dxdt.blog: занимательный интернет-журнал

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).

На картинке ниже, которая, как пишут, датируется 1900-м годом – “проекционный” телескоп. Картинка иллюстрирует 2000-й год. Надо заметить, что телескопы, решающие эту же задачу, но с помощью цифровых технологий, появились многим раньше 2000 года. Итак, картинка:

(Найдено в блоге Paleo-Future.)

Между прочим, заметная тема обделена вниманием блога dxdt.ru. Это – эсхатологические “проблемы” технократической цивилизации. Действительно, ожидания “всемирного конца света”, как и прежде, сильны: некоторые даже уже сейчас переезжают в специальные деревенские дома, переходя на самообеспечение, отказываясь от “благ цивилизации”. Ведь распространённые сценарии “конца цивилизации” в том или ином виде включают исчезновение всех технократических достижений, а не только Интернета.

Да.

До сих пор не ясно, полезут ли страшные орды монстров из межпространственной дыры, которую создаст (если создаст) ускоритель LHC, и это ли станет причиной “Конца”. Мы в этот раз вообще не будем разбирать называемые эсхатологами причины “Конца”. Пятничные заметки по теме “Эсхатология” посвящены другому – тому, как и какие технологии можно было бы, теоретически, сохранить в доступности после “конца всех технологий”. Потому что “эсхатологи” как-то об этих доступных технологиях упрямо забывают.

Итак, в эту пятницу, для начала, немного о генерировании электроэнергии. Действительно, в страшных сценариях “конца Света” даже готовящиеся к этому знаменательному событию персонажи остаются без электроэнергии. Мол, пишут они, “поставки электричества – это исключительно благо цивилизации”. А вот и нет – наш им ответ.

На удивление низкотехнологичным (по факту штатного применения) источником электроэнергии оказываются солнечные батареи. Дело в том, что сейчас, пока цивилизация живёт, фотоэлектрические преобразователи подешевели и, при этом, стали более эффективными. Эти неприхотливые устройства без движущихся частей нужно просто запасать, закупая для убежища.

После того как цивилизация с шумом рухнула, а централизованное электроснабжение исчезло, можно переходить на автономную “солнечную систему”. Уж особенно в деревенском доме.

Исключительной квалификации обслуживание системы на солнечных батареях не требует, а электричеством может обеспечивать долгие годы (главное запастись дополнительными хорошими аккумуляторами, потому что этот элемент системы электроснабжения вырабатывает свой ресурс быстрее). Удобным дополнением будут энергосберегающие электроприборы и инструменты, желательно – постоянного тока и низкого напряжения питания (переменный ток на 220 вольт – он-то в автономном доме особенно не нужен).

Конечно, при утрате в процессе “постцивилизационной жизни” ключевых элементов (например, злобные противники камнями разбили “фотоприёмники”) возобновить электропитание дома будет невозможно: цивилизация-то рухнула, а на коленке сделать “фотоэлектрику” уже не так просто. Так что следует запастись несколькими комплектами, и, возможно, несколькими разными по принципу действия системами (не только солнечной).

И, понятно, эффективность системы электроснабжения на солнечных батареях зависит от географического региона пребывания выжившего.

Продолжение – в следующую пятницу, теперь вместо многогранников.

Луна – это первый кандидат на строительство долговременных баз и заселение колонистами. Долететь туда относительно просто. Ещё важнее то, что можно почти так же просто вернуться обратно. (О Луне и о Марсе – как раз подходящая на День космонавтики тема.)

Да, есть некоторые проблемы с жизнеобеспечением длительное время живущих на лунной базе людей. Но, вообще говоря, большую часть этих проблем давно научились решать, вполне практически, и не только на МКС. А если добавить сюда реальную возможность обеспечить регулярные грузовые рейсы Земля-Луна, позволяющие по частям доставить на Луну хоть бы и ядерный реактор, то жизнеобеспечение вообще перестаёт быть проблемой.

