книги из ГПНТБ / Стерлигов, В. Л. Лазеры в авиации

В.Л.СТЕРЛИГОВ

МО С К В А

•Т Р А Н С П О Р Т

1 9 7 7

кие системы ближней навигации и системы посадки по радио — вот далеко не полный перечень радиоап­ паратуры, используемой в авиации. Радиооборудова­ ние позволяет решать многие задачи самолетовожде­ ния, повышает безопасность полетов. Сегодня само­ леты летают днем и ночью, часто при усложненных метеорологических условиях.

Радио в авиации... Но не будем рассказывать о том, что достаточно полно описано и многим хорошо известно. Лучше поговорим о новых приборах, кото­ рые приходят на смену уже недостаточно точным и совершенным радиоустройствам, о их завтрашнем дне. Расскажем об очень близком «завтра», которое уже готовится, проверяется и испытывается сегодня в тех особо сложных условиях, с которыми повсед­ невно сталкивается авиация. Речь пойдет о уже пе­ речисленных приборах, перед названием которых не будет стоять ставшее уже привычным слово-пристав­ ка «радио».

И хотя многие радиоприборы будут заменены приборами на лазерах, летному и инженерно-техни­ ческому персоналу Аэрофлота не придется вновь изу­ чать принцип их действия и назначение — они оста­ нутся прежними. В новых приборах будет изменен всего лишь диапазон электромагнитных волн. На по­ мощь радиоволне придет молодой, перспективный помощник — специально выработанный луч света.

Оговоримся заранее — световые лучи в авиации никогда не вытеснят радиоволны. Радиоэлектронные устройства различного назначения по-прежнему бу­ дут обеспечивать эффективность и надежность поле­ тов самолетов и вертолетов. Новые приборы в силу некоторых своих преимуществ лишь полезно допол­ нят комплекс аппаратуры, устанавливаемой сегодня на земле и на летательных аппаратах.

4

Световые лучи лазера в состоянии упростить тех­ нологию изготовления многих узлов и агрегатов са­ молета, повысить в несколько раз точность работы почти всех радиоприборов, улучшить метеорологичес­ кое обслуживание полетов, обеспечить надежную по­ садку самолетов в особо сложных метеорологических условиях. Возможно, что авиация будет оснащена другими принципиально новыми приборами на лазерах.

Лучи, о которых шла речь, хотя по своей природе и относятся к световым, но имеют ряд особенностей. Вот эти особенности и позволили ученым и конструк­ торам усовершенствовать и даже создать принципи­ ально новые аэродромные п самолетные приборы и устройства.

Прежде чем более подробно рассказывать о лазе­ рах в авиации, коротко напомним о рождении еще не успевшего уйти в историю открытия.

ЛАУРЕАТЫ НОБЕЛЕВСКОЙ ПРЕМИИ «ОШИБАЮТСЯ»

Еще в начале нашего века было замечено, что не­ которые мельчайшие частицы материи, например атомы и молекулы, в определенных условиях излуча­ ют электромагнитные волны на строго фиксированных частотах. Такие частицы можно рассматривать как микромиры, внутри которых находятся еще более эле­ ментарные источники энергии. Так, внутри молекул и атомов обнаружили «передатчики» электромагнит­ ной энергии.

«Передатчики» различных молекул и атомов «ра­ ботали» на различных частотах и излучали энергию не непрерывно, а порциями, в разных направлениях и в очень широком диапазоне волн. К этому диапазону

5

относятся: микроволновые радиоволны, инфракра­ сные (тепловые), световые и даже ультрафиолетовые волны. Управлять процессами излучения из мельчай­ ших частиц вещества, заставить «передатчики» излу­ чать энергию одновременно, на одной частоте и в строго заданном направлении в то время еще не мог­ ли, и поэтому практического применения это откры­ тие в начале века не получило.

Прошло немногим меньше 50 лет, и вот в 1952 г. советские ученые во главе с Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым предложили использовать новый принцип накопления и излучения электромагнитной энергии*. Инженеры получили возможность управ­ лять процессами излучения атомов и молекул. Можно было приступить к изготовлению приборов, излучаю­ щих (специалисты говорят «генерирующих») самые короткие радиоволны, а также инфракрасные, види­ мые и ультрафиолетовые лучи.

Претворить идею в жизнь советским ученым по­ могла группа американских ученых во главе с Ч. Та­ унсом. В 1964 г. всем троим руководителям работ за это открытие была присуждена Нобелевская пре­ мия — одна из крупнейших наград, присуждаемых ученым нашей планеты.

