернизации уделяется серьезное внимание улучшению поисковых возможностей экипажа. Выражается это в том, что современными наблюдательными средствами обеспечиваются одновременно несколько членов экипажа танка. В танках нашли применение разнообразные оптические средства ведения боя и наблюдения. Из танка можно вести наблюдение и огонь как днем, так и ночью. Это чрезвычайно важное боевое качество машин. Для этого на танках имеются дневные и ночные визиры и 137
Телескопический визир В—*• Рис 8.5. Танковый стабилизированный прицел: 1,2 — зеркала; 3 — передача прицелы, смотровые приборы, современные системы управления огнем. Наибольшая прицельная дальность стрельбы с помощью дневного прицела, например советского танка Т-62, составляет 4000 м, с помощью ночного прицела — 800 м. Познакомимся с танковым прицелом (рис. 8.5), в котором поле зрения стабилизируется в одной вертикальной плоскости. Колебание визирной оси прицела в вертикальной плоскости во время движения танка компенсируется качанием нижнего зеркала 2, которое управляется гироскопом. Что же такое гироскоп? Вспомним волчок. Быстро раскрученный, он не сваливается на бок. Это свойство — фундамент для построения гироскопа. Массивный ротор гироскопа в кардановом подвесе вращается с огромной частотой (до 60 тыс. об/мин) Чем больше масса ротора, а также его скорость, тем стабильнее направление оси вращения гироскопа при внешних возмущениях. На внешнее усилие гироскоп отвечает лишь плавным прецессионным движением, 138
которое и используется для управления в различных устройствах стабилизации. Гироскоп в прицеле является силовым приводом. При наклоне танка вращающийся ротор гироскопа испытывает внешнее воздействие, стремящееся его опрокинуть. В результате появляется прецессионное движение ротора, которое через передачу 3 передается на нижнее зеркало 2. Передача выполнена так, что зеркало 2 поворачивается в сторону, противоположную наклону прицела. Угол же его поворота составляет лишь половину угла наклона прицела. При отражении от зеркала 2 угол отклонения лучей удваивается, поэтому линия визирования отрабатывает угол, равный наклону прибора. Значит, несмотря на колебания танка, в телескопический визир прицела лучи поступают под одинаковым углом, и поэтому поле зрения в вертикальной плоскости неподвижно. Цель в подобных прицелах не уходит из поля зрения. Чтобы расширить угол обзора, в прицеле включают специальный корректирующий электромагнит, усилие которого воздействует на гироскоп. Под действием электромагнита гироскоп прецессирует и дополнительно разворачивает зеркало 2. Поворотом зеркала / в прицел вводится угол прицеливания. Выстрел с помощью прицела выполняется полуавтоматически. При работающем стабилизаторе линия прицеливания удерживается на точке наведения. Однако ось канала ствола нестабилизированного орудия колеблется вместе с танком в вертикальной плоскости относительно стабилизированной прибором линии прицеливания. Чтобы выстрел произошел точно в момент нахождения оси канала ствола под углом прицеливания, в прицел введено специальное контактно-световое устройство. Это устройство, с одной стороны, световым «зайчиком» предупреждает наводчика о положении оси канала ствола под углом прицеливания, а с другой — дает разрешение на выстрел. В танке Т-62, кроме прицела, систему стабилизации имеет и пушка. Она «запоминает» наводку орудия. Стоит наводчику прицелиться, как специальный блок фиксирует (стабилизирует) положение ствола в поло- 139
жение наводки. Кучность и меткость стрельбы при этом увеличиваются. Наилучшие результаты дает стабилизация поля зрения прицела командира танка, что позволяет не только выдавать целеуказание, но и в случае необходимости брать командиру управление вооружением на себя. Военные зарубежные специалисты считают, что повышения огневой мощи можно добиться не только совершенствованием вооружения танка, но и оснащением его более эффекчивными системами управления огнем, ибо быстрое и точное определение углов возвышения и бокового упреждения пушки позволяет сократить время на первый выстрел и увеличить дальность стрельбы. В систему управления огнем современных зарубежных танков входят, как правило, система стабилизации вооружения, лазерный или оптический дальномер и баллистический вычислитель с комплектом датчиков (температуры, влажности). Вычислитель предназначен для автоматического расчета необходимых углов возвышения и бокового упреждения пушки, а также для формирования команд и ввода поправок в устройства наведения и прицеливания. Кроме того, имеется разнообразное оптическое оборудование, в том числе тепло- визионная или телевизионная техника. АВИАЦИОННЫЙ ПРИЦЕЛ Прицеливание в воздушном бою — исключительно сложный процесс. Современные летательные аппараты перемещаются с такими скоростями, что за время полета снаряда, которое исчисляется секундами, цель способна изменить направление полета. Предвидеть маневр противника после выстрела, как, впрочем, и исправить траекторию полета неуправляемого снаряда, просто невозможно. Для обеспечения встречи снаряда с целью необходимы определенные предварительные расчеты. Трудность заключается в том, что расчеты невыполнимы, если не известна траектория движения цели. Поэтому еще на стадии проектирования прицельной техники задаются гипотезой о наиболее вероятном характере 140
движения цели противника, исходя из тактики воздушного боя. Оружием современных самолетов являются ракетные, пушечные и пулеметные установки. Рассмотрим случай, когда оружие на атакующем самолете закреплено неподвижно, так что на цель оно наводится разворотом самого носителя, и рассмотрим прицельную схему воздушной стрельбы (рис. 8.6). Предположим, цель находится в точке Ц и движется со скоростью уц. Атакующий самолет в момент выстрела размещен в точке О. Чтобы поразить цель неуправляемым снарядом, ось оружия, естественно, направлена не на цель, а в упрежденную точку Д, в которой возможна встреча снаряда с целью. Очевидно, эта точка должна находиться на траектории полета цели. Треугольник ЦОАу называется упредительным треугольником. В нем Dy — упрежденная дальность, Do — дальность до цели в момент выстрела, а г|з — угол упреждения, соответствующий линейному упреждению v^tf. Величина /у носит название упрежденного времени. Итак, для прицеливания по движущейся цели необходимо, во-первых, рассчитать угол упреждения и отложить его в плоскости упредительного треугольника, во-вторых, учесть понижение траектории снаряда за счет силы земного притяжения вводом угла прицеливания а. Угол упреждения по формулам тригонометрии находится из упредительного треугольника: Уц L sin ф sin г|) = —!Ц-—I Dy где ф — дополнительный курсовой угол цели. Неизвестность упрежденных величин Dy. и 4 исключает однозначное решение угла упреждения по представленному выражению. Поэтому с допустимой ошибкой угол упреждения рассчитывают упрощенно: = ац to sin ф W Do где to —время полета снаряда до цели на пути Db. Характерно, что в данном выражении величины D0 141
Рис. 8.6. Прицельная схема воздушной стрельбы и to могут быть определены к моменту выстрела. Неизвестной остается только скорость цели ^, но и ее удается рассчитать, определяя некоторые параметры движения цели. Посмотрим, как это делается. Примем гипотезу, что за полетное время снаряда цель движется по дуге окружности с постоянной угловой скоростью со относительно атакующего самолета. Если Do — радиус дуги, по которой движется цель, то, разложив векторы скоростей цели Va и самолета Vc на составляющие, перпендикулярные радиусу D0, выразим угловую скорость перемещения цели относительно самолета: (о= — (vu sin ф — vc sin г|)). Совместное решение последних двух выражений дает следующий результат: а Т Do/to-vc Дробь в правой части уравнения называют фиктивным полетным временем 4* Do/to -Ifc Ф 142
Фиктивное полетное время является функцией Д>, ус,ав неявном виде зависит и от высоты боя Н. Тогда Чтобы сформировать угол упреждения в авиационных прицелах, достаточно измерить инструментальным образом угловую скорость цели со относительно атакующего самолета и умножить ее на /ф. Угол ^ откладывается в плоскости, которой принадлежат точка О и вектор скорости цели иц. Угол прицеливания а, как известно из теории стрельбы, зависит от дальности Д>, скорости снаряда vQ, высоты боя //, баллистических свойств снаряда. Этот угол откладывается в вертикальной плоскости, поэтому при сложной траектории полета атакующего самолета надо учитывать его углы крена и тангажа. Функциональная схема тахометрического прицела, разъясняющая принцип наведения авиационного оружия, представлена на рис. 8.7. Слово «тахометриче- ский» указывает на то, что устройство является измерителем скорости. Прицел состоит из оптического коллиматорного визира 1...6, вычислителя и гиромагнитного построителя суммарного угла упреждения ife. Угол ^ —это угол, равный геометрической сумме углов прицеливания а и упреждения ^ в системе координат, связанной с атакующим самолетом. В комплект прицела включены также дальномер, вырабатывающий непрерывно дальность до цели Д, датчики высоты Я, своей скорости vcy углов крена и тангажа. Оптический коллиматорный визир состоит из объектива 5 и сетки 2, которая размещена в фокусе объектива. Когда перекрестие сетки подсвечивается лампочкой 3, из объектива поступают цараллел.ьные лучи света. Отраженные зеркалами 4 и 6У они направляются в глаз наблюдателя. Коллиматорный визир установлен перед лобовым стеклом самолета 7, поэтому летчик одновременно воспринимает окружающее пространство и перекрестие сетки, кажущееся ему размещенным в бесконечности. Так как зеркало 6 полупрозрачно, то оно не мешает обзору. В исходном состоянии визирная линия коллиматора направлена параллельно оси канала ствола оружия. 143
Цело \Летчик 'иЛЛ ?- ^S^^^s^ ) Ч: Линия до/стрела Оргоно/ ипродления ?аноле/7Юн д-^fi /йронагнитнд/й \построитело угла ¥Е 1^! \ Во/</ислителб tcp ,<Х Рис. 8.7. Авиационный тахиметрический прицел: / — подвижное зеркало; 2 — сетка; 3 — лампочка; 4 — неподвижное зеркало; 5 — объектив; 6 — полупрозрачное зеркало; 7 — лобовое стекло самолета Основной частью оптики является подвижное зеркало /. Оно применяется для ввода в прицел угла упреждения ife. Для этого зеркало укреплено на роторе трехстепенного гироскопа-построителя суммарного угла упреждения и вращается вместе с ним. Совместно с ротором зеркало / может также поворачиваться в двух взаимно перпендикулярных направлениях, расположенных нормально к оси вращения. При вращении зеркала / оптические лучи, отражаясь от него, не нарушают своего положения в пространстве. Но как только появляется наклон ротора, зеркало / отклоняет лучи от исходного направления, и это приводит к смещению перекрестия сетки в пространстве. При появлении цели летчик разворотом самолета совмещает ее с перекрестием сетки и включает гироскоп. В вычислитель прицела непрерывно вводятся данные, и он рассчитывает фиктивное время /ф и угол а. Возникающие электрические сигналы, пропорциональные /ф и а, поступают в построитель. При маневрировании цели летчик стремится удерживать на ней перекрестие прицела до тех пор, пока цель не будет уничтожена. В случае непрерывного слежения за целью ротор гироскопа прецессирует, зеркало / поворачивается и смещает линию визирования на величину, пропорциональную относительной угловой скорости движения цели со. Параметры оптики и электрической схемы прицела подобраны так, что с учетом данных, поступающих в вычислитель, суммарный угол наклона 144
зеркала / вызывает пространственное рассогласование визирной линии с осью канала ствола на суммарный угол упреждения -ф.. ОПТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПРИЦЕЛИВАНИЯ БАЛЛИСТИЧЕСКИХ РАКЕТ Прицеливание баллистических ракет имеет свою специфику по сравнению с наведением артиллерийского оружия. Чтобы поразить цель, перед пуском необходимо выполнить точную ориентацию корпуса ракеты и датчиков автономной системы управления ракетой по вертикали и азимуту. Совокупность действий по пространственному ориентированию корпуса ракеты и датчиков автономной системы управления ракетой называется прицеливанием ракеты. Точное прицеливание баллистических ракет обеспечивают оптические средства. Познакомимся с технологией прицеливания баллистических ракет. Ориентирование корпуса ракеты и датчиков системы управления при прицеливании осуществляется относительно стартовой системы координат ОХс YCZC (рис. 8.8). Ее начало совмещено с центром массы ракеты, установленной на пусковом столе. Ось OYc этой системы направлена вертикально вверх, а оси ОХс и OZc лежат в горизонтальной плоскости, при этом ось ОХс направлена на цель. Плоскость YcOXc, проходящую через программную траекторию, называют плоскостью стрельбы. Система координат, которая жестко соединена с корпусом ракеты, называется связанной системой координат 0\X\Y\Z\. Свое начало она берет в центре массы ракеты. При этом ось 0\Х\ совпадает с продольной осью ракеты, а направление остальных осей определяется расположением рулевых органов, установленных крестообразно. Угловая стабилизация и управление ракетой в полете могут выполняться, например, инерциальной системой управления. Гироскопические датчики такой системы располагаются на стабилизированной платформе, которая должна во время старта строго фиксироваться относительно неподвижной системы координат. Положение осей стабилизированной платформы 145
Рис. 8.8. Стартовая и связанная системы координат образует третью систему координат, получившую название инерциальной системы 0\XYZ. Оси инерциаль- ной системы координат совпадают с осями подвеса платформы, причем ось 0\Y во время старта ракеты должна быть вертикальна, а ось 0\Х параллельна оси ОХс стартовой системы координат. Плоскость YO\X называют основной плоскостью стабилизации ракеты. К моменту пуска ракеты необходимо оси связанной и инерциальной систем координат выставить относительно стартовой системы координат так, чтобы основные плоскости стабилизации и симметрии ракеты совпали с плоскостью старта, а оси 0\Х\У 0\Y и 0\YC были вертикальны. Такая ориентация осей достигается с помощью ряда последовательных операций: вертикали- зации, горизонтирования и юстировки гироплатформы, а также азимутального прицеливания. Операции прицеливания выполняются специальными приборами и устройствами, действие которых основано на различных физических принципах. В частности, применяются оптические, фотоэлектрические, гироскопические, электронные и электромеханические приборы. Все эти приборы объединены в единую полуавтоматическую или автоматическую систему прицеливания. Вертикализация ракеты выполняется с помощью домкратов пускового устройства и заключается в установке ракеты на пусковом столе в строго вертикальное 146