Почему Луну до сих пор не заселили? Да потому, что пока нет особого смысла, мало выгод. Например, международные соглашения пока что запрещают государствам присваивать территории Луны. Спрашивается, ну какой смысл начинать колонизацию, если нельзя формально получить в своё распоряжение оккупированную территорию? Вот если бы появился юридический механизм, позволяющий “закрепить территориальные права” по факту “практической высадки” колонистов (пятнадцать человек живут в этом кратере уже два года) – вот тогда было бы совсем другое дело. А без возможности “столбить участки” на отдалённую перспективу лунные пустыни не нужны, не так уж там много интересного.

Ситуация с Марсом несколько хуже. На Марс сложнее долететь. Но это полбеды. Беда же в том, что пока не ясно, как с Марса вернуться. Топлива (точнее – энергии) для старта с Марса нужно много, с собой столько не вот привезёшь. Как получить нужное количество топлива на поверхности? На этот вопрос твёрдого ответа-инструкции нет.

Впрочем, набрать на Земле марсианских колонистов, готовых лететь с билетом в один конец, это не большая трудность. Но, опять же, как оформить колонию юридически? А если марсиане, начитавшись классической фантастики и почуяв свободу, провозгласят Конституцию, да и отвергнут власть короля… в смысле, объявят себя независимым государством? Проблема. Риск. А ради чего?

Да, как раз другой пласт проблем, мешающий колонизации планет, связан с вопросом “а ради чего?”. Какие экономические выгоды в ближайшей перспективе (тридцать-сорок лет) может дать колония на Луне? А на Марсе? Вот пока на этот вопрос нет внятного ответа, в форме “бизнес-плана”, никто и не станет выпихивать колонистов “из колыбели”.

А сами колонисты – есть. И технические возможности – есть, особенно если взять в расчёт неприхотливость колонистов. PR – тоже отличный. Хромает юридическое сопровождение. И “бизнес-плана” пока нет.

(Рисунок – NASA)

Сегодня – небольшое продолжение про помехопостановку. В прошлой заметке на эту тему помехопостановка рассматривалась как средство противодействия работе РЛС. Но помехи нужны и важны не только при работе с радиосигналами.

Скажем, существуют системы, подслушивающие секретные человеческие разговоры. Некоторая часть этих систем полагается на утечки по естественному для речи акустическому каналу. Например, во время разговора, в комнате вибрируют окна и стены. Эти – казалось бы, минимальные, – вибрации можно фиксировать разными способами. Если речь идёт про окна, то со стекла нужную информацию вполне реально снимать лазерным “виброметром”, который при этом может находится достаточно далеко от прослушиваемого помещения.

Конечно, секретную переговорную комнату возможно тщательно экранировать от утечек (для этого есть специальная хитрая наука). Однако на практике секретные переговоры могут проходить и в неподготовленных заранее помещениях. Как защитить такие помещения? Конечно, с помощью помех.

Например, на стёкла и стены оперативно устанавливаются (наклеиваются) специальные виброгенераторы, которые создают помехи, маскирующие акустический сигнал от разговора:

При этом, задающее характеристики помех устройство может генерировать белый шум, а может и добавлять “речеподобные помехи” (это сигналы, похожие на фонемы речи).

На Сryptome опубликован коротенький документ от ВМФ США, в котором речь идёт о возобновлении разработки “оружия, основанного на управлении погодой”. Вот документ (PDF) (английский язык). Правда, не понятно, когда этот документ (по сути, записка) выпущен и как там с его статусом обстоят дела.

В записке, в качестве целей “погодного оружия”, указаны, например, “противодействие переброске войск с помощью дождей/наводнений”, и “подрыв экономики в результате засухи”. Кроме того, в записке предлагается рассмотреть возможность использования “коммерческих” технологий управления погодой для военных целей.

