Электромагнитные барьеры Третьей Республики: мультистатический радар Пьера Давида
История французской армии перед Второй Мировой Войной - это в основном печальная история упущенных возможностей, упорно держащихся ошибок и слишком запоздалых верных решений. История мультистатического радара Пьера Давида, к сожалению, одна из них. И тем не менее, она достаточно интересна...
Для начала напомню, что такое «мультистатический» радар. У обычного (моностатического) радара, передатчик и приемник расположены вместе и используют общую антенну. Мультистатический же радар использует разнесение передатчика и приемника (приемников) в пространстве на дистанцию, сопоставимую с дистанцией передачи сигнала.
ИСТОРИЯ:
История «электромагнитных барьеров Давида» началась в 1920 году, когда молодой (и амбициозный) доктор наук Пьер Бернар Франсуа Давид (1897-1987) поступил на службу в Центральную Радиолабораторию. Эта лаборатория была основана генералом Густавом Ферри с целью сохранить в целости «ядро» ученых и инженеров, в годы войны работавших над проблемами радиосвязи. Сама Центральная Радиолаборатория имела двойной статус, находилась под совместным управлением военных и гражданских министерств, и занималась исследованиями как в военных, так и в мирных целях.
Доктор Пьер Давид (слева)
Объектом особого интереса французских военных в 1920-ых были короткие радиоволны. Французским генералам не особенно нравилось, как длинноволновое радио «разбрасывает» свои волны во все стороны - давая возможность неприятелю легко подслушать или заглушить передачу. Генералов интересовало, нельзя ли использовать для коммуникации узкие направленные радиолучи, своего рода «радиопрожекторы». Это направление и стало одним из приоритетов лаборатории.
Экспериментируя с метровыми волнами, Пьер Давид в 1925 году заметил, что прием часто нарушается помехами от работающего зажигания автомобильных моторов неподалеку. Аналогичный эффект производил и мотор пролетающего низко самолета. Заинтересовавшись этим явлением, Давид предположил, что возможно создать чувствительные детекторы, которые будут засекать работу зажигания летящих самолетов, и тем самым предупреждать о воздушном нападении.
Генерал Густав Ферри, начальник Центральной Радиолаборатории, заинтересовался предложением Давида и помог ему организовать серию экспериментов на аэродроме Ле Бурже весной 1927 года. Результаты получились двоякими: некоторые самолеты удавалось засечь на дистанции до 3 километров, но некоторые вообще не получалось обнаружить. Тем не менее, Ферри считал, что у идеи есть потенциал, и посоветовал Давиду продолжить эксперименты на авиабазе в Паливестре с направленной антенной и более чувствительным приемником.
Из-за сложностей с доступностью самолетов, провести испытания в Паливестре удалось только в 1930 году. Вторая серия экспериментов дала обнадеживающие результаты, но на этой стадии сам Пьер Давид предложил прекратить работы, как бесперспективные. Его логика была такова: поскольку помехи от зажигания мешают работе бортового радио самолетов, авиамоторы будут делать все менее и менее «искрящими», а следовательно и менее заметными для детекторов. Ферри согласился с выводами молодого инженера, и проект был закрыт.
Однако сама идея засекать самолеты с помощью радиолучей, как говорится, «запала в душу» Пьера Давида. Поразмыслив, он пришел к логичному выводу: даже если самолет не производит сам по себе заметного радиоизлучения, его можно «заставить излучать» (с), отражая радиоволны. Подтвердив принципиальную работоспособность своей новой идеи базовыми вычислениями, Давид послал соответствующий меморандум генералу Ферри пятого июня 1928 года.
Этот день стал днем рождения французской радиолокации.
Но хотя предложение и вызвало определенный интерес в военных кругах, целых три года дело не шло дальше общих рассуждений на тему «обнаружение радиоволнами и для чего оно может быть полезно».