положение. Контроль вертикального положения осуществляется с помощью двух оптических приборов — теодолитов, которые установлены на некотором удалении от ракеты и под углом 90 град друг к другу. Перед измерениями оба теодолита с помощью уровней тщательно горизонтируются и направляются на ракету. В нижней и верхней частях корпуса ракеты нанесены реперные точки, линия между которыми параллельна продольной оси ракеты. При наклоне ракеты положение реперных точек не совпадает с вертикальной нитью перекрестия в теодолите. Тогда с помощью домкратов корпус ракеты наклоняют до тех пор, пока реперные точки не лягут на вертикальную нить. Аналогичные действия совершаются с помощью второго теодолита, установленного во взаимно перпендикулярной плоскости относительно первого теодолита. Путем последовательного визирования теодолитом реперных точек достигается полная вертикализация ракеты. Зарубежные специалисты отмечают, что ошибка вер- тикализации сказывается на точности азимутального прицеливания и составляет несколько угловых минут. Горизонтирование гироплатформы выполняется автоматически следящими устройствами и заключается в совмещении оси 0\Y инерциальной системы координат с вертикальной осью OYc стартовой системы координат. Юстировка гироплатформы состоит в совмещении основной плоскости стабилизации ракеты с основной плоскостью симметрии ракеты; для этого делается разворот основания гироплатформы относительно корпуса ракеты. По известным координатам точки старта ракеты и координатам цели рассчитывается азимут цели. Последней подготовительной операцией является азимутальное наведение ракеты. Оно выполняется в несколько этапов. Вначале в зоне старта ракеты формируется и фиксируется ориентирное направление. Оно характеризует положение плоскости стрельбы. Ориентирование направлений состоит в определении геодезического азимута направления на цель и может производиться от геодезической сети, астрономическими методами или с помощью гироскопических приборов. Зарубежная печать отмечает, что астрономическое ориентирование 147
Рис. 8.9. Схема прицеливания ракеты «Минитмен» при пуске из шахты: / — контрольная призма; 2 — кольцевой рельс; 3 — автоколлиматор ступает в бортовую ЭВМ. Там формируется сигнал коррекции, обеспечивающий разворот гиростабилизиро- ванной платформы по азимуту. Для перенацеливания ракеты в память ЭВМ, кроме основной цели, закладываются данные еще 8 целей. В этом случае по команде с пункта управления, удаленного на несколько километров, выполняется разворот гироплатформы на заданный угол от исходного направления. Максимальные углы разворота гироплатформы для перенацеливания ракеты достигают ±70 град. Для перенацеливания на большие углы необходим разворот самой ракеты в шахте. Зарубежная печать сообщает, что ведутся работы по отработке систем перенацеливания ракеты в полете. С большими трудностями приходится встречаться при прицеливании ракет с подвижных пусковых установок, например с подводных лодок, железнодорожных платформ. В этом случае необходима непрерывная коррекция бортовых систем управления, позволяющая 150
устранять влияние качки, вибрации на точность прицеливания. Координаты пусковых установок в этом случае оцениваются гироскопическими навигационными устройствами. Однако из-за дрейфа гироскопов и прочих причин, вызывающих погрешности вычисления координат, предусматривается наличие на ракете систем астрокоррекции. Примером может служить система прицеливания ракеты «Полярис» первых американских атомных подводных лодок. Операция прицеливания является заключительной перед пуском ракеты. В тактических ракетах наклонного старта ориентация пусковой установки по азимуту выполняется с помощью угломерных оптических приборов — теодолитов. Время выполнения операции, по зарубежным источникам, составляет 5...7 мин. Угол возвышения обычно постоянный (75 град); он не зависит от характера и удаления цели. Изменение дальности производится за счет торможения специальными лепестками, как выполнено, например, в ракете «Ланс». ТЕПЛОВЫЕ ГОЛОВКИ САМОНАВЕДЕНИЯ Ракета, обладающая высокой точностью, стала важным видом оружия. Высокая точность обусловлена возможностью управления ее движением. Одним из эффективных методов управления является самонаведение. Он заключается в том, что ракета сама регулирует свое положение относительно цели и автоматически наводится на нее. В иностранных системах самонаведения широкое применение нашли тепловые (инфракрасные) головки самонаведения (ТГСН), представляющие собой замкнутые системы автоматического регулирования. Тепловая головка самонаведения объединяет координатор цели и следящий привод, который приводит в движение оптическую систему ТГСН так, что в каждый момент времени его оптическая ось направляется на цель. Тепловая головка размещается в головной части ракеты. За рубежом различают индикаторные и следящие ТГСН. Чтобы разобраться в принципе их действия, рассмотрим устройство простейшей индикаторной головки самонаведения (рис. 8.10) В координаторе 151
пот op Фильтрах j Чрле/ггропогнит${ Рис. 8.10. Индикаторная головка самонаведения: / — оптический обтекатель; 2 — объектив; 3 — светофильтр; 4 - растр; 5 — фотоприемник; 6 — реле вращающийся ТГСН инфракрасное излучение от цели проникает через прозрачный оптический обтекатель / и объективом 2 направляется на фотоприемник 5. В технической литературе отмечается, что спектральные свойства оптического тракта должны подбираться таким образом, чтобы отношение сигнал/шум в системе было максимально возможным. Как же происходит определение координат и слежение за целью? Принятое излучение прерывается вращающимся растром 4 (рис. 8.11). Растр состоит из двух концентрических поясов, заполненных чередующимися прозрачными и непрозрачными полосами. Число полос в каждом поясе различно, а их ширина согласована с требованиями пространственной фильтрации лучистого потока. Ракета летит точно, когда оптическая ось ТГСН визирует цель. Изображение цели в это время приходится на стык двух поясов. Если цель произвела маневр и уклонилась, ее изображение сместится со стыка поясов. Предположим, изображение сдвинулось вдоль оси Z. Лучистый поток от цели начинает прерываться растром с частотой f\ или /V Это зависит от того, в каком поясе окажется изображение цели. Фотоприемник выдает электрический сигнал на частоте модуляции. Усилитель нагружен на два электрических фильтра, один из которых настроен на частоту /ь другой — на частоту /г. Следовательно, электрический сигнал обнаруживается на выходе одного из фильтров. 152
изображение / цели Рис. 8.11. Растр \^^^^Я| в-"^^ тепловой головки ^^С^^^ \^^^ самонаведения | Электрический сигнал замыкает контакты реле 6 (см. рис. 8.10), от чего срабатывает электромагнит, управляющий рулем ракеты. Ракета вместе с оптической головкой начинает разворачиваться. Поворот происходит до тех пор, пока изображение цели вновь не совместится с линией раздела поясов. На выходе фильтров /i и /2 появляются равные сигналы, руль занимает нейтральное положение, и ракета устремляется к цели. Для слежения за целью по координате Y можно предложить аналогичную систему. Индикаторная система конструктивно проста. Наличие у нее большого поля зрения оптики, величиной до 120 град, оказывается удобным при поиске цели. Однако помехозащищенность индикаторной ТГСН и дальность ее действия незначительны. Немалые трудности стоят и на пути производства высококачественной широкоугольной оптики. Негативной стороной индикаторной ТГСН оказывается и ее релейный режим управления типа «да-нет». В таком режиме учитывается только знак угла рассогласования, но не его величина. Вследствие инерции поворот ракеты и перекладка рулей отстают друг от друга. Снаряд дергает из стороны в сторону, и его средняя траектория всегда запаздывает от направления на цель. Если стрелять по движущимся целям, то возни- 153
кающйе во время полета колебания снаряда способны его разрушить. Недостатки релейного регулирования устраняются, когда поворот рулей пропорционален не только углу рассогласования, но и скорости изменения этого угла. Электрический сигнал, пропорциональный скорости изменения угла, улучшает качество регулирования. Ракета летит устойчиво, а траектория всегда направляется на цель. Пропорциональное регулирование введено в следящих ТГСН. Следящие головки самонаведения конструктивно сложнее индикаторных, но обладают лучшими тактическими и динамическими свойствами. Их отличает большой радиус действия, высокая избирательность целей. Успех достигнут сужением поля зрения оптики до нескольких градусов, отчего фоновые помехи заметно меньше проникают в головку самонаведения. Улучшение характеристик следящей ТГСН не прошло бесследно для ее конструкции. Из-за узкого поля зрения возникли трудности при поиске цели головкой самонаведения. Выход, правда, был найден. В одних зарубежных системах цель обнаруживается специальной поисковой аппаратурой. Это — теплопеленгатор или радиолокатор. В других — использовано сканирующее движение самой тепловой головки, расширяющее сектор обзора пространства. В поисковом режиме ТГСН обнаруживает цель, Захватив ее, ТГСН автоматически переключается из поискового режима в режим слежения, напоминающий действие индикаторной ТГСН. О захвате цели головка самонаведения сигнализирует оператору, и он дает команду на пуск ракеты. Дальность действия ракет с тепловым наведением достигает 15 км (например, у ракеты «Сайдуиндер»), а некоторые модели ТГСН настолько избирательны, что различают двигатели двухмоторного самолета на рубеже 8 км. Недостатки тепловых головок самонаведения проявляются в том, что дальность их действия подвластна времени суток, метеоусловиям. Снег, туман, облака поглощают ИК лучи. Днем ТГСН может быть отвлечена мощным солнечным светом. 154
Поэтому в последние годы зарубежные специалисты работают над новыми, более помехоустойчивыми системами наведения. В этом плане сообщается о создании модернизированной ракеты ADSM, работающей в двух режимах — ИК и радиолокационном. Причем в ИК спектре она работает в двух его участках: 3...5 и 8... 12 мкм. В качестве прицельного устройства для пуска ракеты используется гироскопический или коллиматорный прицел. ИК головка самонаведения переключается на наведение на конечном участке траектории полета. По подобной схеме наведения в двух участках И К спектра разрабатывается головка самонаведения для 106,7-мм мины GAMP Создание вместо тепловой тепловпзионной головки самонаведения, как считают иностранные специалисты, также способствует эффективности применения ракетного оружия в неблагоприятных погодных условиях. В состав координатора тепловизионной ГСН входит оптическая система со сканирующим устройством и электронные компоненты для обработки ИК сигналов и выработки команд управления. При вращении сканера происходит построчный просмотр поля зрения и изображение фиксируется на матрице ИК детекторов. Обработка сигнала протекает как в тепловизоре. При запуске управляемой ракеты «Мейверик» с тепловизионной ГСН подобного типа предполагается, что для поиска и первичного обнаружения цели будет использована бортовая ИК станция переднего обзора, на индикаторе которой нанесено перекрестие с прямоугольной сеткой, показывающее границы поля зрения ГСН. Пуск ракеты происходит в тот момент, когда оператор совместит перекрестие с целью. Дальность прицельной стрельбы составляет, как отмечает зарубежная печать, 9... 11 км, но при стрельбе по более контрастной тепловой цели (например, по кораблю) дистанция увеличивается до 50 км. Специалисты американской фирмы «Хьюз» создали ракету, чувствительную в области спектра 3...5 мкм, на основе матричного приемника излучения из 3596 элементов. Наличие матрицы позволило отказаться в конструкции ГСН от подвижных частей. 155
В Англии также разрабатываются тепловизионные ГСН с матрицами из ИК приемников и электронным сканированием. Один из проектов предусматривал использование приемника с чувствительностью в области 8... 14 мкм, матрица которого составлена из 32X32 ИК диодов. Тепловая чувствительность таких головок самонаведения выше, а диаметр оптики меньше, чем у тепловизионных ГСН с механическим сканированием, система более помехоустойчива к дымам, но для работы приемника необходимо охлаждающее устройство. Тепловизионные ГСН за рубежом предназначаются для противотанковых (ПТУР) и авиационных ракет. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ГОЛОВКИ САМОНАВЕДЕНИЯ Кроме тепловых за рубежом развиваются и телевизионные ГСН. Предположим, что ракета типа «воздух—земля» запускается с самолета. На ракете установлена передающая телевизионная камера, а на самолете — приемная аппаратура. Ракета своим телевизионным «глазом» просматривает подстилающую поверхность и по радиоканалу передает изображение на борт самолета. На экране бортовой системы отображения оно просматривается пилотом. В центре экрана высвечивается метка, соответствующая направлению оптической оси телекамеры и продольной оси ракеты. Если в поле зрения телекамеры появилась цель и ее изображение с меткой на экране не совпадает, то ракета в цель не попадет. Необходима коррекция траектории полета. Она выполняется вручную оператором, который рукояткой управления вырабатывает электрические сигналы, поступающие с самолета на борт ракеты по радиоканалу. После преобразования в ракете эти сигналы подаются на рулевые органы. Ракета отклоняется, и пилот самолета замечает, как метка на экране индикатора совмещается с целью. Это свидетельствует о правильном направлении полета. Наведение ракеты с телевизионной системой возможно и в автоматическом режиме. Для этого на борту самолета надо предусмотреть ЭВМ. Оператор в таком комплексе будет только следить за наведением или выбирать цель. За рубежом считают, что телевизионное 156
наведение оружия чрезвычайно эффективно. Установлено, что точность попадания, например, при бомбометании с телевизионным наведением оценивается кругом диаметром в 3...4 м, тогда как при свободном бомбометании круг рассеивания увеличивается в размерах до 100... 150 м. Судя по иностранной печати, дальность телеуправления бомбой может достигать 10 км. НАВЕДЕНИЕ СНАРЯДОВ (РАКЕТ, БОМБ) ПО ОПТИЧЕСКОМУ ЛУЧУ Дальнейшее совершенствование систем самонаведения оружия на цель привело к созданию за рубежом полуактивных и активных лазерных приборов самонаведения. По иностранным сведениям, лазерная полуактивная система самонаведения состоит из двух узлов: лазерного целеуказателя и снаряда (ракеты, бомбы), совмещенного с головкой самонаведения. Принцип действия систем основан на облучении цели светом квантового генератора (лазера), которое, отразившись от цели, воспринимается оптической следящей головкой. Конструкция такой оптической головки принципиально ничем не отличается от рассмотренных ранее тепловой или телевизионной головок самонаведения. Преимущество лазерных приборов наведения, по зарубежной оценке, в том, что они чувствуют излучение в очень узком спектральном диапазоне. Как естественные, так и искусственные световые помехи не страшны полуактивным системам. Но и это не все. При подсветке групповых целей узким, практически не расходящимся лучом лазера достигается такая избирательность целей, которая не свойственна другим видам наведения. Во время боя огонь можнр концентрировать на одиночной и подвижной цели, которую следует ликвидировать в первую очередь. Ускоряется время на уничтожение цели, экономится боезапас. Лазерные полуактивные системы наведения за рубежом используются в вооружении самолетов, вертолетов, сухопутных войск. Комбинации размещений лазерного целеуказателя и снаряда (ракеты, бомбы) на носителях могут быть самые разнообразные. Так, в самолетных системах бомбометания световой целеуказа- 157
