Стоячие волны. Кто они?

Unknown

'Стоячие волны'— кто они?

Статья является продолжением цикла 'Противолодочная борьба. Взгляд из СССР', повестей 'Нетрадиция' и рассказа 'Мутабор'.

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).

Для этого пришлось разобрать с десяток различных авиационных фотоаппаратов. Подобрать в ним бортовое питание для срабатывания затворов, ну и соорудить что-то свое. Помощников хватало, так как все это выбивалось из ежедневной армейской рутины и несло что то новое.

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. А вообще этим озаботились еще во время Первой мировой, на Балтике, когда в боевых действиях стали принимать участие подводные лодки. Особенно были обеспокоены англичане, после потерь крейсеров 'Абукир', 'Хог' и 'Кресси' в Северном море 22 сентября 1914 года.

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.

Хотя, кто хотел, мог прочесть труды Рассела, Стокса и Релея-это англичане. Неудивительно, что англосаксы в приоритете оказались.

А если копнуть труды Альвареса, одного из участников Манхэттенского проекта. Он придумал передатчик , который передавал радиолокационный сигнал, сила которого была кубом расстояния до субмарины, так что по мере приближения к субмарине сигнал, измеряемый субмариной, становился все слабее, и немецкая субмарина предполагала, что самолет удаляется дальше не погружалась. Да да...именно в ВМВ, в битве за Атлантику это использовалось. Потом этот принцип применялся и на РЛС самолета "Орион", на чем ловились и наши подводники. Сигнал РЛС слабеет, а самолет на самом деле приближается к ПЛ. "Бумс", над головой командира ПЛ зажигается самолетный прожектор-Иди сюда родной ))) Побочный эффект этого и был засекречен американцами. Так что о советском приоритете обнаружения эффекта "Стоячая волна" и принцип "Окно"....я бы говорить не торопился.

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.

Гребни волн на фото бегут быстрее первого круга. Гребни бегут с фазовой скоростью, а фронт волнового 'пакета' с групповой.

Как говорил изобретатель этого метода В.Кравченко-'Необходимое условие соблюдения линейности— это то, что высота волны должна быть во много раз меньше ее длины.'

Впрочем, к методу приложил свои мозги и известный ученый Б.Кадомцев, чьими данными мы пользовались тогда. Некоторые используемые фотографии взяты у него. Точнее у Кравченко, он с ним консультировался.

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 и Ил-38 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 бросания 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.

Да, я не упомянул о сходстве "камня" в воду в обоих случаях -на воде и под водой.

Нос судна 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' носа судна при этом.

Для удобства, станем считать не нос,а всю площадь днища судна. Хотя,"хлопает" то носом,корма тяжелее))) Как судно тонет? Кормой вниз обычно.

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 маленькие ,потом все больше..

Корабль прошел путь скорость на время, область группового возмущения прошла путь четверть умноженная на скорость-время. Синус угла одна треть, то есть угол θ 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 ½ (90град. -θ ) 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, сослался на задержку и не пошел под выделенным судном (По свидетельству офицеров штаба дивизии, что всплыло уже после пропажи лодки)....Что, впрочем, не спасло лодку от дальнейшего обнаружения.