Борис Фомин - Радиоэлектроника в нашей жизни
За десять лет исследований радиоастрономы сделали уже много открытий. Наблюдая радиоизлучение Солнца, ученые установили, что оно содержит радиоволны от нескольких миллиметров до 10–15 метров и достигает наибольшей величины в годы максимума солнечной деятельности.
Большой научный интерес имеет открытие невидимого источника радиоизлучения — межзвездного газа водорода. Оно обнаружено на волне 21 сантиметр. Изучая его, ученые узнают свойства и характер движения межзвездной среды, ориентировочно определяют количество водорода в различных звездных системах.
Своими достижениями радиоастрономия в значительной степени обязана радиолокации, которая не только дала в распоряжение ученых высокочувствительные радиоприемные устройства, но и позволила с большей точностью измерить расстояния до небесных тел.
В 1946 году в Венгрии и в США с помощью радиоволн было произведено точное измерение расстояния до Луны: антенна радиолокатора, изображенная на рис. 10, послала мощный радиоимпульс на Луну.
Рис. 10. Антенна радиолокатора, с помощью которой была осуществлена радиолокация Луны.
Через 2,56 секунды этот радиосигнал, пройдя путь в 384 тысячи километров до Луны и столько же обратно, был принят чувствительным радиоприемником.
Большую роль играют радиолокационные методы исследования метеоров. Интересные наблюдения этого явления были сделаны, например, в ночь на 10 октября 1945 года во время «метеорного дождя». Радиолокаторы позволяют наблюдать метеоры как ночью, так и днем, и получать данные о скорости метеоров, орбитах метеорных потоков[5] и т. д.
Радиоастрономические приборы — это сложные и нередко большие по размерам устройства, построенные по последнему слову радиоэлектронной техники. На рис. 11 показан один из крупнейших в мире радиотелескоп, построенный в 1956 году в Советском Союзе.
Рис. 11. Один из крупнейших в мире советский радиотелескоп.
Радиоспектроскопия
В научно-исследовательской работе широко применяется спектральный анализ. Сущность его заключается в следующем: белый свет, проходя через прозрачную стеклянную призму, разлагается на ряд составляющих цветов, образуя спектр. Этот спектр состоит из лучей красного, оранжевого, желтого и других цветов. Если на пути светового луча, кроме призмы, помещать пленки различных веществ, то в спектре появятся темные линии или полосы. Это результат поглощения веществом световых волн определенной длины. По расположению и ширине линий и полос в спектре ученые судят о составе исследуемого вещества[6].
Радиоспектроскопия основывается также на принципе поглощения веществом электромагнитных волн. Только она использует не световые волны, а радиоволны длиной 0,7–2 сантиметра, а в некоторых случаях и больше.
Через исследуемое вещество, например через газ, пpoпускаются радиоволны меняющейся длины. Для каждого вещества длина волны поглощения различна. Поэтому, по показанию точного измерительного прибора, отмечающего момент наибольшего поглощения радиоволн, определяют исследуемое вещество.
В настоящее время методами радиоспектроскопии исследовано несколько сот сложных веществ. При этом был определен целый ряд важных величин, например расстояния между атомами, что имеет большое значение для раскрытия химических связей веществ.
Радиоизлучение межзвездного водорода, о котором мы говорили выше, было обнаружено при помощи методов радиоспектроскопии. Были получены ценные данные о концентрации космического водорода, о его движении и о распределении в пространстве.
Радиоспектроскопические методы начинают все шире применяться для определения составов различных смесей газов. Они позволяют не только определить, из каких газов состоит смесь, но и найти процентное содержание каждого газа. Преимущество этих методов в том, что контроль можно производить непрерывно в течение всего времени химического процесса.
В связи с развитием радиоспектроскопических методов получила быстрое развитие радиоэлектроника самых малых длин волн. Были созданы генераторы радиоволн длиной в доли миллиметра. Освоение таких радиоволн дает возможность приступить к созданию радиолокаторов, на экранах которых будут видны не контуры местности, а изображение, такое же, как на экране телевизора.