тель и бомба с головкой самонаведения совмещены на борту одного носителя, как, например, в американской системе целеуказания «Пейв Уэй». В этой системе лазер работает на длине волны 1,06 мкм. На практике применяется и раздельная установка станции подсвета цели и боезапаса. Например, цель маркируется световым лучом с вертолета или самолета, а ракеты (бомбы, снаряды) с головками самонаведения запускаются авиационными или наземными огневыми средствами (рис. 8.12). Возможно и обратное сочетание: подсветку на земле выполняет оператор, а цели поражаются с воздуха. Этот вариант боевого использования лазерной системы наведения для сухопутных войск приобрел наибольшее развитие. На таком принципе работает английская система «Ферранти». Для наведения огневых средств, а также синхронизации действий посты наблюдения и подсвета цели используют радиосвязь. Хотя существенной разницы между двумя последними вариантами наведения нет, блок целеуказания, установленный на борту воздушного носителя, оказывается сложнее. Чтобы удержать лазерный луч на цели при движении носителя, в целеуказателе необходимо применить устройство стабилизации оптического луча лазера. По сообщениям иностранной печати, лазерное наведение бомб, ракет, снарядов эффективно в тактической зоне боевых действий, в пределах прямой видимости. Ночь не служит помехой его применению. Дальность действия системы «Ферранти» по танку составляет 9 км. По морским целям она увеличивается до 16 км при запуске ракеты «Мейверик». Разновидностью отмеченных систем является система целеуказания и полуавтоматического сопровождения целей «Пейв Снайк». Эта система оборудована телевизионной камерой, лазерным целеуказателем и единой для камеры и целеуказателя оптикой. В турели размещается оптическая система, стабилизированный прицел, ИК система переднего обзора «Флир», лазер для подсветки цели и измерения дистанции. Применение РЛС и ИК системы позволяет осуществить поиск и поражение целей. Так как ИК система и лазерный целе- указатель-дальномер имеют общую линию визирова- 158
Рис. 8.12. Атака целей с лазерным целеуказанием: вверху — самолет-целеуказатель; внизу — ударный самолет ния, то экипаж, наблюдая ИК изображение цели, может сам обеспечить лазерную подсветку. При всех достоинствах полуактивные лазерные устройства, как, впрочем, и все оптические приборы, имеют один существенный недостаток. Они слепы в тумане и в условиях облачности, радиус их действия зависит от капризов погоды. Активные системы наведения получили наиболее широкое распространение при наведении противотанковых управляемых ракет (ПТУР). Например, легкие комплексы «Дрэгон» или «Милан» состоят из ПТУР 159
с комплектом пускового устройства и аппаратуры управления. Система управления полуавтоматическая с ИК техникой слежения за ракетой и передачей команд по проводам. Для активного управления на ракете установлены излучатели — ИК трассеры. На ПУ находится следящее устройство, состоящее из оптического прицела с шестикратным увеличением, приемника ИК излучения, электронных схем. ИК приемник излучения обнаруживает ПТУР сразу после ее вылета из пусковой трубы по излучению четырех ИК трассеров. Электронное устройство определяет время нахождения каждого трассера в поле зрения ИК приемника и вырабатывает сигналы управления рулями ракеты. За ракетой от пусковой установки тянется провод. По нему-то и передаются команды управления. Французская ПТУР, аналогичная по принципу наведения описанной системе «Милан», рассчитана на дальность стрельбы до 600 м, которую ракета пролетает за 3,7...3,8 с; спектральная чувствительность ИК приемника попадает на длину волны 0,8 мкм. Лазерные устройства наведения неоднократно применялись авиацией и сухопутными войсками США. Впервые бомбы с лазерным наведением были применены во Вьетнаме для уничтожения хорошо защищенных средствами ПВО стратегических объектов. Прошли годы, и вновь мир ощутил агрессивность американской военщины. В апреле 1986 г. мирные города Ливии подверглись налету американской авиации. Среди прочего смертоносного груза, как сообщали газеты, американцы использовали 225- и 800-килограммовые бомбы лазерного наведения типа «Смарт». Как считают американские специалисты, эта новая техника может определенным образом изменить даже военную доктрину США. Такова, по их оценкам, эффективность оружия с лазерным наведением. 9. СИСТЕМЫ ЛАЗЕРНОЙ СВЯЗИ Привычными средствами передачи информации стали телефон, радио, телевидение, когда связь между абонентами поддерживается по электрическим и радиочастотным линиям (каналам) связи. Кажется бесспорным техническое совершенство используемых в повсе- 160
дневной практике линий связи. Но это впечатление верно при первом взгляде. Поэтому сейчас в нарагтающем темпе осваиваются новые виды связи — лазерная и волоконно-оптическая. Причин тому несколько, и скрыты они в недостатках существующих линий связи. Информацию характеризует спектр передаваемых частот, а канал связи оценивается шириной спектра частот, которую он способен передать. Так, для передачи звуковых колебаний, слышимых ухом человека, ширина спектра информационного канала достаточна в пределах 20 кГц, и такой спектр едва удается пропустить по телефонному проводу. А для передачи телевизионного изображения, ширина спектра которого расширяется до миллионов герц, линия связи должна быть более широкополосной. Необходимость передачи видеосигналов на большие расстояния, возникновение огромного количества источников информации, использующих радиоканалы (достаточно напомнить хотя бы о той насыщенности радиосредствами, которыми располагают современные армии), привело к сильной нагруженности существующих каналов связи. В эфире стало настолько тесно, что из-за взаимных помех информация при передаче искажается. В военной практике использование радиочастотных каналов связи к тому же осложняется секретностью сообщений, необходимостью борьбы с перехватом информации. Поэтому усиленно ведутся работы по созданию новых, более емких каналов связи, ставится задача внедрения направленных видов связи, не создающих взаимных помех. Используемый в последние годы для военной связи СВЧ диапазон радиоволн из-за недостаточности ширины полосы пропускания, наличия взаимных помех не разрешил имеющиеся проблемы при передаче информации на расстояния. Сейчас специалисты возлагают большие надежды на применение для передачи информации более высоких по частоте электромагнитных колебаний оптического диапазона. Потенциально световые волны, используемые в качестве носителя информации, позволяют увеличить ширину полосы пропускания каналов связи на несколько порядков. Так, в оптическом диапа- 6 Зак. 66 161
зоне волн можно было бы разместить около 10 млн телепрограмм или 10 млрд телефонных разговоров. Предполагается, что в XXI в. в системах связи станет господствовать оптоэлектроника. Оптическая связь... О ней заговорили сравнительно недавно, хотя в примитивной форме оптическая связь имеет давнюю историю и с ней знаком каждый человек. Ею пользовались за много веков до того, как появилось электричество. С помощью огня и дыма в пределах прямой видимости предки сообщали с передовых застав о приближении неприятеля. Позднее костры, факелы, ракеты сменились более сложными сигнальными устройствами. Например, в светосигнальном приборе типа маяка пламя керосиновой лампы давало параллельный световой пучок, прерыванием которого подавались телеграфные сигналы. В дальнейшем керосиновое пламя заменили газовым, а его вытеснила электролампа. В таком виде нам знаком оптический телеграф, используемый и поныне, особенно на морском флоте. К началу 1900 г. относится применение гелиографа. Набором плоскопараллельных зеркал солнечный свет направлялся на приемную станцию для сигнализации. Оптическим приемником сигналов во всех случаях служил глаз человека. Перед второй мировой войной на вооружении армий появились оптические переговорные устройства по типу радиотелефона. Передача велась с помощью ИК источников света. Связь была скрытной для противника, но дальность действия ограничивалась несколькими километрами, к тому же аппаратура оказалась сложнее и дороже приборов радиосвязи, которые к тому времени стали поступать на вооружение. С появлением лазерной техники оптическая связь находит все большее применение по сравнению с радиосвязью. Высокая плотность излучения лазерного пучка, его малая угловая расходимость внушали специалистам уверенность в возможности передачи информации на значительные расстояния при весьма малых размерах приемных антенн (объективов). К тому же острая направленность лазерного пучка сулила для военных линий связи высокую помехозащищенность и скрытность действия. Современная система лазерной связи (рис. 9.1) со- 162
Источник сообщений Индикатор сообщений Е КшшмсШ *~Д У™*?* ' л»*»» ъХОлтичеснии 1 *Л1 /VHj7£ f пВетосрильтр Рис. 9.1. Структурная схема лазерной связи стоит из передатчика в виде лазера, оптического модулятора и источника сообщений, канала связи, а также приемной системы, которая включает в себя оптический объектив с фильтром, фотоприемник, демодулятор и индикатор. В отличие от радиопередающего устройства роль несущей частоты в оптическом канале связи возлагается на лазерный луч. Поступающая информация, например речь, видеоизображение, закодированная система сигналов, с помощью оптического модулятора прерывает'световой луч. В приемной части лазерной связи оптическая система (антенна) улавливает излучение лазера и направляет его на фотоприемник для преобразования в электрический сигнал. Дальнейшая обработка электрического сигнала аналогична преобразованию в радиоприемном устройстве: демодуляция и индикация. В тех случаях, когда связь осуществляется на больших расстояниях и сигнал на входе приемной системы мал, применяют квантовые усилители света, располагаемые перед фотоприемниками. При неоспоримых преимуществах лазерной связи специалисты отмечают и ее уязвимые места. Прежде всего они вскрываются при распространении света в атмосфере. Атмосфера способна избирательно поглощать и рассеивать свет, изменять его направление. Из-за этого дальность лазерной связи зависит от прозрачности атмосферы. Для увеличения радиуса связи в атмосфере приходится предусматривать систему лазерных ретрансляторов, что в полевых условиях не во всех случаях может быть обеспечено. При тумане оптическая связь вообще прерывается, ибо сквозь туман свет не проникает. 6* 163
С военной точки зрения, как считают зарубежные специалисты, для передачи информации наиболее благоприятны инфракрасные лучи света, видимые же лучи демаскируют действие лазерной связи. Сейчас для связи используют коротковолновое инфракрасное излучение на длине волны 1,06 мкм, но за рубежом считается более перспективной длина волны света 10,6 мкм, поскольку на ней хорошо генерируется мощное лазерное излучение, а атмосфера обладает минимальным ослабляющим действием. Однако подчеркивается, что развитие лазерной связи на длине волны 10,6 мкм испытывает определенные трудности в связи со сложностью реализации фотоприемного устройства, требующего охлаждения до весьма низких температур (—250°С) Опыты по применению лазерной связи в полевых условиях, проведенные в США, показали обнадеживающие результаты. Например, переговорное устройство фирмы «Хьюз эйркрафт» массой 2,5 кг обеспечивает связь между кораблями, а также между кораблями и береговыми объектами в пределах 10 км. Подобные системы связи монтируются на корпусе полевого бинокля, который одновременно служит поисковым устройством и визиром для наведения на абонента. Специалисты считают, что радиус связи можно увеличить до 25...36 км. Кроме полевой аппаратуры связи, в зарубежных источниках информации сообщают о создании внутри- объектовой связной оптической техники. Такая система создана фирмой «Сименс». Она не критична к точности наведения на приемный аппарат и позволяет в закрытом помещении площадью 100 м2 обходиться без шнура и не создает радиопомех. Висящий на стене телефонный аппарат связан с телефонной трубкой инфракрасными лучами, которые отражаются от стен. Все управляющие сигналы и разговор передаются с помощью излучений светодиодов, находящихся в трубке и аппарате. Устройство позволяет делать вызов абонента. Система опознавания танков («свой — чужой»), находящаяся в разработке, может, по мнению специалистов фирмы «Ханиуэлл» (США), применяться на противотанковых вертолетах. В ней предполагается использовать лазер непрерывного излучения с выходной мощностью 15 Вт. Опознавание основывается на 164
характерных вибрациях танков различных типов, модулирующих отраженное лазерное излучение. Фирмой создан также экспериментальный образец системы обнаружения летных экипажей, потерпевших аварию. В состав этой системы входят лазерный передатчик (мощностью 10 Вт), устанавливаемый на поисково-спасательном вертолете, и малогабаритные оптические отражатели, которыми снабжаются члены экипажей самолетов. Сканирование местности по азимуту лазерным лучом производится в пределах ±10 град. При отражении излучения от отражателя на экране индикатора тепловизионной станции вертолета появляется яркое световое пятно, указывающее местонахождение потерпевших. При использовании отражателя-модулятора между прицелившимся летчиком и экипажем вертолета может быть установлена телефонная связь за счет модулирования отражаемого лазерного излучения сигналами от микрофона. Однако главные усилия военных специалистов США нацелены на разработку космических средств связи, где влияние атмосферы ничтожно и достоинства лазерной связи раскрываются с полной силой. В ближнем космосе лазерные системы связи предполагается использовать для передачи информации с низкоорбитальных ИСЗ на наземные приемные пункты в реальном масштабе времени. Эффективным способом передачи оперативной информации является сеть стационарных спутников-ретрансляторов 1...3 (рис. 9.2). Информация от низкоорбитальных ИСЗ (4...6) передается на один из ближайших стационарных спутников- ретрансляторов. При необходимости она поступает на другой стационарный ИСЗ, а затем с него передача ведется на наземный пункт 7 Зарубежные специалисты считают, что передача информации между спутниками по лазерному лучу будет весьма эффективной и производительной. Максимальное расстояние между низкоорбитальными и стационарными спутниками может составлять 43 000...47 000 км, а между стационарными 83 400 км. Система наведения и слежения лазерной станции должна обеспечить отработку угла упреждения, возникающего за счет разных угловых скоростей, компенсировать неточность стабилизации ИСЗ. Жесткие условия 165
/ / 47 1 ^^-^ Л ^«N. \\ 1 \VJ? Рис. 9.2. Спутниковая лазерная s/z. система передачи данных работы системы наведения требуют установления двусторонней связи, при которой обе станции активно отслеживают друг друга. Поэтому такая система, как полагают за рубежом, будет двухступенчатой. Она включает в себя зеркальную систему грубого наведения с механическим приводом и систему точного наведения, зеркала которой перемещаются от пьезоэлектрического привода. Вопрос о применении лазеров для передачи информации на наземные пункты окончательно не решен. При неблагоприятных условиях предполагается использовать самолетные станции для приема информации в оптическом диапазоне с ИСЗ и осуществлять передачу ее на Землю по радиоканалу. Министерство обороны США, как сообщается в западной печати, начало изучение двух альтернативных способов использования сине-зеленых лазеров. Их излучение способно проникать в толщу морской воды, поэтому предполагается возможной организация космической связи по оптическому каналу с подводными лодками, находящимися под водой. Один способ, получивший название «зеркальный спутник», предусматривает установку лазера на неподвижной или мобильной платформе на поверхности Земли, откуда он будет облучать поверхность океана лазерным светом, отражаемым спутником. Лазерный луч при этом модулируется сигналом сообщения. 166
