«Стоячие волны»- кто они?
Статья является продолжением цикла «Противолодочная борьба. Взгляд из СССР», повестей «Нетрадиция» и рассказа «Мутабор».
Читать необходимо с иллюстрациями, здесь все разместить не получается, поэтому ссылка на полную версию размещена в рецензиях, внизу...
Ответы на вопросы, которые иногда появляются на форумах о нетрадиционных способах обнаружения подводных лодок.
Явление было замечено в 20-е годы прошлого века, как сопутствующие движению надводных объектов.
Тогда пристального внимания явлению должным образом не уделили- здесь есть несколько причин.
Первая- живые подводные объекты (в первую очередь китообразные) имея значительную массу, но также имеют и природные механизмы «гашения» этого воздействия на водную среду. Как у дельфинов, например, эффект кожного покрова- пружинящий и уменьшающий сопротивление воды в движении.
Вторая- отсутствия подводных объектов созданных человеком.
Третье-отсутствие противолодочной (исходя из задач) авиации.
Четвертое- отсутствие радиолокационных станций.
Пятое- отсутствие оптических приборов, в первую очередь различного рода линз (насадок) изменяющих длину волны.
Мы в экспериментальных полетах использовали объективы авиационных фотоаппаратов, различные насадки и режимы съемки. (На фото объективы и насадки к ним).
Первые эксперименты по маскировке подводных лодок в глубине воды ,начались в 30-х годах. Так как многочисленные воздушные наблюдатели свидетельствовали- корпус лодки виден в хорошую солнечную погоду в глубине до 50 метров.
Эксперименты были и в создании «завес» из порошка, что с юмором описал Л.Соболев в рассказе о «Суффиксах»:
«Оказалось, что в начале кампании Василий Лукич на этой же лодке ходил в море, чтобы испытать на практике присланное на отзыв изобретение, которое якобы давало лодке возможность надежно укрыться в воде от самолетов. Это был порошок ядовитого сине-зеленого цвета, который следовало подсыпать в балластные цистерны. По мысли изобретателя, достаточно было продуть одну такую цистерну, чтобы укрыться на глубине от зоркого взгляда летчика непроницаемой завесой цвета морской воды, но лишенной ее предательской прозрачности.
Порошок с великим уважением засыпали в цистерну номер два. Василий Лукич взбодрился на самолет, лодка нырнула и проделала все, что полагалось в инструкции изобретателя, потом всплыла -и Василий Лукич вылез из самолета в крайнем гневе. Порошок, и точно, окрасил воду вокруг лодки. Но, то ли изобретателю никогда не приводилось видеть натурального моря, и он доверился изображениям его в живописи, то ли просто он не подогнал колеру и малость перехватил синьки, но с самолета увидели в прозрачной глубине инородное темное яйцо огромных размеров.
Остатки порошка тотчас же выкинули, выкрасив при этом в необыкновенный цвет, на удивление рыбам, препорядочный кусок моря. Василий Лукич отослал с летчиком исчерпывающий отзыв, а неудачный состав прозвали на лодке "сумасшедшим порошком" и долго потом ругали его создателя: лодка никак не могла оправиться от пережитого потрясения и время от времени при погружении выпускала из цистерны номер два тонкий ядовито-зеленый хвост, отнюдь не способствующий маскировке.»
Идея не прижилась и подводные лодки стали «залезать» поглубже, как и самолеты того времени- повыше.
Появившиеся РЛС, в первую очередь, стали использовать для обнаружения всплывших для зарядки АКБ. А затем, с увеличением их разрешения, для поиска устройств РДП. К примеру, одна из самых удачных РЛС того времени AN /APS-20 позволяла обнаружить перископ ПЛ на дальности до 20 морских миль.
И была установлена на многих типах противолодочных самолетов. И сейчас показывала неплохие результаты, о чем я отмечал в повести «По традиции. Каждому Аз воздам».
Но когда появились атомные подводные лодки, соответственно увеличились и размеры районов их деятельности. А «прошерстить» такие площади- это задача сложная. Появилась потребность искать новые способы поиска и изобретать новые тактические приемы. Тогда и у нас и за рубежом вспомнили феномены, когда операторы береговых РЛС наблюдали в локатор уже погрузившуюся лодку.