Сыграли роль и другие факторы: летом 1931, Центральная Радиолаборатория была преобразована в Национальную Радиоэлектронную Лабораторию, главой которой стал профессор Камиль Гатон. Он тоже занимался идеей радиолокации, но считал, что для этой цели подходят только импульсы ультракоротких радиоволн, и критически относился к экспериментам Пьера Давида с длинными метровыми волнами. Между двумя учеными произошел конфликт, отнюдь не пошедший на пользу делу.
Ситуация сдвинулась с мертвой точки только в 1933 (!) году, когда в американском научном журнале «IRE proceedings» были опубликованы результаты экспериментов инженеров корпорации «Белл» по обнаружению самолетов с помощью радиоволн. В общем и целом они повторяли выводы Пьера Давида еще 1928 года. Тут даже самые консервативные французские генералы забеспокоились, что могут остаться позади в стратегической области. Давида и Гатона попросили разработать прототип системы электромагнитного обнаружения самолетов, которую можно было бы испытать на ежегодных военных маневрах.
КОНСТРУКЦИЯ:
«Электромагнитный барьер» Пьера Давида представлял собой первую попытку построить мультистатический радар раннего обнаружения/предупреждения о воздушном нападении. Общая идея была довольно проста. «Барьер» представлял собой полосу из чередующихся передающих и приемных станций, находящихся в радиусе прямой связи друг с другом. Пока между приемником и передатчиком не было никаких движущихся препятствий, приемная станция принимала непрерывный монотонный сигнал.
Схема работы электромагнитного барьера. E - излучатель, R - приемник.
Когда самолет приближался к линии между приемником и передатчиком, отражающиеся от корпуса самолета радиоволны становились для приемника вторым источником сигнала. Из-за Допплеровского смещения частоты, отраженный сигнал от самолета воспринимался как быстрый ритмичный шум, который постепенно замедлялся и сходил на нет, в тот момент, когда самолет оказывался точно над линией - после чего вновь начинал ускоряться, пока не затихал с удалением самолета.
График изменения сигнала в зависимости от положения самолета: постепенное снижение частоты по мере приближения к линии (слева), почти полное затихание при пересечении линии (в центре), нарастание частоты по мере удаления (справа).
На каждой из приемных станций барьера непрерывно дежурили двое операторов, каждый из которых вслушивался в сигнал одного из двух соседних передатчиков. Когда в эфире появлялся шум, свидетельствующий о приближении самолета, оператор включал самописец, визуализировавший принимаемый сигнал на бумажной ленте.
Графики для определения точки пересечения самолетом линии (слева) и высоты полета самолета (справа).
Полученные графики сопоставлялись с построенной по результатам множества испытаний базой данных для определения параметров движения цели. По тому, как изменялся принимаемый сигнал, оператор мог определить с высокой точностью точку пересечения самолетом линии, с приемлемой точностью - скорость (ошибка до 10%) и направление полета (ошибка до 20 градусов). Определение высоты полета, однако, могло быть выполнено лишь очень-очень приблизительно. Большим недостатком была относительная трудоемкость процесса - в некоторых случаях, точные параметры движения цели удавалось определить лишь спустя полтора часа (!) после пролета.
Несомненным достоинством барьера Давида была чрезвычайная компактность и мобильность системы. В отличие от монументальных радаров раннего предупреждения - вроде британской «Chain Home» или немецкой «Freya» - станции барьера были маленькими, легкими, и могли без труда переноситься вручную. Это означало, что система раннего предупреждения протяженностью в сотни километров может быть доставлена и смонтирована буквально за несколько дней. С тактической точки зрения, барьер Давида намного лучше соответствовал требованиям армий 1930-ых, чем массивные стационарные радары.
