Подводные петли

Обычно на входе в залив устанавливали несколько таких петель, а показания снимали сразу со всех и сравнивали. Подумайте, зачем?

Также отметим, что помимо петли, схема которой приведена на рис. 2, использовался и другой вариант, более простой и менее точный, где среднего кабеля просто не было.

Использование этих петель связано с кораблями — как с вражескими, так и с союзными.

Из контекста можно было догадаться, что такие кабели устанавливались в рамках системы обороны заливов (англ. harbor defense system) во время военных конфликтов (в конце Первой мировой войны и на протяжении Второй мировой войны). Главной задачей этих устройств было обнаружение вражеских подводных лодок, вплывающих в залив в погруженном состоянии (дружеские субмарины входили в залив в надводном положении).

Способов обнаружения субмарин в те времена было несколько: с помощью акустических сонаров, по электромагнитному излучению, по тепловому следу и даже по поведению морских львов и пеликанов. Одним из самых точных способов было магнитное зондирование, о котором и идет речь в этой задаче.

Большие металлические корабли, в том числе подводные лодки, обладают собственным, пусть и очень слабым, магнитным полем. Магнитные свойства корпуса судна проявляются под влиянием земного магнитного поля как во время постройки корабля (постоянный магнетизм), так и при эксплуатации (индуцированный магнетизм). Постоянный магнетизм зависит от расположения судна во время строительства (а именно, от географической широты), а также от материалов, которые используются при его создании. Индуцированный магнетизм возникает при движении корабля, который, по сути, является большим проводником, находящемся в магнитном поле Земли. То есть крупное металлическое судно искажает земное магнитное поле вокруг себя — пусть и на малую, но вполне себе детектируемую величину.

С этим знанием уже несложно придумать конструкцию, способную обнаружить большие «плавающие магниты». Достаточно проложить по дну океана большую проводящую петлю, которая играла бы роль катушки, и снимать измерения индуцированного напряжения с одного из концов. По закону Фарадея изменение магнитного потока в катушке индуцирует ток и, соответственно, напряжение. Такие простые схемы действительно использовались во многих заливах; назывались они охранными петлями (англ. guard loops). Изменения напряжения, проходя через несколько этапов электрической фильтрации и усиления, выдавалась на самописец (вроде тех, что использовались в сейсмографах).

Проблем с таким простым подходом несколько. Во-первых, изменение магнитного потока может происходить не только из-за проплывающей мимо субмарины. Естественные колебания магнитного поля Земли и даже большие поезда, проезжавшие в нескольких километрах от залива, могли приводить к сильному шуму в сигнале, делая обнаружение истинной цели — вражеской подлодки — практически невозможным. Чтобы компенсировать эти шумы, обычно прокладывали несколько подводных петель, снимая показания с каждой из них по-отдельности и следя лишь за разницей сигнала между петлями. Естественные колебания магнитного поля одинаково влияют на все петли, поэтому на выходе получался чистый сигнал, который меняется, лишь когда судно проплывает над одной из них.

Рис. 3. Схема действия индикаторных петель. Рисунок с сайта indicatorloops.com

Второй проблемой охранных петель была их неспособность указать точно, где именно находится субмарина относительно петли. Эту проблему решили с помощью так называемых индикаторных петель (англ. indicator loops, рис. 3). В конструкции таких петель предусмотрен дополнительный провод (рис. 2) посередине, соединяющий дальний конец петли с измерителем напряжения. Когда субмарина проплывает над такой петлей, индуцированное напряжение на выходе меняет знак, когда судно находится прямо посередине петли. В результате получается характерная двугорбая сигнатура судна, показанная на рис. 4.