Во втором варианте под названием «лазерный спутник» сине-зеленую лазерную установку предполагается размещать на самом спутнике, а на линии Земля — спутник будет применен радиочастотный канал связи. Для космического базирования, как отмечается американскими разработчиками, необходимо создать надежный лазер, в котором будут реализованы сложные методы модуляции сигналов, передаваемых с Земли на ИСЗ. Стоимость одного ИСЗ с лазерным передатчиком оценивается в 1 млрд долларов. А пока западная печать сообщила, что лазер использовался в США лишь с борта самолета для передачи цифровых кодов на подводную лодку, находящуюся в погруженном состоянии. Подводная лодка при этом была оснащена оптическим приемником и фильтром, а на самом самолете находился импульсный лазер мощностью 1 Вт. Было выполнено 16 подобных экспериментов с высоты 12 км, из них 15 успешно. Иностранные специалисты считают «лазерный спутник» более приемлемым с эксплуатационной точки зрения ввиду его меньшей уязвимости. Однако они признают, что лазерная техника, необходимая для реализации такого проекта, по уровню надежности пока отстает на несколько лет от той, которая пригодна для проекта «зеркального спутника», хотя в последнем случае нужен более мощный лазерный источник. Подсчитано, что лазеры наземного базирования должны генерировать мощность, по крайней мере в 10 раз большую той, которая нужна для «космического лазера». А это составляет порядка нескольких киловатт. Кроме того, при наземном базировании из-за искажений в атмосфере трудно обеспечить хорошую фокусировку луча. Для снижения эффекта теплового размывания лазерного луча, связанного с поглощением лазерной энергии в атмосфере, а также наличием турбулентных потоков воздуха на трассе, разрабатывается специальная адаптивная оптика. Иностранные специалисты считают, что она позволит регулировать фазу лазерного излучения и компенсировать влияние на лазерный луч атмосферы. Сложность решения этой задачи не вызывает сомнений, если учесть, что время регулирования формы зеркал, определяемое скоростью про- 167
текания флюктуации в атмосфере, должно быть менее одной миллисекунды. Американские специалисты предполагают к концу текущего десятилетия выбрать тип глобальной лазерной связи с подводными лодками, находящимися под толщей океана, и развернуть экспериментальную систему такой связи. Трудности, о которых вначале и не подозревали и с которыми пришлось столкнуться при внедрении военной лазерной связи, как отмечают за рубежом, вызвали у ряда специалистов определенное недоверие к новому направлению связи, но оно было не долгим. Появилась техническая возможность защитить лазерный луч от помех атмосферы, пустив его по светопроводу. Так возникли и успешно развиваются волоконно-оптические линии связи. О них подробнее рассказано в следующей главе. 10. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ связи Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) явились продуктом развития лазерной техники и современной оптической технологии. За сравнительно короткий срок оптические световоды приобрели признание во многих областях техники. Уже действуют ВОЛС в местной и магистральной телефонной связи, их. используют в средствах управления самолетами, кораблями, ракетами, в приборах контрольно-измерительной техники. Зарубежные специалисты отмечают, что ВОЛС находят все большее применение в авиации, космической и вычислительной технике. Структура ВОЛС подобна лазерной линии связи, но изменение оптического канала передачи сигнала внесло отличия в конструкцию системы и поставило перед разработчиками множество инженерных проблем. Волоконно-оптическая линия передачи информации включает в себя передающий и приемный модули, оптические соединители, осветители, смесители, а также волоконно-оптические кабели или жгуты. В передающем устройстве ВОЛС (рис. 10.1) исходная информация в виде электрических сигналов, вы- 168
Датчики информации Аппаратура уплотнения \ \ Модулятор Т | Лазер Ф воле Потребители VOph инрдрнации Ф ,. т , , уДеуплотштело X Щ читело \ штоприепнии Рис. 10.1. Структурная схема волоконно-оптической линии связи данных различными датчиками информации, объединяется с помощью аппаратуры уплотнения в последовательность закодированных электрических импульсов. Этими импульсами с помощью электронно-оптического модулятора кодируют излучение полупроводникового лазера (или светодиода), которое последующим оптическим устройством вводится в световод для передачи на расстояние. В приемном блоке оптические импульсы, направленные оптической системой на фотоприемник, вновь преобразуются, выстраиваясь в последовательность исходных электрических сигналов. Затем аппаратурой де- уплотнения импульсы восстанавливаются в исходную информацию, которая и распределяется между потребителями. Естественно, что в световоде по тем или иным причинам происходит ослабление излучения, наблюдаются искажения формы импульсов. Светодиод и фотодетектор в ВОЛС снабжены электронной схемой стабилизации режима работы. Большие проблемы решены в организации автоматических оптических переключателей потоков информации из одной линии в другую. Их работа основана на электронно-оптических эффектах, возникающих в некоторых оптических кристаллах. Если на такой кристалл подать управляющий электрический сигнал, показатель преломления кристалла изменится и передаваемое оптическое излучение сместится в определенный выходной световод. Когда управляющий сигнал отсут- 169
Рис. 10.2. Распространение света в стекловолокне ствует, оптическое излучение попадает в другой световод. Световод ВОЛС является ответственнейшим звеном системы связи. От его качества зависит дальность передачи оптического сигнала. Обычный световод ВОЛС изготовлен из стеклянного сердечника, который снаружи окружен стеклянной оболочкой с несколько меньшей оптической плотностью. Стеклянная оболочка необходима для того, чтобы луч света, вошедший в стеклянный сердечник, не смог выйти наружу, а претерпевал на границе раздела сердечник — оболочка полное внутреннее отражение. Тогда, многократно отражаясь, световой луч распространяется по сердечнику (рис. 10.2). Стекловолокно можно изгибать, скручивать, даже растягивать. Несмотря на очевидную простоту конструкции стекловолокна, при его изготовлении возникает масса технологических проблем. К тому же световой луч, проходя большие толщи стекла, значительно ослабляется из-за поглощения и рассеяния на неоднородностях среды. Чтобы избежать потерь на рассеяние, количество загрязняющих примесей в стекле не должно превосходить одной стомиллионной части. Для изготовления световодов применяют стекла из чистого кварца, а также пластики. Чистый кварц обеспечивает затухание малой величины (около 4...6 дБ/км) в отличие от пластиковых световодов, затухание в которых возможно до 1000 дБ/км. На коротких линиях, в десятки метров, можно мириться с большим затуханием оптического сигнала, но на длинных участках (километры) оно недопустимо. Поэтому пластиковые световоды пригодны только для коротких линий связи. 170
Рассеяние света в ВОЛС существенно меняется с длиной волны передаваемого излучения. В современных ВОЛС для передачи информации используется длина световой волны 0,8...0,9 мкм, что связано с наличием добротных источников света (полупроводниковых лазеров и светодиодов) и чувствительных фотоприемников. Однако, как отмечается зарубежными специалистами, конкурентоспособность световодных кабелей по сравнению с электрическими, особенно для дальней связи, станет возможной при освоении большей длины волны света (1,3 мкм), когда затухание снижается до 1 дБ/км. Работа в этом направлении уже ведется, хотя элементная оптическая база, как отмечается, еще недостаточно для этого отработана и освоена промышленностью. По сообщениям одной из западных фирм — «Белл системз», ею уже отлаживается телефонная линия протяженностью 4,5 км, работающая на длине волны 1,3 мкм. Другая фирма — «Хьюз лабораториз» в своей деятельности продвинулась еще дальше. Она изготавливает экспериментальные световодные волокна для двухкилометровой линии из поликристаллического йодида таллия и брома. Линия способна передавать сигналы лазеров, излучающих на еще большей длине волны (порядка 10 мкм). Указывается, что затухание становится при этом совсем ничтожным (0,001 дБ/км). Такие волокна могут найти применение для дистанционного измерения температуры слабо нагретых тел (ниже 100° С) благодаря способности передавать их излучение. ВОЛС набирается из последовательно соединенных между собой оптических кабелей, состоящих из отдельных волокон толщиной 50... 100 мкм. Снаружи каждый световод покрыт пластиковой оболочкой. Она предохраняет волокно от разрушения при изгибах, которые допускаются радиусом не менее 60 мм. Внешний диаметр волокна с оболочкой составляет 1...2 мм. Иногда стекловолокна собираются в пучки-жгуты и имеют защитную оболочку и упрочняющие элементы. Многоволоконные жгуты обеспечивают работоспособность даже при разрушении части волокон. Для передачи оптического сигнала применяют нерегулярную укладку нитей стекловолокна. Если по оптическому кабелю необхо- 171
димо передавать изображение, то требуется создать регулярную укладку волокон в жгуте. Задача эта трудная, но выполнимая. Такие жгуты применяются в технике. К волоконно-оптическому кабелю предъявляются определенные требования: его прокладка, как и электрического кабеля, должна быть простой, а сам кабель прочным, быстро и легко сращивающимся в полевых условиях. Если прочность кабеля достигается сравнительно просто (для этого в кабеле имеется металлическая силовая жила, нити защищены пластмассовой пленкой), то выполнение последнего требования представляет определенную техническую проблему, которую нельзя признать еще решенной до конца. Вообще же каждый тип соединения кабеля с кабелем, световода со световодом, переключение оптических каналов связи представляет самостоятельную инженерную задачу, если учитывать, что световые потери в соединениях должны быть ничтожными, а время выполнения соединения малым. Хотя существуют различные технологические препятствия, но в зарубежной печати имеются сообщения о выпуске не только коротких, но и длинных стекловолоконных кабелей (до нескольких километров). Несмотря на относительно высокую стоимость стекловолокна (сейчас называют цену от 0,5 до 2 долларов за один метр) и несовершенство ряда узлов, волоконно- оптическая техника открыла огромные возможности для применения ее в современной, и в первую очередь в военной, технике. Вот неоспоримые преимущества ВОЛС: широкополосность каналов, которая на четыре порядка больше высокочастотных радиолиний связи; отсутствие электромагнитных помех; полная пожа- робезопасность и невозможность короткого замыкания в линиях; ничтожная масса, в 15...25 раз меньшая массы аналогичного электрического кабеля; экономия цветных металлов. По прогнозу фирмы «Гностик консентс» сбыт волоконно-оптической техники для коммерческой связной аппаратуры достигнет в 1990 г. в США 1 млрд долларов, а расходы на такую технику военного назначения возрастут со 168 млн долларов в 1985 г. до 388 млн долларов в 1990 г. 172
Познакомимся теперь с наиболее убедительными примерами применения ВОЛС в военной технике. Для соединения корабельных РЛС с постом оперативного управления требуется медный кабель стоимостью миллионы долларов. Причем кабель подвержен всевозможным воздействиям, начиная от радиопомех и кончая огнем артиллерии противника. Кроме того, он добавляет несколько тонн дестабилизирующей массы, расположенной выше ватерлинии, что ухудшает устойчивость корабля при волнении. Достаточно простым средством решения всех отмеченных проблем оказалось использование ВОЛС с надежным резервированием каналов связи. Подобная замена электрической связи на ВОЛС была проделана на авианосце США, оснащенном РЛС типа AN/SPS- 48С. Такая РЛС размещена под палубой и удалена на 225 м от поста оперативного управления, с которым она обычно связывается пучком из 47 электрокабелей, содержащих 375 сигнальных линий, а также шестью тяжелыми медными шинами, которые применяются для подавления наводок в цепях заземления. В противоположность этому примененная на авианосце ВОЛС включает всего один кабель с 8 волокнами, одно из которых резервное. Прокладка на корабле оптического кабеля, как сообщает западная печать, обошлась примерно в 30 тыс. долларов против 1 млн долларов для медного. Если масса медного кабеля составляла 7000 кг, то для ВОЛС понадобилось всего 6,8 кг стекловолокна. К тому же пропускную способность ВОЛС можно увеличить в случае модернизации, для медной линии такой возможности нет. Наружный диаметр волоконно-оптического кабеля достигает всего 6 мм при прочности на разрыв 225 кг за счет использования армирующего элемента. Американская печать отмечает, что ВОЛС на авианосце обладает высокой надежностью и большим сроком службы. Если учесть, что сейчас на крейсерах и эсминцах США размещено 60 аналогичных РЛС, то выгоды от использования ВОЛС бесспорны. Для летательных аппаратов преимущества ВОЛС оказываются столь же яркими и убедительными. Стремясь расширить летно-тактические качества самолетов, конструкторы постоянно увеличивают их энерговоору- 173
женность путем внедрения новых приборов и агрегатов, наталкиваясь при этом на серию технических проблем. Так, чрезмерно разрастается длина электропроводки, на некоторых самолетах достигающая сотен километров; создается избыточная масса до 1,5 т, крайне обременительная в авиации. Нельзя снимать со счетов и такие факты, как возникновение паразитного электромагнитного излучения, улавливаемого противником, а также появление в проводах электрических наводок при полете на больших скоростях из-за электризации. ВОЛС в авиации позволяет свести к минимуму эти недостатки. Так, на одном из американских самолетов 13 оптических волокон с общей массой 1,36 кг и длиной 75 м заменили 302 обычных кабеля с общей массой 40 кг и длиной 1450 м. По мнению зарубежных специалистов, в течение 20 лет на самолетах металлическая проводка будет полностью вытеснена оптической. Уже сейчас делаются попытки использовать в самолетной аппаратуре свето- водные линии для передачи энергии с целью замены силовой электропроводки испольнительных механизмов и измерительных устройств. В одной такой линии световая энергия мощностью до 5 мВт передавалась по световому волокну и воспринималась фотодетектором, установленным у исполнительной системы. По сведениям ВВС США, ВОЛС предполагается также использовать в ракетных комплексах, в частности для подключения укрытий новых межконтинентальных баллистических ракет типа «MX» к оперативным центрам управления. Предполагается, что система будет обеспечивать передачу команд управления и контроля режимов, телефонную связь с засекречиванием, передачу сигналов от РЛС и средств охранной сигнализации. Для сухопутных войск в США выпускается специальный стекловолоконный кабель повышенной прочности. Он прокладывается внутри цилиндрического канала из полихлорвиниловой оболочки, заполненной маслом, а в саму оболочку запрессованы стальные жилы для обеспечения достаточной прочности на разрыв. Кабель выдерживает давление до 7 кг/см2, возникающее при наезде тяжелого автомобиля. По заказу сухопутных войск США ведется разра- 174
