dxdt.blog: занимательный интернет-журнал

После небольшого перерыва блог dxdt.ru продолжается.

Вот, скажем, в чём ценность разных исследовательских морских-океанских мероприятий, в подробностях изучающих рельеф дна? Вроде бы, полезно для развития океанографии. Но, как иногда бывает, это не единственный эффект, а подробные сведения о рельефе дна нужны для подводной навигации, актуальной для военных применений.

Под водой вообще доступных ориентиров и “системных особенностей”, на которые можно опереться навигационным системам, не много, особенно если плыть приходится на глубине в многие сотни метров. Не секрет, что крылатые ракеты летают, ориентируясь по рельефу местности. Подводные лодки и подводные роботы плавают, ориентируясь по рельефу дна. (Конечно, помогая себе инерциальными системами.) Ну и, кроме прочего, в “складках рельефа” можно прятаться от сонаров противника.

Ситуация становится интереснее, если учитывать, что для проведения каких-нибудь операций требуются данные о рельефе дна в непосредственной близости от береговой линии той или иной морской державы. Отсюда, кстати, происходят всякие “случайные” заходы на редкость быстроходных “рыболовецких посудин” в территориальные воды.

Вот, кстати, почему-то часто приходится слышать, что если в какой-то криптосистеме большое число возможных ключей, то уже поэтому такая криптосистема стойкая и хорошая. Такое заблуждение. Между тем, даже в популярной литературе традиционно приводится старый пример с наивной криптосистемой на перестановках букв алфавита. Вот он:

Предположим, что в качестве ключа используется конкретная перестановка всех букв алфавита (перестановка – это, думаю, понятно, что такое: было “АБВ…ЮЯ”, стало “БTА…ФК”). Шифрование производится заменой буквы открытого текста на соответствующую ей букву ключа (скажем, А->Б; Б->T и т.д. – если использовать только что упомянутый ключ).

В такой криптосистеме число ключей = 33!, то есть где-то около 8.7*10³⁶ – перебирать и перебирать. Но при этом всякое достаточно длинное осмысленное текстовое сообщение, зашифрованное описанным выше образом, элементарно раскрывается за доли секунды, так как частотные характеристики текстов на естественном языке позволяют быстро вычислить ключ без перебора всех его вариантов.

DARPA заказывает некую секретную программу Gandalf, при этом основные условия тендера вполне публичны. То есть можно предположить, что это вообще очередная дезинформация для заинтересованных сторон.

Тем не менее, суть программы – разработка портативных переносных устройств, позволяющих идентифицировать конкретные радиопередатчики и определять их координаты. Такой инструмент для поиска.

Вообще, с помощью нескольких приёмников, обменивающихся между собой информацией (этакая поисковая сеть), можно многое сделать. При этом вовсе не обязательно снабжать приёмники большими антеннами и использовать примитивную пеленгацию по азимутам. (Хотя, наверное, это самое очевидное решение.) Так, компактная антенна вполне может принимать довольно длинные волны – вспомните бытовые радиоприёмники. Определять же местоположение передатчика можно без “взятия азимутов” направленной антенной, вместо этого синхронно фиксируя на всех устройствах изменения сигнала во времени.

Скажем, подобная система поиска могла бы использовать GPS, дающую не только координаты, но и “глобальное” время с очень высокой точностью. Это опять очевидное решение, на практике не слишком полезное: GPS доступна не везде (здания, подземные сооружения – там спутников не видно), а там, где доступна GPS, можно использовать уже имеющиеся методы определения координат передатчиков (те же спутники или начинённые оборудованием машины), не разрабатывая “портативных коробочек”.

Так что оказывается, новая система должна как-то иначе определять взаимное положение элементов сети поиска и время тоже тут должно быть своё, возможно, корректируемое по GPS.

Другая проблема, ради которой, возможно, DARPA и затевает проект (если информация о нём это, всё ж, не дезинформация) – идентификация, собственно, конкретных физических передатчиков. Это действительно сложно, если только речь не идёт о стандартных коммерческих устройствах типа сотовых телефонных аппаратов. В принципе, сигнал всякого реального передатчика обязательно имеет свои индивидуальные особенности, обусловленные специфическими характеристиками конкретных экземпляров аналоговых схем-цепей-устройств в этом самом передатчике. Другое дело, что выявление и “атрибуция” этих особенностей не в лабораторных условиях – задача, разрешимая скорее теоретически, но не практически. Тем не менее, не имея решения этой задачи, бессмысленно браться и за создание “поисковой сети”. Так что, может, именно в этом интерес DARPA?