Давно, раньше радаров, для обнаружения самолётов использовались акустические системы. Этакие огромные “уши”. С помощью нескольких людей-операторов и четырёх (или более) “звукоприёмных рупоров” по звуку моторов вычислялось направление на летящий самолёт. Дальше в работу включался наблюдатель, которого в ночное время “поддерживал” мощный прожектор. Понятно, что подцепленный лучом вражеский самолёт тут же передавался на обслуживание зенитным батареям.

В принципе, по базовой логике работы, всё это очень близко к современным РЛС. Разве что радары работают с использованием радиоволн. Это, кстати, важный момент: радар, то бишь radio detecting and ranging, в переводе означает “радиообнаружение и определение дальности”. Поэтому никаких “акустических радаров” быть не должно.

Теперь обнаруживать в воздухе самолёты по звуку обычно не принято, РЛС справляется с задачей обнаружения несравнимо лучше. Однако акустическая локация и многие связанные с ней области отлично развиваются, находя разнообразные практические применения, в первую очередь – под водой (но не только).

Известно, что использование радиоволн для тех или иных задач под водой сопряжено с очень серьёзными трудностями по сравнению с воздушной средой. А вот звук, напротив, в воде распространяется быстрее и, условно говоря, дальше. Акустические подводные системы во многом похожи на радиосистемы по принципам действия. Это потому, что распространение звуковых волн имеет общие черты с распространением электромагнитных. В частности, математически многие акустические явления хорошо описываются теми же уравнениями, которые моделируют электромагнитное поле.

Так что есть акустические локаторы, использующие звуковые импульсы, например, для обнаружения целей и измерения их параметров – эти активные устройства широко известны и используются даже продвинутыми рыболовами.

Есть пассивные устройства, слушающие подводные акустические шумы. Среди них много интересных. Например, специальные автономные буи, которые сбрасывают в нужном районе океана с самолёта. Плавая в воде, такой буй с помощью электронной системы слушает подводный мир звуков (на предмет прохождения подводных лодок, обычно), а собранную информацию периодически передаёт в некий “центр обработки”. Разбросав множество подобных устройств “по району”, можно реализовать распределённую систему слежения.

Конечно, есть и подводные акустические помехопостановщики, и акустические “ложные цели”. (“Звуковые” помехопостановщики, кстати, весьма широко используются и вне морей-океанов, во вполне “офисной жизни” – для защиты от подслушивающих устройств. Но об этом – в другой раз.)

(Рисунок: Edward L. Cooper)

Но самое интересное в том, что есть и аналог популярной (и, конечно, суперактуальной) сейчас исследовательской темы по полной “электромагнитной невидимости” – акустическая невидимость. Оказывается, что, судя по всему, реализовать невидимость для акустических локаторов (активных, пассивных и “бистатических” – это которые используют разнесённое зондирование) может быть даже проще, чем электромагнитную невидимость. Речь, прежде всего, о невидимых подводных объектах. Нужно ли говорить, насколько важна подобная невидимость на практике?

Правда, понятно, что будут большие проблемы с самодвижущимися подводными объектами. А вот плывущий по течению “подводный контейнер” можно очень эффективно “прикрыть” от звуковых обнаружителей.

А ещё интереснее то, что такой “невидимый для акустики” подводный объект, конечно, будет отлично виден в оптическом диапазоне, то есть с использованием электромагнитных способов обнаружения. (Ну, если для оптической маскировки не принято дополнительных мер.)

Если провести параллель с электромагнитной невидимостью дальше, то легко заметить, что акустические системы локации могут вдруг обрести дополнительную немаленькую популярность и в воздушной среде, так сказать, на берегу. Это произойдёт с приходом невидимых в электромагнитном диапазоне объектов. Ведь совершенно невидимый для электромагнитного поля объект вполне можно обнаружить, скажем, с помощью ультразвукового локатора. А совместить акустическую невидимость с электромагнитной – это уже задача совсем другого порядка сложности.

Такое наблюдение.

На “Математических этюдах” – документальный фильм про вычислительную технику, которую использовали в МГУ в 1950-х годах.