ботка аппаратуры двусторонней связи, предназначенной для наведения противотанковых ракет. Изображение местности, воспринимаемое с помощью тепловой головки наведения ракеты, передается по оптическому волокну, которое в полете сматывается с катушки, установленной в хвостовой части ракеты, со скоростью 180 м/с, при этом образуется двусторонний канал передачи данных «ракета — пульт управления». В США проведены испытания такой ракеты типа «ТОУ». Диаметр оптического кабеля в линии связи составляет 0,3 мм, его прочность на разрыв доведена до 140 кг/мм2 Оператор может находиться в бронированной машине или в надежном укрытии в нескольких километрах от танков противника и наблюдать на экране местность по курсу полета ракеты, запуская одну ракету за другой. Достоинство рассмотренной системы управления, как указывают американские специалисты, состоит в высокой помехозащищенности. Многочисленные публикации рассказывают об использовании стекловолокна для создания целого ряда датчиков различных физических величин. Волоконно- оптические датчики позволяют измерять силу звука, температуру, давление, деформацию, угловую скорость, напряженность магнитных и электрических полей, уровень и скорость потока жидкостей. Они отличаются низкой стоимостью, высокой чувствительностью, надежностью, отсутствием подвижных частей. Например, большой интерес у военных специалистов возник к гидроакустическим устройствам на основе стекловолокна. Имеются сведения о разработке в США гидроакустической станции на базе стекловолоконного датчика, позволяющей обнаруживать под водой подводные лодки. В такой системе акустический датчик выполнен в виде катушки со стекловолокном, по которому передается лазерный луч. Лазерный луч расщепляется на два луча с одинаковой интенсивностью, причем один луч проходит через опорную волоконно-оптическую обмотку, а другой — пропускается через измерительную волоконно-оптическую обмотку, находящуюся в погруженном состоянии. При сложении обоих лучей возникает интерференционная картина. При прохождении через воду акустических колебаний в интерференцион- 175
ной картине возникают фазовые сдвиги за счет изменения показателя преломления и длины измерительной обмотки. Соответствующей дальнейшей обработкой интерференционной картины удается выявить в море акустические шумы определенных видов. Специалисты предполагают, что гидроакустическая станция на основе стекло волокон но го датчика по чувствительности превзойдет существующие. Зарубежные специалисты считают также, что ВОЛС являются удобным средством для безопасного подрыва боезапаса, если по стекловолокну пустить мощный луч света к запалу. Следует отметить, что массового внедрения ВОЛС в военную технику еще не произошло. Имеющиеся на сегодняшний день образцы световодных кабелей не обладают необходимой радиационной стойкостью, и в случае ионизации волокна резко ухудшаются оптические свойства. Однако данный недостаток не мешает оптическим световодам находить новые сферы сбыта. Вот еще ряд примеров, где стекловолокно раскрывает свои потенциальные возможности. Световоды, собранные в жгуты, могут быть применены для подсвета шкал на лицевых панелях приборов. Способность некоторых оптических жгутов пропускать даже ИК лучи делает их незаменимыми элементами пирометров, которые позволяют бесконтактным способом, по интенсивности излучения, измерять температуру рабочих лопаток турбин авиационных двигателей, находить неисправности в системе охлаждения лопаток. Волоконно-оптические жгуты используются для сигнализации о плотности закрытия дверей, крышек, люков в военных строениях. Оптический канал от источника света до индикатора может быть целиком составлен из ВОЛС. Когда дверь плотно закрыта, торцы световодов, установленные в подвижных и неподвижных частях конструкций, будут совмещены, и поток света от специального источника поступит к фотодатчику, который стоит в схеме автоматической блокировки. При неплотном закрытии двери световой поток прерывается, о чем сигнализирует индикатор. По мнению зарубежных специалистов, волоконно- оптические жгуты, выполненные с регулярной уклад- 176
кой волокон, можно успешно применять для замены сложной кинематики в оптических сканирующих системах кругового обзора. Закончим раздел сообщением о мирном применении ВОЛС. Кабели из стекловолокна, соединенные в линии с промежуточными ретрансляторами, сейчас широко внедряются с целью расширения междугородной телефонной связи. Протяженность известных линий связи с использованием стекловолокна за рубежом составляет сотни километров. К 1984 г. в США, например, намечалось построить на световодах междугороднюю сеть протяженностью 883 км. Совсем недавно стало известно, что ряд европейских стран, США и Канада разработали проект, предусматривающий прокладку первого стекловолоконного кабеля по дну Атлантического океана. На выставке «Связь-86» в Москве упоминался такой факт. Франция, имея опыт города Биарриц, в котором впервые полностью внедрена оптическая телефонная связь, переводит на ВОЛС телефонную сеть всей страны. Таким образом, за ВОЛС открывается и большое мирное будущее. И. ЛАЗЕРНОЕ ОРУЖИЕ Обширна сфера действия лазерной военной техники. Однако ни одно из ее направлений не может сравниться, как считают военные специалисты США, с принципиально новым видом оружия — лазерным. Сейчас уже ни для кого не секрет, что в США форсируют его создание. Министерство обороны США только за последнее десятилетие израсходовало 1,25 млрд долларов на разработку лазерного оружия и в предстоящие пять лет намерено израсходовать еще 1 млрд долларов на эти цели. Разумеется, что все технические достижения по лазерному оружию хранятся в тайне. Однако общие вопросы, сведения рекламного характера, дискуссии ученых об этом оружии приводятся в открытой печати. Публикуемые мнения и сообщения обобщены в настоящем разделе. Оптическое излучение оказывает тепловое действие на материал. При избытке тепла материал испаряется. 7 Зак. 66 177
Этот факт и породил мысль о возможности создания теплового оружия. Красноречиво о нем сказано на страницах научной фантастики: «На таинственном корабле, на носовой башне, появился луч. Он был тонок, как вязальная игла... и шел... не расширяясь. Никому в ту минуту не приходило в голову, что перед нами самое страшное оружие, когда-либо выдуманное человечеством»* Хотя идея разработки теплового оружия казалась весьма заманчивой, особенно после изобретения лазера, на пути ее реализации возникло множество нерешенных проблем принципиального характера. Чтобы быстро растопить даже легкоплавкий сплав, необходима значительная энергия. Какую же колоссальную мощность потребует для этого лазер? Ведь необходимо покрыть потери энергии в самом лазере, учесть коэффициент отражения металла и время его облучения, расхождение луча и ослабление его в атмосфере. По оценке западных физиков, автономные источники электропитания не в состоянии компенсировать все эти расходы энергии. Для этого необходима мощная электростанция. Реальные возможности возникновения лазерного оружия за рубежом долгое время оставались призрачными, пока не появились определенные успехи в развитии газодинамических лазеров и лазеров на основе химических источников энергии. Газодинамический лазерный источник излучения появился на свет в 1968 г. в США. На длине волны 10,6 мкм была развита небывалая мощность излучения 60 кВт. Первые же опыты доказали, что лазер с такой мощностью способен вызывать возгорание деревянных мишеней на расстоянии 8,5 км. Затем в 1970 г. из США поступила весть о разрушении лазерным пучком головной части ракеты за время менее одной секунды, а в 1972 г. сообщалось об уничтожении лазерным лучом телеуправляемого самолета. В тех случаях, когда энергии лазера мало для разрушения боеголовки, за рубежом считают достаточным ослепить ее аппаратуру наведения. Например, оптико- электронные приборы системы наведения чрезвычайно чувствительны и могут быть поражены относительно слабым лучистым потоком. •* А. Толстой. Гиперболоид инженера Гарина. 178
За рубежом имелись попытки создать лазерное оружие и для поражения живой силы противника. Такое оружие опасно, в первую очередь для органов зрения. Оно вызывает ожоги сетчатки и потерю зрения. Официальные сообщения последних лет о результатах разработки лазерного оружия говорят о том, что острие научных исследований нацелено на создание оружия ПВО и ПРО для борьбы с межконтинентальными баллистическими ракетами и самолетами. Высокоэнергетические лазеры, как считают в США, способны изменить характер вооруженной борьбы, особенно в космосе, где нет атмосферы, искажающей и поглощающей световые лучи. Распространяясь со скоростью света, луч лазера практически мгновенно может поразить цель. Этим облегчается прицеливание, поскольку исключается расчет упреждения, необходимый при стрельбе обычными снарядами. Лазеры способны поражать цели очередью, при этом цели могут находиться близко к своим боевым порядкам. По оценке зарубежных специалистов, ожидается в пересчете на один излучаемый импульс низкая стоимость лазерного оружия, которая составит от нескольких сотен до двух тысяч долларов, тогда как стоимость тактической управляемой ракеты доходит до 20...500 тыс. долларов. Хотя темпы развития «лучей смерти» взвинчены до предела, на Западе имеются и скептические прогнозы о целесообразности лазерного оружия. Некоторые «экономисты» подсчитали, что лазерное оружие для борьбы, например с самолетами, обойдется намного дороже, чем использование ракет для тех же целей. В США разрабатывают лазерное оружие для всех видов вооруженных сил. Так, создается оружие для ПВО и для борьбы против танков путем вывода из строя их разведывательно-обнаружительных средств и оптических устройств. В сухопутных войсках разрабатывается самоходная высокоэнергетическая установка на базе танка, предназначенная для борьбы с вертолетами и самолетами. При мощности излучения 30... 40 кВт во время испытаний в середине 70-х гг. ею были сбиты беспилотные вертолеты. Сейчас создается другая подобная установка. В ВМС США исследуется применение лазерного 7* 179
оружия для защиты кораблей от крылатых ракет. На испытаниях в 1978 г. с помощью химического лазера с выходной мощностью 400 кВт добивались уничтожения противотанковых управляемых ракет. Первые испытания по применению высокоэнергетических лазеров для поражения воздушной цели ВВС США провели в 1973 г. Несколько позднее в испытательном центре Сандия на авиабазе Киртленд были экспериментально уничтожены лучом лазера мишень в воздухе и управляемая ракета «Сайдуиндер» в наземных статических условиях. В первом случае луч наводился на отсек двигателя, что привело к поражению цели, во втором — на неконтактный взрыватель, который сработал и подорвал боевую часть. В зарубежной литературе не скрывают трудностей создания лазерного оружия, его испытания. Неудачи, в частности по уничтожению ракет класса «воздух — воздух», связываются со сложностью решения проблемы наведения луча на цель. Отмечаются и такие проблемы, как обеспечение достаточной мощности светового луча на эффективной дальности, неспособность луча лазера проникать сквозь облака, его подверженность ослабляющему действию со стороны атмосферы. Отмеченные трудности не так велики в космосе, где размещение лазерного оружия в 10...20 раз эффективнее, чем в атмосфере, а дальность действия может составить несколько тысяч километров. Поэтому в качестве первоочередной задачи сегодняшнего дня в США поставили развертывание лазерного оружия в космосе. Космические платформы с лазерным оружием, по мнению Пентагона, целесообразно использовать для поражения в воздухе бомбардировщиков, вывода из строя подводных лодок и танкеров, снабжающих суда топливом, а самое важное — баллистических ракет. Развитию лучевого оружия новый импульс придала выдвинутая в марте 1983 г. доктрина Рейгана о создании широкомасштабной ПРО с элементами космического базирования, цинично названная в США «стратегической оборонной инициативой» (СОИ). В чем же суть этой военной затеи? Специалистами США отмечается, что ракеты-носители, стартующие в тысячах километров от территории США, могут быть эффективно атакованы только из кос- 180
моса. Именно поэтому СОИ рассматривается в США как программа развертывания оружия, базирующегося в космосе. Отмечают, что осуществление этого плана президента станет новым качественным скачком в гонке вооружений. По заявлениям трезво мыслящих ученых США, вполне возможно, что создание космической ПРО может спровоцировать ядерную атаку — ту самую, которую ПРО предназначена предотвратить. В США существуют разные проекты СОИ. С точки зрения надежности обороны показано, что наиболее эффективным является поражение ракет противника еще на активном участке траектории, когда ракета выходит из плотных слоев атмосферы на высоту 300... 400 км после 3—5-минутного разгона после старта. Полоса обороны, уничтожающая ракеты в первой фазе полета, потребует, как отмечается в западной печати, создания многих вспомогательных компонентов. В их задачу будут входить быстрое обнаружение ракет по их факелам, определение числа ракет, измерение их траектории и слежение за ними, выбор оружия уничтожения, наведение его на цель и производство «выстрела». Приведенная последовательность действий должна выполняться в автоматическом режиме. Сейчас для этих целей в США исследуются возможности применения трех типов оружия. В первом варианте предлагается использовать лазерные лучи, во втором — пучковое оружие, испускающее частицы столь же быстрые, как и свет. В третьем случае для уничтожения ракет-носителей думают применить различного рода снаряды, не имеющие взрывчатки. Такие снаряды должны наводиться на инфракрасное излучение ракет- носителей. В отношении базирования такого оружия в космическом пространстве возможны такие варианты: либо оно будет постоянно находиться на орбите, либо должно «выстреливаться» в космос в момент атаки противника. У каждого варианта, как отмечают специалисты, имеются сильные и слабые стороны. Наличие противоракетного оружия на орбите более эффективно при внезапном нападении, но такое оружие само уязвимо, так как находится постоянно «на виду». Оружие, «выстреливаемое» на орбиту, было бы более надежным, 181