Ну и если Gandalf появился бы, то наивные применения (упомянутые в статье по ссылке выше) типа поиска сотового телефонного аппарата с известным номером в толпе людей, заполнившей метрополитен, – это явно не та цель, из-за которой стоит городить проект.

В чём же цель?

Отыскать ответ на сей вопрос можно, если задуматься вот о чём: многие и многие современные электронные устройства являются радиопередатчиками, по задумке конструкторов или “невольно” из-за законов физики. Речь не о “блютусе в плеере”, речь о банальных электронных наручных часах, которые вполне себе излучают электромагнитные волны. Да что там часы: чип в биометрическом паспорте (более распространённый пример: транспортная карта с подобным RFID-чипом), если навести неподалёку от него нужное электромагнитное поле, принимается “излучать в эфир”. Вот это – действительно масштабные по меркам DARPA цели.

По ссылке – подборка космических фотографий ураганов. Вот таких вот, например:

Nature в очередной раз публикует текст о передаче информации “быстрее света”. Конечно же, исходный материал про запутанные частицы. Подробные и внятные пояснения по статье (которая уже “шумит по блогам” – как известно, на шум обречена всякая статья, где рассказывают о “преодолении скорости света”) – у Игоря Иванова.

Довольно часто можно услышать, что, якобы, надёжная стратегическая ПРО (противоракетная, то бишь, оборона) неосуществима потому, что подобную систему, дескать, невозможно отладить. Понятно, что организовать “отладочный” массированный ракетный удар, для того чтобы испытать развёрнутую ПРО, действительно нереально. Есть, конечно, и другие проблемы с отладкой столь сложных систем. Однако эти проблемы не мешают системы отлаживать.

Более или менее простой пример: огромные небоскрёбы строят с учётом сейсмической опасности района, где этот небоскрёб находится. При этом вряд ли можно обратиться в небесную канцелярию и заказать “тестовое землетрясение” для безопасного испытания уже построенного небоскрёба. Сложные спутниковые системы, типа GPS, также довольно сложно испытать целиком, “в натуре”, и при этом на Земле, до запуска группировки. При этом GPS работает, а небоскрёбы выдерживают расчётные землятресения. Как же так?

Хитрость тут в нескольких моментах: в математическом моделировании, в архитектуре системы и в алгоритме этой системы развёртывания. Например, поведение небоскрёба (а высочайшие из них – уникальны, что важно) во время землятресения моделируют с помощью компьютеров. При этом отдельные, достаточно простые, составляющие небоскрёба (балки, опоры, стекло, всякие “силовые короба” и т.п.) могут быть тщательно испытаны на практике. Собственно, результаты таких испытаний и позволяют построить точную модель. (Конечно, можно ещё строить уменьшенные реальные модели целого небоскрёба и т.д.) Архитектура небоскрёба такова, что позволяет собрать его из проверенных элементов в систему с хорошо предсказуемыми свойствами. Строительство же здания производится таким образом, чтобы не испортить, так сказать, архитектурных задумок, не в смысле “внешнего вида”, а в том смысле, чтобы во время возведения северной стены она не рухнула на южную, так как стены вовремя не связали перекрытиями.

Равно таким же образом строятся и системы типа GPS: сперва достигается понимание элементарных составляющих систему элементов, потом моделируется поведение системы в целом (занимательно, что на этом этапе, GPS, в отличие от небоскрёбостроительства, требует активного привлечения специальной теории относительности), далее разрабатывается план развёртывания системы в целом (порядок изготовления спутников, приёмников, выведения спутников на орбиту и т.д.).

Что же мешает использовать подобный подход при создании ПРО? Ничего не мешает. ПРО именно так и будет создаваться: сперва отлаживаются и испытываются отдельные комплексы (провести реальные тесты по перехвату самых разнообразных мишеней – возможно), потом разрабатывается архитектура, которая позволит построить всю систему из большого количества элементарных составляющих с сохранением понимания устройства системы в целом. Далее – моделирование и тщательное развёртывание по согласованному с архитектурой алгоритму.

В чём главная особенность? В том, что в результате получается вполне отлаженная система, способная с очень высокой вероятностью успешно выполнить сразу первую задачу, без прогона по сотне тестовых.

Но – да, задача сложная, сложнее небоскрёба.

F-22 – первый истребитель пятого поколения, массово поступивший на вооружение (ну, если отбросить неясности вокруг определения пятого поколения).

