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技术历史、技术、我们身边的事物
雷达。 发明和生产的历史
雷达站（radar），雷达（英文radar，源自radio detector andranging——无线电探测和测距）——用于探测空中、海上和地面物体，以及确定它们的距离、速度和几何参数的系统。 它使用一种基于无线电波发射和记录物体反射的方法。
无线电最重要的应用之一是雷达，即使用无线电波来确定不可见目标的位置（以及其移动速度）。 雷达的物理基础是无线电波从电气特性与环境电气特性不同的物体反射（散射）的能力。 早在 1886 年，海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）就发现无线电波可以被金属和电介质体反射，而在 1897 年，波波夫使用他的无线电发射器发现无线电波会从船舶及其船体的金属部分反射，但两者都没有开始深入研究这一现象。 雷达的想法最初是由德国发明家 Hülsmeier 提出的，他在 1905 年获得了一项设备专利，该设备利用反射无线电波的效果来探测船只。 Hulsmeier 建议使用无线电发射器、旋转定向天线、带有光或声音指示器的无线电接收器，以感知物体反射的波。 尽管存在缺陷，Hülsmeier 的设备包含了现代定位器的所有基本元素。 在 1906 年发布的一项专利中，Hülsmeier 描述了一种确定与反射物体的距离的方法。 然而，Hülsmeier 的发展并没有得到实际应用。 用无线电波探测飞机和船只的想法花了三十年才可以转化为真正的设备。 由于以下原因，这在以前是不可能的。 赫兹和波波夫都在他们的实验中使用了短波。 在实践中，直到 30 世纪 XNUMX 年代的无线电工程都使用非常长的波。 同时，最好的反射发生在波长至少等于或（甚至更好）小于反射物体（船或飞机）的尺寸的条件下。 因此，无线电通信中使用的长波不能产生良好的反射。 直到 20 年代，美国无线电爱好者才被允许在无线电通信实验中使用短波，他们表明事实上这些波由于当时未知的原因传播到了异常长的距离。 由于无线电发射机的功率微不足道，无线电爱好者设法跨越大西洋进行通信。 这引起了科学家和专业人士对短波的关注。 德国首次有源雷达实验于 1935 年 XNUMX 月进行。 在这个实验中，许多发射器和接收器能够检测到一英里外的德国军舰反射的微弱信号。 法国、意大利、苏联以及规模较小的日本也进行了类似的开发。 该系统于 26 月 30 日在佩尔森哈肯展示，是杰出的德国物理学家鲁道夫·库诺尔德 (Rudolf Kuhnold) 领导的研究的直接成果。 1935 世纪 XNUMX 年代中期，Kunold 拥有一家名为“Gesellschaft Fur Elektroakustische und Mechanische Apparate”(GEMA) 的小公司，专门开发复杂的无线电发射器和接收器。 GEMA 与德国海军研究所有着密切的联系。 从 XNUMX 年中期开始，GEMA 虽然没有正式与德国军工联合体有联系，但开始积极参与战争准备工作。
1922 年，海洋研究实验室泰勒和荣格无线电部门的员工在超短波范围内工作，观察到了雷达现象。 他们立即想出了这样的想法，即有可能开发出这样一种装置，在这种装置中，相距几英里的驱逐舰可以“不管雾、黑暗和烟雾”立即探测到敌舰。 泰勒和荣格将他们的报告提交给了美国海军部，但他们的提议没有得到支持。 1930 年，泰勒的一位研究人员、工程师海兰德在进行短波无线电通信实验时注意到，当飞机越过发射器和接收器所在的线时，会出现失真。 海兰德由此得出结论，借助在短波上运行的无线电发射器和接收器，可以定位飞机的位置。 1933 年，泰勒、荣格和海兰德为他们的想法申请了专利。 这一次，雷达注定要诞生——为此，有所有的技术先决条件。 最重要的是，这对军队来说是必要的。 两次世界大战之间的防空技术没有得到相应的发展。 和以前一样，主要作用是空中观察哨、警告和通信、气球、探照灯和拾音器。 由于轰炸机的速度增加，必须在距离他们打算保护的城市 150 公里或更远的地方设置警告哨，并且必须为他们铺设长电话线。 但是，这些帖子仍然没有给出完全的安全保证。 即使在晴朗的天气下，观察者也无法探测到低空飞行的飞机。 在夜间或雾中，在多云的天气中，这些帖子根本看不到飞机，仅限于“发动机噪音”的报告。 我们必须将这些柱子排列成几条带子，以棋盘格图案分散它们，以便用它们覆盖所有远处的方法。