если бы не жесткие временные ограничения на приведение его в боевую готовность. Проблема дефицита времени, столь важная для системы перехвата методом «выстреливания», может быть решена, если, по крайней мере, некоторые компоненты этой системы попытаться разместить в космосе. Низкоорбитальный противоракетный спутник обладал бы преимуществом близкого расположения оружия к целям. Однако его эффективность снижается вследствие «фактора недоступности». Вследствие собственного орбитального движения и вращения Земли траектория такого низкоорбитального спутника будет проходить вблизи намеченной на поверхности Земли точки только дважды в день. Следовательно, многие стартовые позиции МБР не будут видны со спутника одновременно и окажутся вне зоны его действия. Проблема временной недоступности целей может быть решена путем размещения ряда компонентов этой системы на геостационарном спутнике, который запускается на высоту 36 000 км и вращается синхронно с Землей. Однако зарубежные специалисты отмечают, что какое бы противоракетное оружие не применялось, столь огромное расстояние делает практически безнадежной засечку ракеты-носителя по ИК излучению факела двигателя. Дело в том, что разрешающая способность любого оптического прибора ограничена вследствие явления дифракции световых лучей. Наименьший размер точки, на которую зеркало может сфокусировать луч, определяется длиной волны света, диаметром сферического зеркала и расстоянием до этой точки. Длина волны ИК излучения от факела реактивной струи составляет 1 мкм. Поэтому наведение луча на объект размером 0,5 м с расстояния 36 000 км потребует создания зеркала, фокусирующего луч лазера, размером с футбольное поле (100 м в диаметре). Перспектива использования на орбите высококачественной оптики подобного размера, как считают специалисты, представляется весьма отдаленной. Поэтому зарубежные специалисты указывают, что направления дальнейших разработок в США замыкаются на переход к более коротким длинам волн излучения, а также на уменьшение дальности наблюдений за ракетами про- 182
тивника. Предполагают усовершенствовать геостационарную систему за счет размещения на околоземных орбитах оптических инструментов. Один из таких вариантов предусматривает применение наземной системы эксимерных лазеров, работающей совместно с орбитальной оптической техникой. Каждый наземный эксимерный лазер посылает свой луч с длиной волны примерно 0,3 мкм к расположенному на геостационарной орбите зеркалу диаметром около 5 м. Отразившись от него, луч лазера попадает на соответствующее «боевое зеркало», находящееся на низкой орбите (100 км). В свою очередь, «боевое зеркало» с помощью И К телескопа наводит и концентрирует луч эксимерного лазера на стартующую ракету-носитель. Для нейтрализации МБР противника по проекту СОИ необходимо создать до 70 орбитальных «боевых зеркал». Для каждого из них нужно вывести свое геостационарное зеркало. С учетом «фактора недоступности» каждому «боевому зеркалу» потребуется еще 6 зеркал на других орбитах. В общей сложности на орбиты придется вывести свыше 400 «боевых зеркал». Приведенные расчеты считаются крайне заниженными, в предположении, что противник будет сидеть сложа руки и не предпринимать никаких контрмер (о возможных таких мерах рассказано в следующей главе). Главное преимущество рассмотренной системы американские специалисты видят в том, что сложные и тяжелые лазерные установки с их источниками питания будут находиться на Земле, а не в космосе. Однако луч любого лазера, находящегося на Земле, будет в значительной степени искажаться атмосферой. Допустив возможность даже безупречной работы подобного комплекса, американские инженеры подсчитали его энергозатраты, необходимые для уничтожения МБР противника. Не вдаваясь в подробности вычислений, сообщим, что, по оценке специалистов США, затраты превышают мощность 300 электростанций, т. е. они составляют 60% суммарной мощности всех электростанций, имеющихся на территории США. Более того, эта энергия не может быть моментально выделена из энергосистемы. И ученые пришли к выводу, что для энергообеспечения всей системы лазерного оружия потребуются затраты в 100 млрд долларов. Поэтому 183
США продолжают ядерные испытания в надежде отработать систему, в которой необходимую энергию можно будет получать за счет атомного взрыва. В иностранной литературе освещается и второй способ перехвата ракет на первой фазе полета. Он заключается в запуске- на орбиту системы с рентгеновским лазером, единственным легким устройством, подходящим для этой цели. Рентгеновский лазер состоит из цилиндрической системы тонких волокон, окружающих ядерное взрывное устройство. Тепловые рентгеновские лучи, генерированные ядерным взрывом, стимулируют рентгеновское излучение лазера из атомов волокон. Если оптическое излучение лазера отличается острой направленностью, то рентгеновское излучение нельзя сделать строго направленным, поэтому предполагаемый лазер создает более широкий луч и на расстоянии 4000 км будет давать световое пятно диаметром около 200 м. Программа исследований в области рентгеновских лазеров строго засекречена. Однако известно, что сейчас идет усиленная отработка подобного излучателя. Другие способы перехвата МБР в плане СОИ — использование мощного лазера, источника нейтральных частиц, а также самонаводящихся средств поражения — предусматривают размещение боевых средств на околоземной орбите. Еще в конце 1979 г. в США было выдвинуто предложение о разработке и создании 18 ИСЗ, на каждом из которых предлагалось установить мощный лазер с выходной мощностью 5 МВт и зеркало диаметром 4 м для наведения лазерного луча на цель, а также средства обнаружения и сопровождения целей с электронной аппаратурой управления лучом лазера. По оценке американских инженеров, расчетная дальность действия таких лазеров составляет 500 км. В дальнейшем была определена техническая возможность создания лазеров с большей мощностью, до 10 МВт, и диаметром зеркала 10 м. Космический лазер с выходной мощностью 5 МВт и диаметром зеркала 4 м будет весить 45 т, а при мощности 10 МВт и диаметре зеркала 10 м — 63,5 т. Стоимость такой лазерной космической станции оценивается в 1 млрд долларов. По оценке военных специалистов 184
США, в космосе надо развернуть 50... 100 таких станций. Министерство обороны США указывало, что если лазерное оружие в космосе будет развиваться на базе существующих космических аппаратов, то развертывание космических систем лазерного оружия может обойтись в 300...400 млрд долларов. Первым высокоэнергетическим лазером был газодинамический лазер на СОг, излучающий на длине волны 10 мкм. С его помощью предполагалось выполнить перехват и уничтожение беспилотных летательных аппаратов типа «Файерби». Сейчас наиболее подходящим для оружия признан химический лазер, он в 10...20 раз по мощности превосходит газодинамические излучатели света. Самым мощным излучателем в США явился химический лазер на фтористом дейтерии с выходной мощностью 2,2 МВт. Этот лазер излучает на длине волны 3,5...4 мкм, для которой атмосфера достаточно прозрачна. Однако, как отмечают западные специалисты, для поражения в космосе спутников и МБР на участках активного полета потребуется мощность излучения, превышающая достигнутую в 10 раз. Для снижения эффекта теплового размывания лазерного луча в атмосфере развивается так называемая адаптивная оптика, которая позволит регулировать фазу лазерного излучения и снизит вредное действие атмосферы на лазерный луч. Указывается, что точность наведения лазерного луча должна быть весьма высокой, порядка 0,2 мкрад. Это значит, что на расстоянии 12 500 км ошибка смещения светового луча составит 30 см. Форма зеркал адаптивной оптики при использовании лазера на фтористом дейтерии при этом не должна отступать от заданной более чем на 3...4 мкм. На разработку химических и эксимерных лазеров в 1984... 1989 гг. в США запланировано израсходовать по 480 млн долларов, на разработку рентгеновских лазеров — 895 млн долларов. Министерство обороны США планирует продемонстрировать действие химического лазера мощностью 2 МВт. Если предположить, что будут созданы химические лазеры мощностью 25 МВт и оптически совершенные 10-метровые зеркала станут технологически осущест- 185
вимы, то, по мнению иностранных специалистов, США, видимо, смогут располагать противоракетным оружием с радиусом поражения 3000 км с использованием 300 таких лазеров, находящихся на околоземных орбитах. Это оружие, как считают эти специалисты, сможет при отсутствии контрмер уничтожить до 1400 ракет-носителей, но при условии, что каждый лазер полностью выполнит свою задачу. Самонаводящиеся по ИК излучению ракеты также рассматриваются как средство против МБР. Очевидное их преимущество в том, что они гарантируют, по мнению тех же специалистов, практически мгновенное разрушение МБР, тогда как лучевое оружие должно в течение некоторого времени удерживать луч на быстро перемещающейся цели. В США приступили к исследованиям по созданию и пучкового оружия. В основу концепции такого оружия положена способность электронного пучка следовать по ионизационному каналу, созданному лучом лазера. Поражающая сила такого оружия будет достаточной, по мнению американских специалистов, для уничтожения ракет на дальностях до 1500 км. Из всего этого следует, что милитаристские круги США, ослепленные ненавистью к коммунизму, стремятся к абсолютному военному превосходству и поэтому оборачивают достижения человеческого гения против самого человечества. 12. МАСКИРОВКА И ПРОТИВОДЕЙСТВИЕ ВОЕННЫМ ОПТИЧЕСКИМ СРЕДСТВАМ В последние годы в армиях капиталистических государств возрос удельный вес совершенной оптической техники, в том числе и лазерной. В связи с этим совершенствуются также средства маскировки и противодействия оптическому излучению, использованию оптических визуальных и оптико-электронных средств. Многогранные задачи маскировки и противодействия сложны, трудоемки и в ряде случаев не поддаются однозначному решению, но специалисты считают, что затраты на их реализацию с лихвой окупаются. К настоящему времени считаются, хорошо отработанными приемы противодействия визуальным оптиче- 186
ским средствам. Развитие оптико-электронной, лазерной техники стимулировали появление новых приемов и средств противодействия. Общие методические вопросы по данной проблеме в открытой литературе не изложены, поэтому рассмотрим решения частных проблем маскировки и противодействия. ПРИЕМЫ СВЕТОВОЙ МАСКИРОВКИ Говорят, что ночью все кошки кажутся серыми. Видимо, это так, если вспомнить, что колбочковый цветовой аппарат зрения человека ночью выключается и восприятие происходит из-за наличия палочек, которые реагируют на яркостные сигналы. Поэтому ночью на первый план выдвигаются вопросы светомаскировки. Западные специалисты считают, что в ряде случаев целесообразно полностью замаскировать освещенный или излучающий объект или придать ложному объекту вид плохо замаскированного. При ночной маскировке ложные световые ориентиры могут оказывать неоценимую пользу. Еще в войну 1914...1918 гг. делались попытки путем создания ложных объектов и ложных световых точек изменить конфигурацию больших городов, чтобы дезориентировать противника и тем самым затруднить прицельное бомбометание. Грандиозным примером такого мероприятия явилось создание в 1918 г. ложного Парижа, правда, незавершенного в связи с окончанием войны. Вот что писали газеты в то время: «Местом для этого грандиозного сооружения была выбрана излучина реки Сены, сходная по своему начертанию с той, на которой находится настоящий Париж. Эта излучина находится примерно в 15 км северо-западнее Парижа. С помощью постройки временных бараков имитировали Париж, устроили полное подобие искусственных версальских каналов, создали движение поездов с помощью света. Планировка этого ложного Парижа была сходной с настоящей, во всяком случае в части главнейших сооружений, площадей, вокзалов, железнодорожных линий. Ложные постройки, по-видимому, состояли из деревянных остовов, обтянутых сверху прозрачной тканью в тех случаях, когда имитирова- 187
лись стеклянные крыши фабрик и заводов. Под крышами были расположены рядами электрические лампочки, допускавшие полное и частичное их тушение. При первом сигнале о появлении самолетов противника (немцев) в настоящем городе тушили огни и поднималась дымовая завеса, скрывавшая от глаз летчиков дороги и реки, служившие ориентирами, а в ложном Париже зажигался полный свет, который должен был привлекать внимание находившегося еще вдали противника. С приближением самолетов в ложном Париже свет уменьшался, изображалось как бы несколько запоздавшее тушение огней настоящего города». Этот классический пример ночной маскировки является весьма поучительным с точки зрения изучения принципов маскировки, которые могут быть выделены при устройстве объекта любого масштаба. Прием световой дезориентации противника с целью переключения его внимания называют световым камуфляжем. В идеале, конечно, должна выполняться полная маскировка света, но добиться этого весьма сложно. Освещение, как правило, не должно быть видно противнику, поскольку оно может служить ориентиром для прицеливания. Достаточно вспомнить, что свет зажженной спички виден с высоты 500 м, а свет, проникающий через окна,— с высоты 10 000 м, чтобы понять важность тщательной маскировки света. Световое зарево от большого нормально освещенного города видно с расстояния 100 км. Опыт показывает, однако, что естественное ночное освещение или освещение светящимися авиабомбами может позволить летчику противника ориентироваться над городом даже при полном его затемнении. Город особенно демаскируют ночью водные поверхности вследствие зеркального отражения света от воды, а зимой из-за ровной белизны покрывающего их льда и снега. Световая завеса может скрыть детали ландшафта, которые были бы видны в условиях затемнения. Поэтому в особых случаях могут быть достаточно эффективными приемы светового камуфляжа. Именно поэтому во время второй мировой войны были предложения по ночной маскировке больших городов, но не путем полного их затемнения, что трудно выпол- 188
нить организационно, а путем световой дезориентации. Регулярная картина световых пятен, не соответствующая ночному облику города, с одной стороны, сбивает летчиков с толку, с другой — позволяет сохранить в городе слабое искусственное освещение, крайне необходимое для жизнеобеспечения города и жителей. При режиме затемнения важно требовать, чтобы освещение, во всяком случае, не могло демаскировать объект и служить ориентиром для авиации противника, находящейся на расстоянии, достаточном для обнаружения объекта. Улучшить светомаскировку автотехники, имеющей включенные фары, с воздуха помогает исключение прямой видимости света фар при тряске машин на неровных дорогах, дорогах, идущих в гору. С этой целью фары закрываются козырьком, экранирующим свет. Гораздо труднее бороться с видимостью светового пятна от освещения фарой дороги. Свет фары должен быть разумно распределен, он должен высвечивать лишь такой участок дороги, который необходим для безопасного движения. Экранировка фар инфракрасными фильтрами определенным образом позволяет повысить светомаскировку автотехники. Но в этом случае водители должны использовать для вождения приборы ночного видения. СТРУКТУРНАЯ МАСКИРОВКА Структурная маскировка рассматривает вопросы защитной и искажающей окраски, а также специальные маскировочные видоизменения предметов (сооружений, средств транспорта, предметов вооружения). Не всегда можно накрыт!? объект «шапкой-невидимкой». Приходится довольствоваться, более скромными задачами, например, затруднить обйаружение корабля на больших дистанциях или на фоне берега, создать у противника неправильное представление о типе корабля и направлении его движения. Нельзя скрыть населенный пункт или группировку войск, скопление военной техники, особенно сейчас, при наличии космических средств разведки. Но затруднить опознавание, отнять у противника время на демаскировку, важное в военный период, позволяет структурная маскировка. 189