Так как F-22 – массовый и, возможно, сами Штаты их закупят несколько сотен, то всё чаще слышно о “противостоянии F-22”. Обычно в виде хорошо заученных журналистских штампов: “Этот новый истребитель, по мнению специалистов, даже сможет противостоять F-22…”. Что реально имели в виду журналисты, выдавшие штамп, не понятно, потому что сам штамп – ни о чём.

Что тут нужно сказать? Вот был такой германский реактивный истребитель Второй Мировой – Me 262. Очевидно, что реактивный истребитель, на фоне поршневых, – действительно новое поколение. Сыграл ли Me 262 (серийно выпускавшийся многими сотнями и воевавший в небе над Германией) сколь-нибудь ключевую роль в развитии боевых действий в воздухе? Нет. Так, удивлял пилотов – не более того.

Кто противостоял Me 262? Добротные, можно сказать доведённые до совершенства, поршневые истребители (советские, штатовские, британские) и сами поршневые же бомбардировщики, на которые Me 262 пытались нападать (иногда успешно, надо сказать). При этом тактика применения поршневых истребителей для уничтожения самолётов противника была очень хорошо отработана, а соответствующей тактики для реактивных машин – не было (“поршневая”, как быстро выяснилось, не подходила).

Современная ситуация такова, что истребители не воюют по одиночке. И важна тактика групп истребителей, дающая существенные преимущества, достичь которых хоть бы каким усовершенствованием отдельной машины – просто невозможно (см. “обосновывающую” заметку с пояснениями по теме группы истребителей). Принципиально ли нужен какой-то новый истребитель “для противостояния F-22”? Вовсе нет. (Точно так же для борьбы с Me 262 советской армии не требовались немедленно и принципиально реактивные самолёты.) F-22, хоть и “пятого поколения”, но противостоять ему могут и, скажем, МиГ-21.

Странно? Нет. Просто вопрос в том, в выполнении каких задач будет заключаться “противостояние”, в тактике, в количестве самолётов, в выучке пилотов. Но, конечно, ключевую роль играют бортовое радиоэлектронное оборудование и вооружение. Старые, в смысле “аэродинамики”, истребители должны иметь современные радары и системы связи (а подобные апгрейды вполне доступны), а вооружить их потребуется современными ракетами.

Да, F-22 – малозаметный (в радиолокационном, понятно, смысле) самолёт. Но именно “Стелс” требует, чтобы этот истребитель нёс вооружение во внутреннем контейнере, тем самым существенно ограничивая число (и тип) ракет, которые может использовать F-22. (Понятно, что там есть и возможность внешней подвески, но в таком случае главное преимущество – “Стелс” – исчезает.) То есть F-22 должен атаковать наверняка, так как для “повторных стрельб” просто не хватит ракет. Таким образом, как ни странно, опять же частично нивелируется преимущество малой заметности: нужно подходить к цели ближе и быстрее, а при этом растёт вероятность, что противник таки обнаружит “невидимку”.

В вероятном сценарии “противостояния” одна из сторон, та, которая со старыми истребителями, обороняет собственное воздушное пространство. При этом обнаруживать вражеские “Стелс” пятого поколения и наводить на них группы истребителей помогают различные наземные системы ПВО. В свою очередь, эти группы истребителей, оснащённые современными бортовыми ЭВМ, используют согласованные действия, улучшающие точность целеуказания – тут поможет и разнесённая (бистатическая) радиолокация, и пассивные методы. Главное – чтобы численность истребителей ПВО превосходила численность атакующих сил “пятого поколения”.

Современные сверхскоростные ракеты “воздух-воздух” большой дальности (а такие уже есть) вынудят атакующие силы F-22 оперативно поворачивать “на отступление” сразу же после того, как пуск ракеты будет обнаружен (потому что в “единоборство с ракетой” истребители вступают только в кино; на практике, при бое на дальних дистанциях, куда полезнее просто быстро выйти из “дальности действия”). При этом ракете, вообще-то, не так уж и важно, стартует ли она с суперсовременного истребителя или со столь же быстрого, но старого.

А для того, чтобы ещё больше ухудшить ситуацию F-22, ракеты лучше сразу выпускать большим числом, при этом одновременно используя ракеты с разными головками самонаведения (драпающий истребитель, кстати, очень хорошо “светит” реактивным соплом, даже если это сопло двигателя пятого поколения). Да, ракеты должны быть современными, и они должны быть в достатке. Но ракета – не новый истребитель. (Новый ведь со старыми ракетами вообще – просто бесполезен.)