同样，探照灯只在晴朗的夜晚对飞机可靠。 由于低云和雾气，它们变得毫无用处。 特别设计的声音探测器也是一种糟糕的探测手段。 想象一下飞机距离观察哨10公里。 30 秒后，拾音器的耳朵可以听到电机的声音。 在此期间，一架以 600 公里/小时的速度飞行的飞机成功飞行了 5 公里，因此拾音器指示了飞机半分钟前所在的位置。 在这种情况下，用拾音器来引导探照灯或高射炮是没有意义的。 这就是为什么在第二次世界大战前 6-7 年，所有欧洲国家和美国都开始加紧寻找可以警告空袭的新防空系统。 最后，这里最重要的角色被分配给了雷达。 如您所知，雾、云、黑暗不会影响无线电波的传播。 探照灯光束在厚厚的云层中迅速变暗，无线电波没有这样的障碍。 这使得将它们用于防空需求的想法非常有希望。 然而，雷达理念的实际实施需要解决一些复杂的科学技术问题。 特别是，有必要创建超短波发生器和从物体反射的非常微弱信号的敏感接收器。 直到 1938 年，美国海军研究实验室才研制出射程 8 公里的 XAF 信号雷达，并在纽约战列舰上进行了测试。 到 1941 年，已经制造了 19 台这样的雷达。 英格兰的工作效率更高，政府并没有吝啬开支。 早在 1935 年，在 Watson-Watt 的领导下，第一台脉冲预警雷达 CH 诞生了。 它在 10-13 m 的波浪范围内运行，在 140 km 的飞机飞行高度下的射程为 4 km。 5 年，英格兰东海岸已经安装了 1937 个这样的站点。 20年，他们都开始1938小时值班，一直持续到战争结束。 尽管任何雷达的装置都很复杂，但其工作原理并不难理解。 雷达站不是连续运行，而是周期性的冲击 - 脉冲。 第一个英国 CH 雷达站的发射器每秒发送 25 次脉冲。 （在现代定位器中发送脉冲持续几百万分之一秒，脉冲之间的停顿是百分之几或千分之一秒。）脉冲模式用于测量发送脉冲和从反射物体返回脉冲之间的时间。 将非常短的“部分”无线电波发送到太空后，发射器自动关闭，无线电接收器开始工作。 无线电波在传播过程中遇到了一些障碍，向四面八方散射，部分反射回来，到达电波发出的地方，也就是雷达站。 这个过程类似于声波的反射——回声现象。 在悬崖脚下的山峡谷中喊叫或拍手就足够了——几秒钟后会听到微弱的回声——声音的反射。 由于无线电波的速度几乎是声波速度的一百万倍，那么从距离 3500 m 的岩石上，回声将在 20 秒内返回，而无线电波 - 在 XNUMX 万分之一一秒。 因此，雷达站的主要特点应该是以百万分之一秒的精度快速测量最短时间。 很明显，如果雷达站连续发送信号，那么在发射机的强大信号中，不可能捕捉到返回的非常微弱的反射无线电波。 雷达天线是定向的。 与向各个方向发射无线电波的广播电台的天线不同，雷达发射的脉冲集中成一个非常窄的波束，沿严格定义的方向发送。 接收到反射脉冲后，雷达将它们引导至阴极射线管。 在这里，这个脉冲（显然放大了很多倍）被施加到控制管电子束的垂直板上（参见前一章中的设备），并导致电子束垂直投射到雷达屏幕上。 在这个屏幕上可以看到什么？ 每秒 25 次，它的左侧出现一个电子脉冲（这种激增是由于发射脉冲的一小部分能量撞击接收器造成的），一条扫描线在它之后向右移动。 这一直持续到脉冲到达目标，没有被反射，也没有返回。
假设由电子束绘制的线在屏幕上移动 1 毫秒。 在此期间，脉冲向目标行进 150 公里，从目标反射，返回站并以第二次投掷的形式显示在屏幕上。 在第一次投掷出现的管屏幕位置，他们设置为 0，并在线路的末端 - 150 公里。 由于波的传播速度是恒定的，这条整条线可以分成相等的部分，这样就可以读取（150 公里内）到目标的任何距离，其反射脉冲在屏幕上可见管。 由于屏幕上出现的图像如此频繁，在操作员的眼中，它似乎一动不动，没有消失。 如果飞机正飞向车站，则只有从目标反射的脉冲沿线缓慢地向左移动。
