На передних рубежах радиолокации - Виктор Млечин

Решение о расширении диапазона волн разрабатываемых РЛС, принятое совместно Министерством обороны СССР и главным конструктором станции в 1945–1949 гг., было безусловно смелым решением. Переход от более или менее изученного к тому времени диапазона сантиметровых волн в область миллиметров являлся не только «прыжком в неизвестность», но грозил неоправданными потерями времени, провалами в работе из-за отсутствия результата, не говоря уже о больших финансовых вложениях, затраченных без получения отдачи. Область миллиметровых волн, особенно в применении к радиолокации, была экспериментально мало обследованной, данные о распространении волн этого диапазона достаточно скудные. Вызывала сомнения возможность создания генерирующих приборов требуемой мощности. Пути разработки недорогих антенн, обеспечивающих качание луча в секторе и способных к изготовлению на имеющейся производственной базе, вообще плохо просматривались. Что же привлекало разработчиков в их стремлении переходить на более короткие волны, ради чего мог быть оправдан результат, несмотря на многочисленные риски? Таким фактором, служащим продвижением вперёд, являлось повышенное разрешение целей, т. е. возможность различения отдельных деталей в полученной картинке или, другими словами, способность раздельного выделения объектов, составляющих так называемую групповую цель.

Теперь о тех событиях по миллиметровому диапазону волн, которыми мы располагали к началу работ станций «Лес». Было известно, что поглощение радиоволн в диапазоне частот 10–60 Ггц вызвано действием водяного пара и кислорода. Наибольшее поглощение водяным паром было отмечено на волне 1,35 см (около 22 Ггц), а линии поглощения кислородом лежат вблизи волны 0,5 см (60 Ггц). Поэтому выбор рабочей волны станции был обусловлен областями, в которых общая кривая потерь на поглощение при распространении радиоволн имела минимумы. Мы также знали, что получить большие выходные мощности генерирующих приборов не удастся, а уровень входных шумов приёмников будет увеличенным. Считалось, что получить большие дальности действия станции мы не сможем, но ответить на вопрос, какова мера снижения дальности, никто не мог. Было ясно, что для увеличения разрешения по дальности необходимо расширение полосы излучаемых сигналов, но вопрос о том, как снизить шум-фактор приёмника таких сигналов до приемлемой величины повисал в воздухе. Для того чтобы реализовать высокое разрешение по углу, следовало не только сократить в разы ширину луча, но и обеспечить узкую диаграмму антенны и малые боковые лепестки во всём секторе качания луча и в заданном диапазоне частот. Но всё-таки большинство вопросов, возникших в начале проектирования станции, было связано с распространением радиоволн этого диапазона. Будет ли станция работоспособна при моросящем, среднем дожде или ливне, а при грозе? Что ожидать во время снегопадов? Можно ли рассчитывать на рефракцию? Отсутствовали сведения об эффективной поверхности рассеяния реальных наземных объектов в новом диапазоне частот. Не было данных о роли поляризации излучаемого сигнала и насколько он деполяризуется при отражении. В условиях подобной неопределённости работа шла, как говорят теоретики, методом последовательных приближений. Причём такой подход прослеживался как при рассмотрении теоретических проблем, так и при проведении экспериментов. На начальном этапе работы с макетом станции сканирование выключалось, луч антенны устанавливался вручную в направлении дороги, по которой передвигалась автомашина с уголковым отражателем, а сигнал с выхода приёмника рассматривался с помощью индикатора типа «А», т. е. попросту говоря, осциллографа в ждущем режиме. Если сигнал плохо просматривался, меняли смесительные диоды в кольцевых мостах или переключатель «приём – передача». Отсутствие сигнала часто было связано с отказом генерирующего прибора. Приходилось снимать с опор передатчик, перемещать его вдвоем (70 кг) на монтажный стол, вскрывать и заменять магнетрон. На это уходило добрые час-два. Когда сигнал восстанавливался, делали попытку рассмотреть изображение в режиме сканирования. На малых расстояниях отметка наблюдалась, но потенциала явно не хватало. После этого станция выключалась и начиналось обсуждение. Все понимали, что результаты, полученные на натуре при ясной и сухой погоде, свидетельствовали о нехватке энергетики, что связано с пониженным уровнем выходной мощности передатчика, потерями в высокочастотном тракте, недоработкой УПЧ, но главное кроется в недоиспользованных возможностях антенны. Присутствовавший на испытаниях конструктор антенн и радиоспециалист с большим стажем Е. Н. Майзельс молчал, обдумывая увиденное. Он не торопился высказать своё мнение. Но многоопытный Евгений Николаевич на каждом этапе умел вырабатывать адекватное решение. Обсуждая сложившееся положение, он предложил Гуськову подумать о замене зеркала рефлектора, что, с одной стороны, позволило бы поднять энергопотенциал, а с другой стороны, оттянуть луч от земли. Кроме того, следовало быть более внимательным при выборе позиции для станции.

Модернизацию станции, как я уже сказал, вели во всех возможных направлениях. На следующем этапе испытаний, осенью, зарядили дожди, условия ухудшились: порой сплошная пелена закрывала картинку, отметки, только что просматриваемые, заплывали и переставали различаться. Вспомнили о структуре дождя при радиооблучении. Капля при слабом дожде могла быть представлена в виде сферы, а облучение такой идеальной сферы, заполненной водой, на радиочастотах изучалось ещё в начале ХХ века, вскоре после изобретения радио. Если говорить о радиолокационном обратном рассеянии, его величина зависит от отношения длины окружности сферы к длине волны. Различают три области: низкочастотная или релеевская, где длина окружности сферы меньше длины волны, резонансная или область Ми, где указанное отношение лежит между 1 и 10, и оптическая область (>10). Мы работали в основном в области, которую называли областью Ми, по имени немецкой учёной G. Mie, которая впервые провела анализ рассеяния атмосферы[9]. Из-за интерференции волн указанная выше зависимость имеет в этой области характер затухающего колебательного процесса. Рассеяние идеально проводящей сферы изотропно, т. е. не зависит от угла облучения и стремится (на высоких частотах) к площади проекции сферы. Однако наиболее важно то, что сфера является изотропной и в поляризационном смысле, что означает отсутствие деполяризации при отражении. Например, при облучении сферических капель дождя волной с круговой поляризацией отраженная волна будет также иметь круговую поляризацию, при этом она приобретает для антенны обратное направление вращения.

Эти факты послужили для Е. Н. Майзельса толчком к проведению большой экспериментальной работы по измерению диаграмм рассеяния тел вращения, а затем и тел произвольной формы (конечных размеров). Примерно в те же годы в связи с запросами разработчиков РЛС крупный специалист в области электродинамики Л. А. Вайнштейн принял решение открыть серию работ по теории дифракции на телах сложной формы. Эта работа в дальнейшем была поручена тогда молодому инженеру, а впоследствии соавтору технологии Стелс П. Я. Уфимцеву. Он проводил расчёты на выпуклых металлических телах, поверхность которых имеет изломы (рёбра), а размеры – превышающими длину волны.