А если вы думаете, что F-22 будут активно ввязываться в ближний маневренный бой, “скрытно подкрадываясь”, то вы ошибаетесь: наземные радары подскажут находящимся в воздухе истребителям, где крадутся представители “пятого поколения”. Правда, нужна хорошая эшелонированная наземная ПВО и системы связи, это да. Ну а кроме того, ближний бой на F-22 – это, опять же, из кинематографа. Да и “Стелс” в ближнем бою не помогает, а “ракетомест” на борту F-22 маловато, поэтому ещё на аэродроме придётся выбирать между ракетами: брать “для ближнего боя” или нормальные.

Впрочем, для применения F-22, в соответствии с опытом, будет разработана какая-нибудь своя тактика. Наверное, учитывающая и грамотное противостояние “старых истребителей”. Но вот только со штампом про “суперновые” истребители, которые “даже смогут противостоять…” это совсем не связано.

Конечно, всё вышесказанное не означает, что не нужно разрабатывать новые истребители. Речь лишь о том, что “противостояние” – сложная проблема, измерять “по противостоянию” – не верно, а организовать противостояние можно и на базе старых истребителей.

Несколько неожиданное продолжение темы про подводных роботов: оказывается, мало кто знает, каким образом поддерживается дальняя и непрерывная связь с подводными лодками. А ведь такая связь – это очень важная штука, особенно если речь идёт об атомных подводных крейсерах.

Понятно, что если лодка находится в надводном положении – проблем со связью нет: традиционные радиостанции и спутниковая связь обеспечивают связь в обоих направлениях и со многими кораблями. Но проблема в том, что атомные подводные лодки несут службу в глубинах океана, стараясь себя не обнаруживать (скрытность – основное преимущество субмарин). У радиоволн есть большие проблемы с распространением под водой. Как быть?

Например, находясь на перископной глубине, лодка может поднять тот самый перископ и использовать для радиосвязи установленные на нём антенны. Проблема в том, что подобный перископ, увешанный антеннами, будет отлично выдавать лодку, так как может быть обнаружен самыми разными радарами противника. Интересно, что перископы современных лодок в надводной их части стараются делать малозаметными (по технологии, так сказать, “Стелс”). Более того, стараются максимально сократить время присутствия перископа над водой: например, перископ может подниматься, выполнять очень быстрое сканирование горизонта, передавать, используя специальный тип сигналов, короткие сообщения через спутник и тут же прятаться обратно, под воду.

Надо заметить, что находясь на небольшой глубине, лодка может принимать радиоволны не высокой частоты (“короткие волны”, скажем) – они проникают на некоторую глубину под поверхность воды. При этом, в общем случае, радиоволны с более низкими частотами проникают несколько глубже под поверхность воды. Например, именно таким образом возможен приём сообщений с самолётов (есть специальные самолёты, обеспечивающие ретрансляцию сообщений подводным лодкам).

Впрочем, даже если подводный крейсер только поднялся на перископную глубину, то можно считать, что он себя с большой долей вероятности обнаружил, хоть и не поднимал, собственно, перископа. Дело в том, что есть целый набор средств, позволяющих обнаруживать крупные подводные лодки на небольших глубинах: их видно со спутника, их спутный след, если лодка движется, может быть обнаружен специальными радарами и т.п. Так что без особенной необходимости лодка всплывать не станет.

(Иллюстрация: Edward L. Cooper)

Для связи могут использоваться специальные буи, поднимаемые с лодки, находящейся в подводном положении. Такой буй, начинённый радиосистемами, привязанный к лодке и обменивающийся с ней информацией, может всплыть на поверхность, а может и оставаться на небольшой глубине, используя эффект с проникновением радиоволн, описанный абзацем выше. Но и буй – это полумера, не позволяющая реализовать непрерывную связь.

Один из акустических вариантов состоит в размещении под водой ретранслирующих станций, имеющих надводные радиоантенны. Предположим, что такая станция преобразует радиосигналы в акустические колебания и транслирует их под водой, а лодка “принимает звук”, находясь на большой глубине. Акустическая подводная связь, в теории, работает на расстояниях, измеряемых десятками километров. При необходимости можно использовать дуплексный режим, то есть станция принимает сигналы от лодки и ретранслирует их по радио “в центр”. Однако весь океан такими станциями не застроишь, их можно разместить только вдоль традиционных районов патрулирования. (И тут есть ряд других проблем, о которых как-нибудь в другой раз.)