Умелая маскировка путем проведения целого комплекса таких мероприятий, как затруднение правильного использования ориентиров, создание ложных объектов, обработка прилегающих участков местности, соответствующая окраска сооружений может заставить противника терять драгоценное время. Исходные принципы для структурной маскировки строят на основе обобщенного опыта, им учатся у природы. В природе мы сталкиваемся с наиболее совершенными приемами маскировки, при которых тело того или иного животного неотличимо по своим оптическим свойствам от окружающей среды. Многие бывали на Черном море и видели медуз. Так вот, медузы практически невидимы в воде. Для достижения такого эффекта необходимо, чтобы световые показатели преломления тела животного и окружающей среды примерно совпадали. Тогда лучи света не будут отражаться и изменять свое направление при прохождении через тело животного. Еще более важно, чтобы показатель поглощения тела животного не превышал показателя поглощения среды. С целью полной маскировки необходимо, чтобы в каждом участке спектра и в каждом направлении наружный покров отражал столько же света, сколько и фон. Не имея этого равенства, объекты не будут сливаться с фоном. В военное время нижние плоскости самолетов, например, окрашивались светлой краской, чтобы они меньше выделялись на фоне неба, а верхние плоскости старались сделать по цвету подобными темному фону земной поверхности. Имитация листвы и травы является одним из примеров маскировки. Очень просто найти краски, которые имеют такой же оттенок, как и трава и листва. И эти краски наносятся на объекты или холсты для визуальной имитации не только цвета, но и формы естественных объектов. При подборе имитирующей окраски необходимо считаться с наличием собственных и падающих теней, чтобы соблюсти фактуру фона. Соответствующий маскировочный эффект в природе часто создается темными полосами, пересекающими тело животного. Правда, эти полосы у животных играют и другую роль. Но 190
этим же приемом пользуются военные специалисты для маскировки. Так, целостность сооружений они разбивают нанесением темных полос по объекту. Контуры падающих теней разрушаются путем насадки на крыши козырьков неправильной формы или посадки растительности на участке, куда падает тень. Некоторые рыбы проявляют способность абсолютной маскировки, точно копируя с помощью пигментации спектральную кривую отражения фона. Камбалу, например, клали в аквариуме на синий, красный, зеленый, желтый фоны, и она успешно перекрашивалась во все соответствующие цвета фона. Кроме того, камбала способна копировать не только окраску грунта, но и его рисунок. Это свойство используется и при маскировке объектов, которые окрашивают пятнами, часть из которых на данном фоне выпадает из поля зрения, чем затрудняется восприятие целого. Такая окраска в военной практике наиболее распространена. Все перечисленные приемы маскировки взяты из природы. У нее же мы можем научиться и другому приему — искажающей окраске. Многие животные, как бы в нарушение принципов фотометрической маскировки, имеют отчетливо выраженные и резко контрастирующие полосы и пятна, как у зебры или ягуара. В данном случае целям обмана служит не только область оптических фактов, но и психология. Подобная пятнистая окраска разрушает непрерывность восприятия поверхностей и ограничивающих их контуров, оптически деформирует объект. Зрительный образ, особенно если он кратковременный, не вызывает картины определенного животного и тем более затрудняет оценку его положения и направления его движения. Этот прием природы получил у военных специалистов название камуфляжа. Разрушение правильности контуров легко достигается с помощью резкой границы оттенков. Нанесение резко контрастирующих пятен создает впечатление излома поверхности. Камуфляжем широко пользуются на флоте, в армии, в авиации. Подбирается такая нарочно контрастная раскраска объекта, которая дает неверное представление о его форме. Камуфляж кораблей, например, рассчитан на наблюдателя, находящегося в подводной 191
лодке и рассматривающего окружающую обстановку в перископ с уровня моря. Нет почти никакой возможности скрыть корабль, видимый на фоне неба, сделать его яркость и цвет близким к яркости и цвету неба. Поэтому идея камуфляжной окраски состоит в том, чтобы дать наблюдателю на подводной лодке неверное представление о направлении и скорости движения, которые крайне необходимы для торпедной атаки. Для этого у носовой части подкрашивается ложный бурун белого цвета, который всегда появляется у движущегося корабля и исчезает у неподвижного. Иногда тот же камуфляж помогает ввести в заблуждение наблюдателя относительно типа кораблей, их количества. На помощь маскировщику тут приходит и предрассветное или сумеречное освещение, легкий туман и прочие обстоятельства. В армейской практике искажению формы помогает так называемое «отпадение» некоторых пятен окраски к фону, с которым они хорошо сливаются. Если, к примеру, танк окрашен зеленой, серой и коричневой красками, то вероятность такого «отпадения» какого-либо из пятен остается высокой, даже при изменении танком своего положения. Замечен такой факт, что при стрельбе по амбразурам укрепленных точек, когда имеются сколы краев и правильная форма искажается, стреляющие начинают ощущать неуверенность при прицеливании. Потерявшая правильную форму амбразура начинает хуже выделяться на фоне и становится «камуфлированной». При разработке вопросов оптической маскировки возможные варианты исследуются методом моделирования, причем для этого, применяются специальные установки, создающие необходимые условия освещения: модели фотографируются на цветную пленку и по ним оценивается качество камуфляжа. Возможность работы на моделях обусловлена фотометрическим законом подобия. Согласно этому закону все фотометрические характеристики остаются неизменными, если яркости сохранены, линейные размеры объектов уменьшены в б раз, но во столько же раз увеличены коэффициенты поглощения и рассеяния (б — масштаб модели). Опыт показывает, что сооружения, построенные 192
с учетом требований маскировки, весьма трудно обнаружить и различить с воздуха при наблюдениях или фотографировании как днем, так и ночью. ПРОТИВОДЕЙСТВИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫМ СРЕДСТВАМ Появление на вооружении инфракрасных и лазерных систем наблюдения и наведения стимулировали разработку контрмер. Основные надежды зарубежные специалисты возложили на использование дымовых завес, ослабляющих ИК лучи, на маскировку излучения военных объектов и целей, на создание ложных ИК излучателей, затрудняющих селекцию и уничтожение ИК целей. В армиях капиталистических стран первоочередной задачей считают маскировку танков от оружия противника. Для этого применяют специально разработанную окраску, снижающую контраст машин на окружающем фоне не только в оптическом, но и инфракрасном и радиолокационном диапазонах спектра, заменяют активные ИК приборы ночного видения на пассивные и теп- ловизионные. Для снижения уровня ИК излучения на танках устанавливаются системы охлаждения отработавших газов. Для этого на коллектор наносятся специальные покрытия. В Англии для улучшения маскировки и снижения уязвимости боевых машин и танков разработана бортовая гранатометная установка VIRSS. Она позволяет создавать помехи оптическим средствам наблюдения и прицеливания как в видимом, так и в ИК диапазоне спектра. Ее испытания проходят на новом танке «Чел- ленджер». Установка укомплектована 12 гранатометными блоками, изготовленными из прочной пластмассы, которые установлены с разных сторон пушки. В башне танка находится пульт управления стрельбой и электрогенератор, который вырабатывает постоянный ток для питания цепей воспламенения вышибных зарядов гранат. Для постановки маскировочной дымовой завесы гранаты выстреливаются по одной с небольшими интервалами. Повышенная эффективность завесы достигается за счет того, что гранаты разрываются не на земле, 193
а еще в воздухе на расстоянии 25 м перед танком и в достаточно широком секторе. С начала формирования завесы и вплоть до ее рассеивания в результате последовательного разрыва большого числа гранат в ней постоянно имеются области высоких температур. Как отмечает зарубежная печать, благодаря высокой температуре создаются тепловые помехи и значительно снижается эффективность применения противником ИК аппаратуры, в том числе и тепловизионных танковых прицелов. Применение дымовых завес и ослепление противника дымами эффективно также и против огневых противотанковых средств. По иностранной оценке, маскирующая дымовая завеса снижает действенность огня ПТУР в 3...5 раз, а ослепляющая — в 15 раз. Широкое применение электронно-оптических средств в авиации вызвало резкую активизацию работ по созданию аппаратуры электронно-оптического подавления. Так, для постановки помех ИК головкам самонаведения ракет класса «воздух — воздух» и «земля — воздух» по заказу ВВС США фирмой «Хьюз» создана лазерная станция. Точность наведения ее луча 100 мрад, выходная мощность 100... 1000 Вт в диапазоне длин волн 2...5 мкм. Для создания ложных целей в авиации распространены различные ИК ловушки, использующие пирофорные материалы — жидкости, самовоспламеняющиеся при распылении в воздухе, хотя в ИК ловушках прежних лет имели место твердые горючие вещества, требующие принудительного инициирования. Длительность горения ловушек не менее 6 с. Для выбрасывания ловушек самолеты имеют специальные устройства, которые включаются от датчиков ИК или лазерного излучения. Эти обнаружительные датчики обеспечивают предупреждение летчика о применении против его самолета оружия, причем за время, достаточное для принятия решения о начале, количестве и темпе выброса ловушек. В автоматическом режиме время выброса может регулироваться в пределах 0,1...6 с. В течение этого времени температура пламени ИК ловушек постепенно повышается. Например, в английских устройствах противодействия она достигает 550° С. При визуальном обнаружении угрозы зарубежные 194
специалисты рекомендуют выбрасывать ИК ловушки хаотически, по определенной и заранее введенной программе. Выброс ловушек прекращается с того момента, когда перестают приниматься сигналы от датчиков. Основным условием успешной индивидуальной защиты самолета в случае применения ИК ловушек является совпадение характеристик теплового излучения его двигателей с пламенем ловушки. По заказу армии США в последние годы разрабатывается приемник предупреждения о лазерном облучении. Он предназначен для вертолетов и позволит выявлять системы с лазерным наведением. Как отмечает зарубежная печать, в приемнике определяется длина волны и направление лазерного излучения с целью создания помех или уничтожения таких систем оружия. Фирма «Ханиуэлл» для обнаружения целей со стороны задней полусферы самолета разрабатывает систему, совмещающую доплеровскую РЛС и ИК датчик. Система будет предупреждать об опасности только при определенном соотношении информации от обоих датчиков. ОСВЕЩЕНИЕ ПОЛЯ БОЯ В связи с появлением в войсках большого количества приборов ночного видения возросла роль маскировки и противодействия ночью, так как противник может не только обнаруживать передвижение и сосредоточение войск и техники, но и эффективно поражать ее прицельным огнем. В ночное время нужно не только умело использовать ночные приборы, но и умело применять освещение для ослепления аналогичных систем противника. Это особенно важно в связи с тем, что в ночном бою увеличиваются психологические нагрузки и повышается утомляемость личного состава: притупляется бдительность, снижается ответная реакция организма на опасность и расслабляется нервная система. Исходя из этого, зарубежные военные специалисты рекомендуют уделять исключительно большое внимание морально- психологической подготовке личного состава. Они установили, что при ночных тренировках число ошибок орудийных расчетов возрастает на 10... 15%, время выпол- 195
нения нормативов увеличивается на 15%. Поэтому особое внимание за рубежом обращается на световое обеспечение боевых действий войск. При этом может привлекаться артиллерия для освещения участков местности, целей, постановки световых ориентиров. Кроме артиллерийских снарядов для освещения применяются и другие пиротехнические средства — осветительные бомбы, мины, гранаты, ракеты, а также осветительные прожекторы. Например, время горения осветительной ракеты типа ДТ-36 (ФРГ), которая взлетает на высоту 120... 130 м, составляет 22 с. Зарубежные специалисты отмечают, что пиротехнические средства в состоянии освещать большие участки местности на удалении до 1600 м и в меньшей мере, чем прожекторы, демаскируют свои войска. Однако качество освещения пиротехническими средствами не всегда гарантировано. Тогда как прожекторы оказываются более эффективными, особенно на малых дальностях. Осветительные средства снижают эффективность наблюдения через электронно-оптические приборы. А переход от приборного наблюдения к визуальному при искусственной подсветке связан с определенной потерей времени, что приводит к потере темпа ночного боя. За рубежом считают, что ночное освещение должно использоваться при отсутствии достаточного количества приборов ночного видения в войсках, при низком уровне естественной освещенности, а также в случаях, когда применение ночных наблюдательных средств сулит определенные преимущества противнику. ЗАЩИТА ГЛАЗ НАБЛЮДАТЕЛЕЙ Главную опасность для зрения людей (особенно ночью) представляет световое излучение ядерных взрывов. В темноте чувствительность глаз к свету повышается во много тысяч раз. Поскольку при этом зрачки расширены, при яркой вспышке внутрь глазного яблока почти мгновенно проникает больше световой энергии, чем необходимо для нормального зрительного восприятия. В результате может произойти необратимое поражение — ожог глазного дна. Но даже у людей, которые во время взрыва не смотрят на огненный 196