Впрочем, об этом подробно в повести «Нетрадиция».
Наука поначалу грешила на Кельвина и Бернулли, но потом призадумались. В РЛС видны отметки впереди лодки, а не только сзади. И на приличном расстоянии впереди, километров эдак на пять.
Естественно, просчитали все по Кельвину и по Rabaud'а & Моisy. Определили углы «усов»...Но как-то упустили переход от «усов», точнее к их исчезновению, до образования кольца, тора, «бублика»- кому как нравится. А нужно было просто залезть повыше.
Есть такой детский мультик-«Кит любил залезть повыше, ночью песни пел на крыше...»
Так вот, «усы» Кельвина удобно наблюдать на малых высотах. А «бублик» на средних, от 2 до 3 км.
Все просто. А сам процесс «превращения» от клина до тора, можно было наблюдать и зрительно, только нужно немного воображения.
Немного подсуетились американцы, подсунули несколько теорий, которые были правильными, но заводили в глухой тупик. Может эти исследования для «мелкой» воды пригодились бы водомеркам, ну чтоб знали, за счет чего они могут по воде бегать.
Да, я не упомянул о сходстве "камня" в воду в обоих случаях -на воде и под водой.
Нос корабля в принципе не отличается от бросаемого в воду камня. Он же не распарывает толщу воды линейно. Он в процессе поднимается вверх и опускается вниз. Упрощенно- одни волны образуются рассеканием, другие 'хлопаньем' носом корабля при этом рассекании.
Наиболее быстрые волны не обгоняют судно и не отстают от него: их фазовая скорость равна скорости судна. И еще известно: групповая скорость волн составляет половину их фазовой скорости. Волновой след за судном образован именно группами волн, на которые 'рассыпалась' возникшая волна. Но если от отдельного камня группы волн имели форму окружностей, то для 'множества камней', которым мы заменили нос судна, возникает интерференция между ними. И результат ее оказывается примерно таким же, как и для волн от ряда вибраторов, когда имитировали колеблющуюся пластинку(там есть фото у меня в статье). Интерференция отдельных круговых волн (теперь уже групп волн) выстраивает их в плоские волны.
Там же картинка есть. В начальной точке скорость имеет какое-то значение. Возмущение 'бежит' от носа с фазовой скоростью V фаз. во все стороны. Ведь вначале V фаз. и скорость корабля равны. Группы волн при этом станут распространятся на половинной скорости движения корабля. Область распространения возмущения будет как окружность с радиусом одна вторая скорости на время. Область от носа расширяется, как на картинке. Круги.
Корабль прошел путь скорость на время, область группового возмущения прошла путь четверть умноженная на скорость-время. Синус угла одна треть, то есть угол "0" получается 19,5 градусов. Он практически не изменяется от скорости. Что это дает? Подводникам дает понятие для расчета зоны прикрытия своих шумов шумами корабля. То есть, независимо от скорости корабля( судна) за которым он спрятался от акустики противника- расчет места где нужно держаться неизменен. Ну в угловых понятиях.Рассчитать пеленг, область в которой нужно "висеть" и все дела.
Плоский фронт групповой волны к этому времени достигнет положения, когда его концы окажутся на границах области возмущения. Отсюда легко вычислить угол ф, который фронт составляет с этой границей. Он равен одной второй (90град. -"0" ) примерно 35 град. Наблюдаемые в действительности его значения составляют от 35 до 38 град.( так написано в результатах испытаний).
А рядом картинка вычисленная Кельвином ранее. Не знал он, что пригодится для подводников. Впрочем, это уже не особо важно сейчас. Шумы спрятал, а волновая картина изменена. Ранее прокатывало, сейчас (думаю с начала 90-х годов), уже не срабатывает. А потом удивляются- шел шел под судном сутки, только вылез- "Орион" над головой висит. А он там постоянно висел- ждал пока олух царя небесного высунется. Сбросил буй, запись для отчета- и полетел на базу премию выписывать за обнаружение.)))
Однако, наши подводники подозревали еще тогда, что дело нечисто и придумывали свои хитрости. Например, при выходе К-129 оперативное управление предписывало выход прикрываясь шумами выходящего судна. Но Кобзарь сделал по своему...Что впрочем не спасло лодку от дальнейшего обнаружения.