Вот.

Мы уже несколько вариантов рассмотрели, но так и осталось непонятным, каким образом условный “командный пункт” поддерживает связь с находящимися в автономном плавании на большой глубине подводными лодками.

Решение тут несколько неожиданное: таки используется радиосвязь. Но не простая, а на сверхнизких частотах, сверхдлинных волнах. Оказывается, что радиоволны длиной в тысячи километров (частота 70-90 Гц) проникают в самые глубокие океаны. То есть подводная лодка сможет принять сигнал на такой частоте, даже находясь на максимальной глубине. Правда, со столь низкочастотными радиоволнами есть целый ряд проблем.

Во-первых, их чрезвычайно сложно излучать (задача приёма – сильно проще). Действительно, ведь построить столь огромную антенну – нереально. Одним из способов трансляции сверхдлинных электромагнитных волн является использование самой земной коры в качестве излучателя. Правда, этот способ требует огромных затрат энергии и правильного выбора местоположения генерирующей установки, потому что существенную роль играют геологические особенности (электрическая проводимость, в частности) земных пород, расположенных под “генератором”. Зато радиоволны успешно распространяются по всему земному шару.

Во-вторых, низкая частота несущей волны означает, что чрезвычайно сложно создать модуляцию и выбрать систему кодирования, которые позволят сколь-нибудь быстро передавать заметное количество информации. Ведь 90 Гц – это даже и близко не 900 МГц, на которых еле-еле работает GPRS.

В-третьих, сигналы с подобными частотами приходится принимать на фоне сильных помех различной природы, а при этом эффективная мощность передатчика очень мала, несмотря на то, что “генерирующую установку” может питать целая электростанция.

Впрочем, описанные проблемы не мешают использовать сверхдлинные волны для односторонней связи с подводными лодками в океане (а также и для исследования земной коры).

Так вот, при чём же здесь автономные подводные роботы? А при том, что именно сеть из таких роботов может обеспечивать оперативную и по более широкой полосе связь с подводными лодками. Роботы менее заметны, да и их обнаружение не даёт информации о местонахождении субмарины. При этом сеть роботов перемещается, сопровождая лодку, но так как это именно сеть, растянувшаяся на многие тысячи квадратных километров, секретность положения лодки – сохраняется.

Всегда интересны нетрадиционные самолёты, особенно если это переоборудованные истребители. На фото 1996-го года – не самый типичный F-16 (надо заметить, не все интересующиеся авиацией вообще опознают в этом кривокрылом летательном аппарате F-16):

(Фото: NASA)

Почему он такой странный? Потому что это летающая лаборатория, оборудованная на базе F-16XL и предназначавшаяся для изучения полезности систем управления пограничным слоем при сверхзвуковом полёте. На левой консоли установлена система отсоса пограничного слоя, её “входная панель” – тёмного цвета.

(Пограничный слой – это, грубо говоря, та часть потока, обтекающего крыло, которая непосредственно к поверхности крыла прилегает; поведение пограничного слоя имеет решающее значение для аэродинамических свойств крыла. Отсос воздуха из пограничного слоя способствует, в теории, сохранению ламинарного течения в этом слое.)

Правая консоль изображённого F-16 не содержит системы отсоса, и в полёте использовалась в качестве источника “эталонных” данных, служивших для более точного анализа поведения левой консоли. При этом у правой консоли другая форма. Это потому, что её параллельно использовали для сравнительных испытаний нового “ламинарного крыла”, не имеющего активной системы управления пограничным слоем.

Впрочем, судя по всему, каких-то эпохальных положительных результатов в исследованиях на этом F-16 получить не удалось. Но отрицательный результат – это тоже результат.

(Да, а ламинарный пограничный слой – он позволяет улучшить аэродинамическое качество.)

На радость поклонникам стим-панка: в Израиле запускают опытную установку по преобразованию солнечной энергии в энергию перегретого пара. Генератор состоит из большого количества размещённых на земле пустыни зеркал, отражающих солнечный свет на “теплоприёмник” котла, который расположен на специальной башне. Пар должен вращать турбину, но турбины на опытной установке пока нет. Фото:

(Источник подробностей.)

В блоге Игоря Иванова подробности про реальное положение дел с Большим адронным коллайдером и его “как бы запуском” (шумиха в блогах о готовящемся запуске была вчера, а на самом деле – запуск даже и не готовился; это, вообще говоря, не удивительно ни разу, если глянуть на вчерашнюю ситуацию с охлаждением устройств ускорителя).