Приборы, работающие по новому принципу и ге­ нерирующие особенные по свойствам лучи, были на­ званы квантово-механическими генераторами радио-, инфракрасного и светового диапазонов. Точные, но трудно запоминаемые названия генераторов в США были названы сокращенно. Так, в соответствии с ди­

* Следует заметить, что еще в конце 30-х годов советским физиком В. А. Фабрикантом была предсказана возможность применения этого принципа для усиления электромагнитных волн в газовых средах.

6

апазоном появились слова: мазер, иразер и лазер. Правда, вскоре выяснилось, что сокращения не сов­ сем удачны, но они прочно вошли в лексикон специа­ листов. Будем ими пользоваться и мы. При этом, как правило, будем использовать только термин — лазер.

Генераторы были созданы, но истинные возможно­ сти их практического применения еще и сегодня не полностью оценены и изучены. Когда ученые создают первые приборы, построенные на новых принципах, даже им — далеко смотрящим вперед, не всегда ясно, где эти приборы могут быть применены. Некоторое время спустя «вдруг» оказывается, что новое устрой­ ство успешно может использоваться в таких облас­ тях техники, в развитии которых, казалось, уже нель­ зя было ждать чего-либо неожиданного.

Изобретателям к.вантово-механических генерато­ ров в 50-х годах XX в. казалось, что они сделали ря­ довое научное открытие, всего лишь смахнули пыль с гранита науки. В действительности открытие ока­ залось выдающимся. Так счастливо «ошиблись» ла­ уреаты Нобелевской премии.

Результаты практического освоения изобретения лазеров превзошли все, даже самые смелые их пред­ положения. В книге не хватит места рассказать о всем многообразии задач, которые решают сегодня устрой­ ства, впервые предложенные советскими учеными.

В МИРЕ ЭМВ

Мир электромагнитных волн (ЭМВ) чрезвычайно широк. Электромагнитные излучения различных длин волн имеют качественно различные свойства. Наи­ большая длина у радиоволны. Самые длинные радио­ волны имеют длину, измеряемую десятками километ-

7

генерация лазеров

Рис. 1. Шкала частот электромагнитных колебании. В нижней части рисунка показан участок, в котором в настоящее время могут работать квантовомеханнческие приборы

ров, самые короткие — долями миллиметра. Милли­ метровые радиоволны соседствуют в спектре электро­ магнитных колебаний (рис. 1) с инфракрасными лучами (0,5 мм—0,76 мкм). Инфракрасные лучи еще называют тепловыми. Тепловое излучение Солнца — основной первичный источник энергии на нашей пла­ нете. Его доля в энергетическом балансе Земли так велика, что жизнь всего живого сегодня зависит от «бесперебойности» протекания термоядерных процес­ с о в в недрах нашего светила. Следует помнить, что

солнечная энергия, прежде чем аккумулироваться в атмосфере и на поверхности Земли, была передана с расстояния около 150 млн. км.

8

Солнце — щедрый источник электромагнитных из­ лучений. Кроме инфракрасного излучения, оно непре­

(в прямом смысле этого выражения). Диапазон волн, в котором расположен спектр видимых лучей, очень широк. Самые длинные световые лучи — красные — смыкаются с коротковолновой частью теплового (ин­ фракрасного) излучения и имеют длину немногим менее 0,76 мкм. Длина волны наиболее коротких — фиолетовых — лучей примерно равна 0,38 мкм. Элек­ тромагнитные колебания с любой промежуточной (лежащей в диапазоне 0,76—0,38 мкм) Длиной волны воспринимаются глазом человека как лучи того или иного цвета, расположенного в спектре цветов между красным и фиолетовым.

Одновременное излучение электромагнитных коле­ баний всевозможных длин волн от красного до фио­ летового с достаточной интенсивностью воспринима­ ются глазом как белый свет. В энергетическом балан­ се Солнца на долю «белого» светового излучения при­ ходится 70% энергии.

Ультрафиолетовые лучи человек не видит; но в разумных дозах с удовольствием воспринимает. Заго­ релая кожа— это результат благотворного действия ультрафиолетовых лучей.

Электромагнитные колебания с более короткими, чем у ультрафиолетовых лучей, волнами (рентгеновы, гамма- и космические лучи) хотя и имеют некоторое практическое значение и большое будущее (ими вплотную занимаются разработчики новых типов лазеров), к вопросам, разбираемым в данной бро­ шюре не относятся, а поэтому и не рассматрива­ ются.