Радиометеорология
Первым, кто применил радиоприбор для изучения явлений, происходящих в атмосфере, был изобретатель радио А. С. Попов. Созданный им приемник, названный грозоотметчиком, регистрировал радиоволны от грозовых разрядов, происходящих на расстоянии 30 километров. Это было началом развития и радиометеорологии, являющейся частью радиотехники.
Большое распространение в метеорологии получили радиозонды — приборы, служащие для измерения давления, температуры и влажности воздуха на разных высотах. Они поднимаются в воздух с помощью шаров, наполненных легким газом.
В радиозонде смонтирован миниатюрный радиопередатчик размером со спичечную коробку. Питается он от батареек. Вес советских радиозондов последних моделей немного более одного килограмма. По мере подъема радиозонда в воздух передатчик посылает на землю импульсы, которые регистрируются приемным устройством и преобразуются в показания приборов. Сигналы радиозонда могут быть приняты на расстоянии до 100 километров.
Радиозонды послужили базой для создания автоматических радиометеорологических станций, работающих без людей. Эти станции устанавливаются в труднодоступных и малообжитых местах и могут по году и более работать без вмешательства человека. В определенное время суток станция посылает радиоимпульсы, характер которых позволяет судить о давлении, температуре и влажности воздуха, о количестве осадков и т. д. Имеются станции, которые посылают свои импульсы в любое время по сигналу главной станции, принятому по радио.
Используются в метеорологии и радиоветромеры — приборы для автоматического измерения скорости и направления ветра. Они устанавливаются на море, вдали от берега — на плавающих буях, а также на вершинах гор. В них тоже работает радиоэлектронная аппаратура.
Все шире и шире метеорологи применяют радиолокационную аппаратуру. Радиолокационными средствами можно исследовать не только состояние атмосферы, но и изучать условия распространения радиоволн в зависимости от состояния погоды.
Оказалось, что радиоволны рассеиваются частицами воды и льда, содержащимися в атмосфере; при сантиметровых и миллиметровых волнах это может привести к нарушению связи. Изменение температуры и влажности с высотой влияет на дальность действия радиостанций, работающих на самых коротких радиоволнах. Но, с другой стороны, неоднородный состав различных слоев атмосферы может в некоторых случаях привести к устойчивому приему телевизионных программ за пределами прямой видимости. Эти явления сейчас тщательно исследуются.
Применение радиоэлектроники в метеорологии позволило получать ежедневно огромное количество данных о состоянии погоды в самых различных районах земного шара.
Для выпуска прогнозов погоды, для ее предсказывания нужно в очень короткое время систематизировать, обработать эти данные. На помощь приходят электронные вычислительные машины, которые могут в короткий срок обработать все сведения, поступающие от метеорологических станций.
Электронные вычислительные машины
Потребность облегчить труд счетных работников возникла давно. Вначале этой цели служили простые счеты, которые 4–5 тысяч лет назад применялись в Китае, а затем попали в Европу. Столетие назад появились механические арифметические машины, применяющиеся до наших дней. В начале XX века была создана логарифмическая линейка, значительно облегчившая труд инженеров и конструкторов.
Первая в мире математическая машина для решения задач высшей математики была сконструирована и построена академиком А. Н. Крыловым в Петербурге в 1912 году.
Развитие радиоэлектронной техники дало возможность создать разнообразные виды математических машин, позволяющих производить с большой точностью и за очень короткое время огромное количество математических операций.
Как же работает электронная вычислительная машина?
Ученые, приступая к решению той или иной проблемы, формулируют, выражают ее в виде сложных математических уравнений. Зная физическую сущность исследуемого процесса и владея специальными математическими методами, можно любую сложную задачу свести при ее решении к определенной последовательности четырех действий арифметики: сложения, вычитания, умножения и деления. Электронная счетная машина выполняет все эти действия исключительно быстро. При этом машина сама «запоминает» результат промежуточных действий и хранит его до тех пор, пока он не потребуется для выполнения следующей счетной операции. Программа вычислений, их последовательность определяются математиками заранее. По нескольким таким заданиям или «командам» счетная машина может сделать за короткое время десятки и даже сотни миллионов арифметических действий.
