Инфракрасные пеленгаторы (В. Вафиади, кандидат физико-математических наук)

Все более широкое применение в технике находят невидимые инфракрасные лучи. На основе использования теплового действия этих лучей построены разного рода сушильные установки. Существует инфракрасная аппаратура для структурного анализа, вулканизации резины и т. д. Некоторые свойства инфракрасных лучей позволяют применять их в военном деле.

На использовании теплового излучения целей основано действие технических средств наблюдения и разведки. В этом случае наблюдение ведется при помощи скрытно работающих приборов обнаружения, улавливающих инфракрасные лучи, испускаемые в пространство нагретыми частями кораблей и самолетов.

Известно, что не вся энергия топлива, сжигаемого в топках корабельных машин, в цилиндрах поршневых двигателей или в камере сгорания турбореактивного двигателя, превращается в энергию движения корабля или самолета. Часть этой энергии уходит в пространство в виде излучения. Особенно интенсивно излучают трубы корабля. Мощность излучения корабля исчисляется многими десятками, даже сотнями киловатт. Мощность излучения самолета также достигает нескольких киловатт.

Нагретые поверхности труб и корпуса корабля или раскаленные патрубки и выхлопные газы самолета испускают инфракрасные лучи, невидимые человеческим глазом. Но есть устройства, которые в этом отношении "видят" лучше человеческого глаза. Это так называемые приемники инфракрасного излучения - термоэлементы, болометры и фотосопротивления, о которых было рассказано в предыдущей статье.

Высокая чувствительность современных приемников инфракрасного излучения позволила создать приборы, служащие для обнаружения и пеленгации ночью кораблей и самолетов по их тепловому излучению.

Пеленгация - это определение направления на какой-либо объект, характеризуемого углом между плоскостью географического меридиана и воображаемой вертикальной плоскостью, проходящей через объект и точку нахождения наблюдателя. Угол этот определяется специальными приборами - пеленгаторами. Приборы, работающие с использованием инфракрасных лучей, называются инфракрасными, или тепловыми пеленгаторами. Теплопеленгаторы могут быть корабельными, береговыми, зенитными, самолетными. Некоторые из них способны работать автоматически; они производят осмотр пространства в определенном секторе, и, обнаружив цель, следят за ней, непрерывно вырабатывая данные в виде электрических команд, указывающих направление на цель.

Теплопеленгаторы применяются ночью, так как днем их работе мешает солнечный свет. Сквозь туман и облака инфракрасные лучи, в отличие от радиоволн, проходят плохо. Основные преимущества теплопеленгаторов заключаются в совершенной скрытности их действия, так как они улавливают излучение цели, не излучая сами, а также в большей сравнительно с радиолокационными станциями устойчивости по отношению к помехам.

Кроме приемника излучений, теплопеленгаторы имеют вогнутое зеркало, которое позволяет улавливать инфракрасные лучи и собирать их в той точке, где находится чувствительный элемент. Поворачивая зеркало, удается определить направление, откуда приходит инфракрасное излучение и где находится объект.

От вида чувствительного элемента зависят и особенности конструкции теплопеленгатора. Взять, к примеру, теплопеленгатор, в котором приемником излучения служит болометр. Излучение цели улавливается вогнутым зеркалом и направляется на болометр, расположенный в фокусе вогнутого зеркала. Болометр выполнен в виде двух полосок из сурьмы, нанесенных тонкими слоями на очень тонкую целлулоидную пленку, укрепленную на стеклянном кольце. Полоски соединены между собой последовательно и образуют две ветви электрической мостовой схемы, питаемой переменным током частотой 4000 гц. Другие две ветви подбираются так, чтобы электрическое напряжение на выходе моста было равно нулю.

Если зеркало направляет излучение, исходящее, например, от корабля на одну из полосок сурьмы, то она нагревается, ее сопротивление изменяется и равновесие моста нарушается. На выходе моста появляется напряжение переменного тока, которое усиливается и выпрямляется. При этом направление тока зависит от того, на какую полоску болометра падает излучение. Болометр слегка покачивается, и излучение попадает то на правую полоску сурьмы, то на левую. При этом меняется направление тока и он отклоняет поочередно вправо и влево маленькое зеркальце гальванометра, освещаемое светом от лампочки так, что световое пятно от зеркальца падает на медленно вращающийся барабан, покрытый сернистым цинком.

Сернистый цинк светится под действием падающего на него Света, и свечение продолжается несколько десятков секунд. Когда цели нет и зеркальце неподвижно, на поверхности вращающегося барабана остается тонкая светящаяся линия. Если теплопеленгатор направлен прямо на цель, зеркальце отклоняется на равные углы вправо и влево и на барабане получается широкая прямая светящаяся полоса. Если же цель уходит вправо или влево, то отклонения зеркальца увеличатся в одну сторону. Наблюдатель должен так поворачивать теплопеленгатор, чтобы светящаяся полоса оставалась прямой. При диаметре вогнутого зеркала 60 см такой теплопеленгатор может обнаруживать средней величины корабль на расстоянии 20 км. Точность пеленгации достигает одной шестнадцатой градуса, т. е. ошибка на местности не превышает 20 м на предельном расстоянии.