шар и находятся на весьма значительном удалении от него, наступает временное ослепление. Оно возникает из-за того, что глаза не успевают адаптироваться к яркому свету. Такое нарушение зрения продолжается до нескольких часов, а по некоторым данным — до двух суток. Не оставляя последствий, оно затем проходит. По данным иностранной печати, при испытаниях ядерного оружия имели место ожоги сетчатки глаз на расстояниях до 16 км от места взрыва мощностью 20 кт. Учитывая, что органы зрения имеют исключительно большое значение для жизнедеятельности человека, неожиданное мгновенное ослепление может привести к нежелательным последствиям и в психологическом плане. Эмоциональное потрясение способно подавить волю даже у выдержанных людей. Для защиты глаз от светового излучения применяют специальные защитные очки с затемняющимися стеклами или же с ограниченными полями зрения. Большая интенсивность и внезапность излучения светящейся области ядерного взрыва заставляет предъявлять к защитным устройствам жесткие требования по обеспечению безопасного наблюдения. Самое трудное требование связано с реализацией высокого быстродействия затворов очков. Время срабатывания защитного устройства, по иностранной оценке, должно составлять 50... 100 мкс, чтобы не ослепить глаза наблюдателя, а коэффициент светопропускания в закрытом виде должен быть не хуже 0,1...0,01, а в открытом—0,3...0,8. При работе с оптическими приборами эти требования должны стать еще жестче. За рубежом предлагалось несколько способов реализации быстродействующих затворов-очков. Рассматривалась возможность использования инжекцион- ного, электродинамического, электрооптического, фото- хромного и электрохромного способов: Инжекция, или впрыскивание, создается под действием газов, которые возникают при взрыве пиропатронов, поджигаемых датчиками светового излучения. Время срабатывания составляет 100 мкс. При электродинамическом способе используют взаимодействие электромагнитных полей. Световой пучок удается перекрыть непрозрачной шторкой за время до 10 мкс. 197
Наиболее простое устройство защиты глаз от светового облучения создано на основе фотохромных материалов. Они быстро темнеют под действием УФ излучения ядерного взрыва. Сообщается, что английская фо- тохромная пластмасса «Компаунд 224» реагирует на яркую вспышку за время менее 1 мкс, поглощая 99% световой энергии. В первоначальное прозрачное состояние материал возвращается через 0,5 с после снятия светового возбуждения. В другой наиболее распространенной конструкции светозащитных очков используется прозрачная пьезо- керамика PLZT (титанат-цирконат свинца, легированный танталом). Оптическая система очков составлена из двух поляризационных светофильтров — поляризатора и анализатора, между которыми размещен слой пьезокерамики толщиной 0,38 мм. Под действием электрического напряжения он способен поворачивать плоскость поляризации. При возникновении яркой вспышки световой приемник вырабатывает напряжение, которое поступает на пьезокерамический слой. При этом плоскость поляризации света пьезокерамикой поворачивается на 90 град. По этой причине свет, прошедший через поляризатор, в анализаторе гасится практически полностью. При снятии напряжения плоскость поляризации возвращается в исходное состояние, и очки снова становятся прозрачными. Подобное устройство намечено применять для защиты от светового излучения ядерного взрыва экипажей бомбардировщиков В-1В, принадлежащих ВВС США. Остекление кабины, как отмечается в печати США, будет закрываться алюминиевыми щитками и керамическими иллюминаторами на основе PLZT, снижающими интенсивность света до 0,003% первоначального значения. Время срабатывания такого иллюминатора составляет 150 мкс. По мере ослабления наружного освещения прозрачность иллюминатора восстанавливается. Для ослабления ослепляющего действия светового излучения, особенно ночью, за рубежом рекомендуется максимально снизить применение оптических приборов, так как субъективная яркость восприятия точечных объектов через прибор выше, нежели при наблюдении невооруженным глазом. 198
Вредное воздействие лазерного излучения на зрение человека пытаются ослабить применением специальных защитных противолазерных очков. С 1965 по 1980 г. за рубежом выпущено свыше 50 моделей противолазерных очков, защитными элементами в которых служит или специальный поглощающий слой, или (реже) отражающий светофильтр, работающий на длинах волн излучения лазеров противника. Распространение светового излучения существенно зависит от прозрачности атмосферы. Значительное ослабление его происходит уже при естественном за- пылении или задымлении воздуха, при дожде и тумане. Поэтому в ряде случаев целесообразно для защиты зрения личного состава ставить дымовые завесы. Даже неплотная дымка в воздухе, которая почти не затрудняет ориентировку на местности, позволяет уменьшить поражающие действия световой вспышки, лазерного излучения. Для постановки дымовой завесы могут быть применены специальные машины, дымовые шашки, гранаты. ПРОТИВОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНЫМ КОСМИЧЕСКИМ СРЕДСТВАМ Задача противодействия лазерным боевым средствам становится злободневной в связи с предпринимаемыми в США усилиями по созданию противоракетной системы с элементами космического базирования, получившей пресловутое название — «стратегическая оборонная инициатива» (СОИ). Целью развертывания такой системы стоимостью в 1,5 трлн долларов является достижение военно-стратегического превосходства. В своей основе она опирается на использование мощных лазерных и иных средств, размещенных в космосе на орбитах. В обсуждаемых в США схемах космического базирования функции обнаружения, идентификации и наведения должны выполняться с помощью обширного набора активных и пассивных средств, среди которых предусматриваются оптические, ИК средства, базируемые на земле, в воздухе, космосе. В качестве ответных практических шагов, как считают специалисты, могут быть организованы различные активные и пассивные достаточно эффективные меры 199
противодействия новой американской доктрине. Что же принципиально можно противопоставить СОИ? Укрупненно — это использование специальных средств поражения и нейтрализации, развитие дополнительных ядерных вооружений, применение эффективных мер противодействия. К специальным средствам поражения и нейтрализации относятся средства наземного, морского и воздушного базирования, использующие в качестве поражающего фактора снаряды, ракеты, лазерное или иное излучение. Наращивание количественного потенциала МБР создает дополнительные трудности для систем обнаружения противника. В свою очередь, это вызовет резкое падение эффективности систем перехвата и наведения ударных сил СОИ. Можно значительно усложнить использование СОИ, если дополнительно развернуть ложные ракеты без боеголовок, оснащенные упрощенной системой управления. Установка подобных ракет, которые нельзя надежно отличить от боевых, явится простой и экономически выгодной мерой противодействия. Дополнительные трудности для систем космического базирования могут создавать комбинированные запуски МБР и ложных ракет. Такая тактика рассчитана на истощение энергии космической системы ПРО путем ее ранней активизации и выработки ресурса. Дело в том, что боевая космическая станция, использующая лазер с ядерным взрывом в качестве накачки, представляет собой оружие одноразового действия. Примером активных средств противодействия могут стать наземные лазеры большой мощности. Создание таких лазеров существенно проще тех лазеров, которые предназначены для уничтожения МБР с космических станций. Во-первых, космические станции являются более крупными объектами для лазерного поражения, чем МБР; во-вторых, число таких станций будет значительно меньшим, нежели количество МБР, подлежащих уничтожению. В-третьих, космические боевые станции находятся в поле зрения наземной лазерной установки в течение большего времени, поэтому в них легче прицелиться. В качестве высокоэффективных средств активного противодействия боевым станциям могут стать препятствия, создаваемые на их орбитах. Для этого доста- 200
точно выбросить на орбиту облако мелких частиц. При скорости 15 км/с, что вполне достижимо, частица весом в 30 г способна пробить стальной защитный экран или оболочку станции толщиной до 15 см. Отличной мишенью для облака микрочастиц могут оказаться уязвимые элементы лазерных боевых станций: баки с топливом, энергосистемы, отражающие зеркала. Распыленное на орбите небольшое облако микрочастиц способно разрушить отражающий слой настолько, что это приведет к дефокусировке луча лазера на цели. Наименее защищенными в космических лазерных вооружениях остаются оптические системы наведения и обнаружения. Для вывода их из строя достаточно взорвать в верхних слоях атмосферы ядерный заряд, чтобы «ослепить» светочувствительные приборы. Эффективной мерой пассивного противодействия системе СОИ является сокращение длительности активного участка траектории полета МБР, что вызывает затруднения при использовании систем обнаружения, слежения и прицеливания. Примечательно, что желаемый результат достигается при малых издержках, связанных с повышением веса ракеты на 15%, чтобы сохранить первоначальную нагрузку ракет и дальность их полета. К такой же группе противодействующих мероприятий относят оптическую маскировку ракетных пусков с помощью дымовых завес в районах старта. Также многообразны и способы защиты ракет от воздействия лазерного облучения. Корпуса ракет могут защищаться отражающими и поглощающими покрытиями, которые при облучении лазером испаряются и создают ионизированную защитную оболочку. Придание вращательного движения ракете вокруг собственной оси исключит фиксацию лазерного луча на определенном участке корпуса ракеты и не позволит ему прогореть. Оснащение корпуса ракеты специальной системой охлаждения или установка на нем подвижного экрана, опускаемого в зону нагрева, также позволит спасти ракету от уничтожения. Обнадеживающей контрмерой может служить распыление в атмосфере различных веществ, создающих дымовые или аэрозольные завесы, поглощающие лазерное излучение. Запуск ложных целей также является прекрасным 201
средством, противодействующим работе оптических устройств наведения космической системы. Например, наряду с разделением боеголовок вокруг них может быть выброшено облако аэрозолей — источников ИК излучения. Они в состоянии замаскировать собственное ИК излучение боеголовок. Наконец, можно принять и идентичные меры — развернуть ударные космические вооружения. Надо учитывать, что и сейчас имеются средства для нейтрализации СОИ. Самые уязвимые звенья ПРО — это боевое управление системой и военная связь. А вывести их из строя можно путем подрыва ядерного заряда, создающего электромагнитный импульс, или с помощью традиционных средств радиоэлектронной борьбы. Оценочная стоимость комплекса средств противодействия может составить всего несколько процентов от стоимости широкомасштабной ПРО с элементами космического базирования. Но главная задача — предотвратить новый виток гонки вооружений. «Космический щит», разрабатываемый в США, представляет собой, безусловно, наступательную систему, ее использование целесообразно, когда сторона, владеющая ею, наносит удар первой. Но, как показано, имеется целый ряд доступных и эффективных средств, чтобы сохранить способность нанести ответный удар. Военная оптика все время совершенствуется. Однако физические основы, принципиальные решения, используемые в оптических приборах, долгое время останутся незыблемыми. Несмотря на появление новых более сложных оптических приборов, те приборы, которые упомянуты в книге, не утратят своего значения. Возможно, некоторых читателей оптика увлечет настолько, что они захотят заняться ею всерьез. Фундаментальные знания они могут получить в вузах страны.
ЛИТ ЕРАТУPA Бюллетень иностранной научно-технической информации ТАСС, 1979... 1985. Военные знания, 1979... 1987. Воронин Б. П., Столяров Н. А: Подготовка к пуску ракет. М.: Воениздат, 1972. Гершун А. А. Принципы и приемы световой маскировки. М.: Изд-во АН СССР, 1943. Г и б с о н X. Фотографирование в ИК лучах. М.: Мир, 1982. Жуков А. Г и др. Тепловизионные приборы и их применение. М.: Радио и связь, 1983. Зарубежное военное обозрение, 1979... 1985. Иванов Р. Н. Репрография. М.: Советское радио, 1977. Квазиус Г., Маккэнлесс Ф. Проектирование систем астронавигации. М.: Мир, 1970. Лазеры в авиации / Под ред. В. М. С и до ри на. М.: Воениздат, 1982. Литвак И. И. и др. Основы построения аппаратуры отображения в автоматизированных системах. М.: Советское радио, 1975. Николаев А. Г и др. Основы проектирования космических секстантов. М.: Машиностроение, 1978. Оптико-механические приборы / Под ред. С. В. Кулагина. М.: Машиностроение, 1984. Разумовский И. Т Оптика на военной службе. М.: ДОСААФ, 1980. Сафронов Ю. П., Андрианов Ю. Г Инфракрасная техника и космос. М.: Советское радио, 1978. Селезнев В. П., Кирст М. Л. Системы навигации космических аппаратов. М.: Воениздат, 1965. Селезнев В. П. Навигационные устройства. М.: ГНТИ Оборонгиз, 1961. Техника и вооружение, 1979... 1985. Черный М. А. Авиационная астрономия. М.: Транспорт, 1978.
СОДЕРЖАНИЕ Введение 1. Общая характеристика военной оптики Задачи военной оптики Общие сведения о военных оптических приборах Классификация военных оптических приборов 2. Физические основы оптико-механических приборов Зрительная система Из теории оптических приборов 3. Физические основы оптико-электронных приборов Источники излучения Атмосфера Оптическая система Приемники и преобразователи излучения Оптико-электронная обработка сигнала 4. Оптические приборы наблюдения и разведки Приборы для вождения бронетанковой техники Бинокулярные приборы Приборы ночного видения Фотографические приборы Телевизионные приборы Тепловизионные распознающие устройства Средства обеспечения стратегической разведки Демаскировка объектов и дешифровка оптических ражений 5. Угломерные приборы Артиллерийская стереотруба Перископическая артиллерийская буссоль Орудийная панорама Перископы подводных лодок Теплопеленгаторы Оптические локаторы 6. Оптическая дальнометрия Лазерные дальномеры Оптико-механические дальномеры 7. Навигационные оптические средства Оптическая навигация Секстаны Обзорно-сравнительные системы навигации Оптические средства пилотажных тренажеров
8. Прицельная оптическая техника 127 Прицельная схема для неподвижного оружия и неподвижной цели 127 Снайперский прицел 130 Прицел наземной артиллерии 134 Танковый прицел 137 Авиационный прицел 140 Оптические средства прицеливания баллистических ракет 145 Тепловые головки самонаведения 151 Телевизионные головки самонаведения 156 Наведение снарядов (ракет, бомб) по оптическому лучу 157 9. Системы лазерной связи 160 10. Волоконно-оптические линии связи 168 11. Лазерное оружие 177 12. Маскировка и противодействие военным оптическим средствам 186 Приемы световой маскировки 187 Структурная маскировка 189 Противодействие оптико-электронным средствам 193 Освещение поля боя 195 Защита глаз наблюдателей 196 Противодействие лазерным космическим средствам 199 Литература 203 205
Научно-популярное издание Игорь Тимофеевич Разумовский ОПТИКА В ВОЕННОМ ДЕЛЕ Заведующий редакцией А. В. Куценко Редактор В. А. Данилов Художник В. Ю. Лукин Художественный редактор Т. А. Хитрова Технический редактор Л. А. Ворон Корректор В. Д. Синева ИБ № 2232 Сдано в набор 27.01.87. Подписано в печать 31.08.87. Формат 84ХЮ8'/з2. Бумага типографская № 1. Гарнитура литературная. Печать офсетная. Усл. п. л. 10,92. Усл. кр.-отт. 11,34. Уч.-изд. л. 10,49. Тираж 40 000 экз. Зак. 66. Цена 45 к. Изд. № 2/п-457. Ордена «Знак Почета» Издательство ДОСААФ СССР. 129110, Москва, Олимпийский просп., 22. Ордена Трудового Красного Знамени типография издательства ЦК КП Белоруссии. 220041, Минск, Ленинский проспект, 79.
ОПТИКА В ВОЕННОМ ДЕЛЕ
45 к. И ОЛОДЕЖИ О ВООРУЖЕННЫХ СИЛАХ ОПТИКА В ВОЕННОМ ДЕЛЕ Оптика в металлургии и приборостроении, в машиностроении и медицине, в сельском хозяйстве и космонавтике. Оптика в военном деле. Сегодня нет ни одной отрасли народного хозяйства, ни одного вида вооруженных сил, где бы не применялись оптические приборы.