Комп программа самолета БПА "заряжена" на различия разных фронтов волн. Даже на обычной насадке на фотике это можно прочесть.
Я почему на это обратил внимание? Давал ссылку, на статью наткнулся, как американцы проводили опыты в бассейне по "усам" углов. Все это замечательно, но это и так давно известно-просто открой книжку. Допускаю, что в то время все это закрывали для прессы. Все что связано с обнаружением подводных лодок. И у них и у нас.
Те же 19,5 град. А вот как это связано с "бубликом", об этом не пишут. Да им и не нужно))).
И прячут, даже от прессы своей. Вот обычная телекамера и вынесенное окошко FLIR(тепловизор). Параметры там для обычной камеры. Поэтому не "трут".
А когда основная картинка FLIR- то "заквадрачивают" параметры.
Хотя, брешут...Не FLIR они применяют, а РЛС со специальной программой. Наши тоже собезьянили себе в "Новеллу",внизу FLIR стоит. А РЛС то старая. Тарелка та же. А туда какую программу не лепи- толку не будет.
Дополню: В статье с иллюстрациями есть комментарии. Там фото, для пояснения того, что написано выше.
Хотя, кто хотел, мог прочесть труды Рассела, Стокса и Релея-это англичане. Неудивительно, что англосаксы в приоритете оказались.
Они начали с характеристики волн- идеальная, реальная вдали от берега и реальная береговая. Когда говорят волна- имеют ввиду кусок синусоиды, хотя важно рассматривать «цуг» волн, то есть много. И определить цикличность- они ведь не постоянно одинаковы. Важно отношение высоты волны к ее длине-то есть крутизна. Почему? Да потому, что вибрационные волны от объекта (лодки) ветровые и штормовые имеют разные характеристики. Как на «усах» Кельвина. Кроме того есть понятие-фаза волны.
Хорошо, когда синусоидная волна имеет «несгибаемый» характер, а на ее фоне сразу станут заметны изменения привнесенные чем-то из глубин.
Человеческий глаз, например, настраивается на наиболее видимую часть- на вершину волны. Перестроить его и замечать не только вершины, но и впадины ? Это не просто, но здесь глазу помогают насадки-линзы. Как на объективе, фото размещенное ранее. Ну или специальные очки для пилотов ВМС США.
Но понятием «несгибаемости» обладают и другие волны, например, можно при сильном волнении моря наблюдать круги от брошенного камня. А теперь начинаем последовательно бросать камни в воду, смещаясь в сторону. Это я для пояснения образования «стоячей» волны, только «камень» под водой и он называется подводная лодка.
Опять же, это ликбез и давным-давно это сформулировал Фурье-«Любую кривую, даже имеющую сложную форму, можно разложить на совокупность разных синусоид».
Это- наложение двух синусоид.
Задача оператора РЛС- настроить станцию и свой глаз на обнаружение такого волнового пакета, свойственного только проявлению вибрации от подводного объекта большого водоизмещения и ОДИНАКОВОГО проявления этих вибраций.
Поэтому, меня совсем не удивляют заявления японских разработчиков РЛС своего противолодочного самолета, с помощью которого можно не только искать подводный объект, определять его водоизмещение, но и определять пол кита или косатки. Все дело в накоплении статистики и выдаче программы компьютеру- что он должен искать.
Нельзя не упомянуть дисперсию-зависимость фазовой скорости волны от их длины. И снова к картине камня в воде.
Как говорил изобретатель этого метода В.Кравченко-«Необходимое условие соблюдения линейности- это то, что высота волны должна быть во много раз меньше ее длины.»
Отсюда он и танцевал в своей теории. А вот во сколько раз и от какого источника- именно это и являлось «набиванием» статистики при полетах Бе-12 с выделенной подводной лодкой.
Чтобы потом во внятной форме выдать т.з. и параметры ученым-разработчикам. Которые , однако, зациклились на космосе. Но катастрофа и гибель основных мозгов летевших в самолете на проведение испытаний в Североморск 1982 года, заставила их снова спуститься на землю, точнее на воду. В этом и причина отставаний от разработок американцев.
Итак, снова к волнам. Давно отмечено гравитация и поверхностное натяжение –факторы движения волн. Это капиллярная теория, на которой зациклились и подбросили нам американцы.