Для обнаружения самолетов подобные теплопеленгаторы с термоэлементами и болометрами непригодны, так как для нагрева приемника излучения требуется некоторое время, в течение которого быстролетящий самолет успевает выйти из поля зрения. Поэтому начиная с 1941 г. для обнаружения самолетов стали применять сернисто-свинцовые фотосопротивления, которые выполняются в виде стеклянной пластинки с нанесенным на нее тонким слоем сернистого свинца. Слой включен в цепь источника постоянного тока. Сопротивление слоя довольно велико, но при попадании на него инфракрасных лучей происходит фотоэффект и выделяются свободные электроны, увеличивающие проводимость слоя, ток в цепи возрастает. Время, в течение которого происходит это явление, мало - порядка одной тысячной секунды. Такие слои очень чувствительны к инфракрасным лучам, а при охлаждении их до температуры -70° или еще ниже чувствительность резко возрастает. Охлаждение может производиться твердой углекислотой.

Фотосопротивление помещается вблизи фокуса вогнутого зеркала, подобного прожекторному и установленного так, что его можно направлять в стороны - по азимуту и вверх - по углу места. В фокусе зеркала, перед фотосопротивлением, один за другим помещаются два диска с отверстиями (см. верхнюю левую часть рис. 52). Оба диска вращаются от двигателя, и первый из них, называемый модулятором, имеет отверстия, расположенные по краю. При своем вращении он прерывает (модулирует) поток излучения от цели, собираемый зеркалом на второй диск. Частота прерываний равна 800 в секунду. Второй диск - координатор - имеет прорезь, доходящую до центра диска. Диск вращается вокруг оси, проходящей через центр, со скоростью 15 об/сек. Зеркало создает на координаторе изображение цели в инфракрасных лучах. Излучение цели, пройдя через отверстия в модуляторе и прорезь координатора, падает на фотослой, изменяя его сопротивление, и поэтому в цепи фотосопротивления в те отрезки времени, когда излучение цели проходит сквозь прорезь в координаторе, возникают колебания тока с частотой 800 гц. Этот ток очень слаб, он усиливается усилителем переменного тока и зажигает индикаторную неоновую лампу, находящуюся перед наблюдателем.

Неоновая лампа укреплена на диске, вращающемся синхронно с координатором, таким образом, что, когда прорезь направлена вверх, лампа находится в верхнем положении. Если в пространстве на продолжении оси зеркала теплопеленгатора находится самолет, его изображение проектируется в центр координатора, а так как прорезь доходит до центра диска, модулированное первым диском излучение цели все время проходит к фотослою. Лампа горит непрерывно, и наблюдатель видит ее на быстровращающемся индикаторном диске в виде светящейся окружности (см. нижнюю правую часть рис. 52). Если самолет уйдет от оси зеркала вправо, как показано на рисунке, то излучение будет проходить на фотослой только в те моменты, когда прорезь координатора пересекает изображение цели. Лампа будет загораться только на правой части окружности, по которой она движется, и наблюдатель увидит светящуюся дугу в правой части индикаторного диска. Если самолет ушел вверх, вниз или влево, то на индикаторном диске светящаяся дуга будет видна вверху, внизу или в левой части диска.

Рис. 52. Схема действия теплопеленгатора

Наблюдатель все время поворачивает теплопеленгатор так, чтобы лампа горела на протяжении всего оборота диска. Наклон оси зеркала по углу места и поворот зеркала по азимуту с точностью до одной десятой градуса указывают направление на цель и передаются на прибор управления огнем зенитных орудий. При диаметре зеркала 1,5 м этот теплопеленгатор может обнаруживать самолет-бомбардировщик на расстоянии 12 км.

Недостаток зенитного теплопеленгатора заключается в том, что сквозь облака он работать не может. Кроме того, теплопеленгатор не в состоянии выбрать цель в случае, если в поле его зрения находится группа самолетов.

Теплопеленгаторы с сернисто-свинцовыми фотосопротивлениями применяют с успехом и для пеленгации морских кораблей. В этом случае названные выше недостатки сказываются меньше и конструкция теплопеленгаторов упрощается. Крупный корабль пеленгуется на расстоянии до 35 км. Дальность действия теплопеленгаторов ограничивается влиянием излучения фона: ночного неба, облаков и поверхности воды. Однако разработан ряд способов компенсации действия этого излучения. При этом следует отметить, что хотя теплопеленгаторы не могут работать сквозь облака, они способны пеленговать цель в тумане, если он не очень плотен. Сквозь обычные дымовые завесы теплопеленгаторы работают, но дальность действия их несколько уменьшается.

Существуют также специальные тепловые головки самонаведения, т. е. теплопеленгаторы, устанавливаемые на управляемых снарядах для автоматического вывода их на объекты, испускающие инфракрасные лучи.

Появление теплопеленгаторов, несомненно, вызовет разработку мер для снижения теплового излучения самолетов и кораблей, что в свою очередь потребует создания еще более чувствительных теплопеленгаторов.