所有探测到的敌机信息都由雷达站传输到所谓的“过滤中心”。 在这里，根据各个站的报告，对空气状况数据进行了比较和完善。 “筛选中心”将选定并验证的信息移交给指挥部。 中央指挥所有一张大地图。 特殊操作员在地图上移动小型飞机模型。 因此，司令部可以持续监控空中情况，并据此做出必要的决定。 随后，事实证明，预警站还可以提供有关敌机数量、航向和速度的额外信息。 根据这些信息，防空指挥所可以推断出有多少轰炸机参与了这次行动，确定它们的航向以及何时到达。 然而，第一代雷达也有很大的缺点。 由于他们在 10 米或更远的波浪上工作，他们的天线体积庞大且一动不动。 例如，CH 发射天线悬挂在 120 m 高的桅杆上。附近是一个接收站，其天线高度为 80 m。具有定向效应，这些天线向前辐射出一个宽锥形的无线电波，并稍微远离地面。主要方向。 在右边、左边和后面，这些天线没有辐射，因此，雷达无法探测到这些方向的飞机。 由于他们的波浪从地面和水面反弹，低空飞行的目标是遥不可及的。 因此，在低于 100 m 的高度接近英格兰的飞机可能会被雷达忽视。 这些缺点只能通过创建在较短波长上运行的新雷达站来消除。 在雷达发展的早期，使用了 10-15 m 长的波，但后来发现为此目的使用短一千倍的波更方便 - 大约几厘米。 在战争开始之前，在这个范围内运行的设备基本上是实验室设计的，非常反复无常，功率微不足道。 当时已知的真空管类型在厘米波长下工作得非常差或几乎不能工作。 更先进雷达的所有必要设备都是在战争开始时以创纪录的时间制造的。 首先，他们切换到 1 m 的波，这使得可以立即提高雷达的性能并大幅减小天线的尺寸。 然后产生了这样的想法，即这样的天线可以在水平方向上旋转，并向各个方向发送雷达脉冲，而不仅仅是向前。 此外，有人建议，如果雷达交替发送脉冲并接收其反射，则根本没有必要将发射站和接收站分开放置：可以并且应该在同一天线上发射和接收，交替连接到发射器，然后到接收器。 5 年，CHL 站被开发用于探测射程为 1939 公里的低空飞行器和水面舰艇。 这些车站彼此相距100公里，保护泰晤士河口和通往它的通道。 随后，站点数量增加，以覆盖整个英格兰东海岸。 引入了许多改进，可以将雷达的范围增加到 40-160 公里。 所有这些措施在 1939 年至 1940 年间都证明了自己的合理性，当时英格兰的宏伟战役展开了。 由于无法将他的部队转移到英国，希特勒派出他的轰炸机舰队来对付她。 英军战机不分昼夜，击退了德军接二连三的空袭。 当时，预警雷达站在整个防空系统中发挥了巨大的作用。 德国飞行员很快就相信隐形雷达对他们来说比战斗机和高射炮更可怕。 雷达的使用很快使英国人想到了在雷达的帮助下将他们的战斗机瞄准敌方轰炸机的想法。 为此，创建了小型雷达站 (GCI)。 他们的射程更短，但更准确地确定了敌机的位置。 这些雷达安装在战斗机机场附近。 在收到预警站的信息后，他们开始监视正在逼近的敌人，为战斗机飞行员提供有关敌人位置的准确数据。 对于这种类型的站点，带有水平扫描线的旧阴极射线管很不方便，因为它一次只能观察一架飞机，并且必须不断地从一个目标切换到另一个目标。 与此相关的是，雷达技术发生了重大改进——出现了所谓的全能观测管，并很快在多种类型的车站中广泛使用。 在这种管的屏幕上，光扫描线不像以前的设计那样从屏幕的左边缘开始，而是从中心开始。 这条线在天线旋转的同时顺时针旋转，在屏幕上反映了站周围目标的位置。 这样的屏幕创造了一张空中状况图。 屏幕中央的一个光点标出了雷达站的位置。 这个点周围的同心环有助于确定反射脉冲的距离，反射脉冲显示为更亮的点。 指导站官员在这样的屏幕上同时注视着所有他感兴趣的目标。 指导的实施已大大简化。 很明显，在这样的雷达上，上述指示器的操作方法并不合适，因为从物体反射的所有信号都会立即从屏幕上消失。 在这里，使用了具有所谓“余辉”的屏幕，即它们保留了一段时间的辉光。 在这种管子中，电子束使用电流随时间线性变化的线圈偏转。 在战争的第一阶段已经使用所有雷达防御系统产生了切实的成果。 在 1940 年的四个月里，超过 3000 架德国飞机在英格兰上空被摧毁，其中 2600 架被雷达站引导的战斗机击落。 由于损失惨重，德军被迫停止白天的突袭。 然而，这并没有拯救他们。 英国紧急开发了一个小型人工智能雷达站，位于飞机上。 她可以探测到3-5公里距离的目标。 特殊的夜间战斗机配备了新的雷达。 除了飞行员之外，他们还安置了一名炮手无线电操作员。 在地面的提示下，这种飞机在雷达的能见度范围内接近了德国轰炸机。 之后，操作员自己在面前放着一根定位管，通过内部对讲机向飞行员发出指令，指挥汽车向哪里靠近，以便接近轰炸机。 到 1941 年春天，夜间雷达防御系统已经证明了它的目的。 如果英国在一月份只击落了 4 架德国夜间轰炸机，那么在 58 月 102 日和 XNUMX 年 XNUMX 月。 作者：Ryzhov K.V.
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