Рис. 4. График измерений индикаторной петли (в центре) со схематическим изображением проплывающей субмарины над разными компонентами петли (слева). График взят из реальных показаний во время входа американского линкора «Нью-Джерси» (USS New Jersey) 20 декабря 1943 года в залив Каско (штат Мэн). Справа — сигнатура танкера «Чикопи» (USS Chicopee), заходившего в тот же залив Каско. Когда стрелка самописца достигала границы (сверху и снизу), она автоматически отпрыгивала к нулю, из-за чего возникали характерные колебания. Рисунки с сайта indicatorloops.com

В паре с индикаторными петлями зачастую использовали противолодочные мины, установленные вдоль среднего провода. Первый максимум сигнала в точке А (см. рис. 4) обозначал, что центр судна находится непосредственно над первым проводом. В этот момент диспетчер, дежуривший в специально оборудованном бункере, мог визуально подтвердить отсутствие дружественных судов, одновременно доложив в командный пункт и приготовив мины к детонации. После этого диспетчеры по протоколу имели право подорвать мины, когда вражеская подлодка приближалась к точке B.

Системы обнаружения кораблей по магнитной сигнатуре, а также активное использование подводных мин, использующих похожие принципы для детонации на расстоянии, подтолкнули инженеров на поиск методов размагничивания кораблей и подводных лодок («дегауссизация», см. Degaussing).

Рис. 5. Разновидности контуров размагничивания, которые до сих пор устанавливаются в корпусах некоторых кораблей. Каждый из контуров калибруется, чтобы компенсировать определенную компоненту магнитной сигнатуры корабля. Рисунки с сайтов brighthubengineering.com, difesaonline.it и из статьи Z. Daya et al., 2005. Maritime Electromagnetism and DRDC Signature Management Research

Некоторые разновидности систем размагничивания используются в судостроительстве до сих пор (рис. 5). В основном они представляют собой контуры, по которым установленный на судне специальный компьютер гоняет электрический ток. Каждый из контуров компенсирует определенную компоненту магнитного поля (постоянного или индуцированного). Для продольной компоненты поля, которая меняется сильнее всего в течение плавания корабля, обычно устанавливается два контура, один из которых компенсирует постоянную компоненту (и ток в ней, соответственно, поддерживается постоянным), а во втором ток меняется в зависимости от географического местоположения и скорости судна.

Рис. 6. Измерения вертикальной компоненты магнитного поля без системы размагничивания (черная линия), и с двумя различными системами (красная и зеленая линии). Рисунок из статьи Z. Daya et al., 2005. Maritime Electromagnetism and DRDC Signature Management Research

Если фокусироваться исключительно на боевых аспектах военной истории или обращать внимание лишь на революционные научно-технические проекты (вроде атомных бомб или ракет «Фау-2», если речь о Второй мировой войне), можно легко пропустить пусть и более мелкие, но не менее важные научные и инженерные решения. Такое, казалось бы, простой физическое явление, как наличие магнитного поля у корпуса судна, очевидное любому знакомому с физикой человеку, могло быть легко упущено из виду военными. А это могло бы вполне значительно изменить исход войны.

В Советском Союзе в годы войны размагничиванием кораблей Черноморского флота (ЧФ) занимался специально сформированный технический отдел ЧФ под руководством Игоря Курчатова. Система, которую разработала его команда, в основном состоявшая из сотрудников Ленинградского физико-технического института, так и вошла в историю как «система ЛФТИ». В бухте Голландия в Севастополе стоит гранитный памятник, увековечивающий работу инженеров и ученых, ее создавших.

Рис. 7. Слева — участники работ по размагничиванию кораблей Черноморского флота. Сверху вниз, слева направо: И. В. Курчатов, П. Г. Степанов, Д. И. Гительмахер, А. Р. Регель, Ю. С. Лазуркин, В. Д. Панченко. Справа — гранитная стела в память об ученых, инженерах, офицерах и моряках, установивших на военных кораблях противоминные защитные устройства «системы ЛФТИ». Бухта Голландия, Севастополь. Фото с сайтов starsmz.ru и loveread.ec