Но они не упомянули о глубокой и мелкой воде. Это соотношение, глубокой водой считают, когда глубина водоема превышает половину длины волны. Волновое движение затухает с увеличением глубины- это на фото движения ПЛ под перископом. Где еще есть «усы» но уже начинают формироваться отдельные отрезки «бублика».
На фото результаты опыта. В итоге видно, что частицы введенного в воду порошка, с увеличением глубины погружения начинают двигаться по эллипсам. То есть, волна хорошо распространяется в длину, но «глохнет» с глубиной.
Чтоб не усложнять- изобретатель способа «Окно» предположил, что при движении объекта под водой, картина будет иметь обратные значения, или явление. Движение снизу вверх.
И явление возникновения эффекта «стоячая» волна имеет свое описание ,как для мелкого, так и для глубокого водоема.
В первом она возникает от препятствия вибрационным волнам.(Вместо камня в воду, установили вибратор). Если вибрация с постоянной амплитудой, гребни волн имеют одинаковую высоту, но это уже не свободные, а вынужденные волны. Получаем «стоячую» волну. Многие, вероятно ,наблюдали нечто похожее в стакане чая при движении поезда, или на идущем корабле, когда стакан стоит на столе.
Это результат интерференции двух волн- бегущей на препятствие и бегущей обратно от препятствия. Результат сложения разнонаправленных волн.
Вывод; В роли препятствия выступает дно (до километра), если глубже- время формирования «бублика» увеличивается и он имеет другие значения( форма и размеры). Причем часть колебаний частично отражается от более плотной воды в глубине.
Дополню, этот эффект удавалось проследить и использовать с магнитометром АПМ-60. Хотя, этот способ довольно трудоемкий и имел негласное название-«Ё..ный ученый...».Так ругались,незлобиво, когда ставили задачу на поиск подводной лодки с магнитометром способом «Эхо».
Вибратор-лодка создает волны одинаковой длины (есть небольшое отличие по глубине хода), но все равно падающая и отраженная имеют одинаковые разности фаз. В итоге образуется новая волна(которую мы и видим как лодку) в которой высоты гребней оказываются почти вдвое выше, чем в каждой из бегущих волн.
А что если в районе две подводные лодки?
Да ничего!!! Два камня брошенных в воду рядом. Причем есть отличие от водоизмещения и скорости. Более скоростная- меньше юзает по сторонам и по глубине.
Хотя такое, когда две лодки рядом- это редкость. Штурман немного запутался, когда К-492 следила (наводилась) на американскую, но потом разобрался. Это во время поисковой операции «Коллизия».
Если рядом с лодкой какой нибудь массив (мыс, скала) , то картина искажается. Волновая картина «природных» причин накладывалась на стоячие волны лодки.
Какова картина при наложении отметок лодок рядом, знаю только из фото с экрана РЛС. Еще раз- напоминает круги от двух камней брошенных в воду рядом. Для «чистоты» эксперимента можно взять камни разных размеров ))).
Есть отдельные полеты на следы влияние надводных объектов на подводные, там применялись понятия Гюйгенса-Френеля.
Ну и локаторщики экспериментировали с поляризационными решетками. Впрочем, об этом уже было.
Пользуюсь старыми материалами, оставшимися после вылетов по «Нетрадиции». Некое «научное» обоснование.
Несколько фото с борта Ил-38. Видно всплывший БДР (стрелкой) и остаточный фронт кольца. Увидели благодаря освещению, след исчез через 10 минут.
На этом фото лучше видно. И сама лодка и остаточное кольцо. Но такое бывает редко- и штиль и хорошее освещение. Сначала подумали, что это тень от облаков, только облаков не было)))
Исследовали формирование «усов» у надводных объектов и их влияние на кольца от ПЛ.
Как то еще была тема о влиянии колец друг на друга. Термин «ведущее» кольцо, которое подчиняет себе менее мощное. Ну это смутно помню. Для простоты эксперимента проводили опыты с химическими элементами, утверждали, что процесс формирования химических колец схож с волновыми.
И вертолетчики отрабатывали влияние колец от лодки, «усов» от корабля и свое винтовое возмущение от вертолета.
Вроде все что хотел изложил. Возможно, со временем что и добавлю к написанному.