ИСПЫТАНИЯ:
В июне 1934 года, первые образцы радиолокационной системы были представлены на испытания. Опытный полигон оборудовали рядом с аэродромом Ле Бурже - который предоставлял «бесплатные» пролеты самолетов для испытаний. По настоянию профессора Гатона, первую серию экспериментов провели с волнами длиной 16 см и очень малой мощности. Результаты, ожидаемо, отсутствовали. Но затем эксперимент повторили на длине волны 5 метров, и результатом был бесспорный успех: система уверенно засекала самолеты на дистанции 7-8 километров.
На этом этапе «электромагнитным барьером Давида» заинтересовался французский флот. Адмиралы, в отличие от генералов, тянуть и выжидать не стали, и (при техническом содействии Давида) быстро разработали свою версию технологии на волне 5,7 метров. Экспериментальный барьер был смонтирован между Тулоном и полуостровом Жиень, и на первых же испытаниях в феврале 1935 он продемонстрировал гораздо лучшие результаты, чем сухопутные - ввиду лучшего распространения сигнала над поверхностью моря. Окрыленные успехом, адмиралы немедленно начали планировать развертывание системы барьеров для прикрытия портов и военно-морских баз.
Весной 1935 года, шефство над проектом приняла DAT (фр. Défense Antiaérienne du Territoire - Противовоздушная Оборона Территории), служба, отвечавшая за противовоздушную оборону Франции. Семьдесят тысяч франков были выделены на изготовление рабочих прототипов электромагнитного барьера и испытания системы. Сотни экспериментальных полетов были выполнены летом 1935 года с целью калибровки системы: построения графиков и корреляции их с высотой, скоростью и направлением движения самолетов.
В августе 1936, электромагнитный барьер был развернут на учениях DAT в Луаре. Правда (дань консерватизму французских генералов) только как дополнение к сети наблюдательных постов и акустических станций. За время маневров, барьер двадцать пять раз пересекали самолеты, одиночные и группой, и барьер успешно засек их все. При этом во всех случаях удавалось верно определить скорость самолетов, а в половине случаев - также и направление их движения.
Через год, эксперимент повторили на маневрах DAT в Реймсе. В этот раз французская авиация также опробовала - успешно - перехват воздушной цели истребителем, на основе данных, полученных при прохождении барьера. Были построены две линии станций, одна позади другой, и по двум точкам пересечения строился курс пересекавшего их самолета. Эти данные позволили истребителю, осуществлявшему патрулирование за барьером, успешно выполнить перехват в шести случаях. В целом, несмотря на ограниченные возможности системы, она явно имела потенциал развития.
Z-МАТРИЦА:
Значительным недостатком электромагнитного барьера было то, что он мог выдавать лишь самую общую информацию о цели: момент обнаружения, приблизительное направление движения и скорость.
Пытаясь решить эту проблему, Пьер Давид в 1937 году предложил новую концепцию, которую он назвал «Z-матрицей». Идея заключалась в том, чтобы расположить два чередующихся ряда из приемных и передающих станций - так, чтобы приемники и передатчики образовывали зигзагообразный узор:
Z-матрица из зигзагообразно расположенных передающих (E) и приемных (R) станций.
Такая компоновка позволяла отслеживать каждую цель с четырех приемных станций одновременно (расположенных буквой «Z»), и дважды триангулировать ее положение. За счет этого можно было точно определить положение и вектор движения цели в трехмерном пространстве. По сути дела, это был первый в мире образец подлинно мультистатического радара, использующего системы разнесенных в пространстве приемников для определения положения цели.
Пьер Давид сумел получить дополнительный кредит на 60.000 франков для испытания концепции «Z-матрицы». К летним маневрам 1937 года, были изготовлены двенадцать новых приемных и передающих станций. Смонтированная в Форт-де-Исси, экспериментальная «Z-матрица» продемонстрировала следующие результаты:
* определение скорости движения цели - с точностью до 10%
* определение направления движения цели - с точностью до 20 градусов
* определение высоты полета цели - с точностью до 500 метров
Но несмотря на вполне заслуживающие внимание (по меркам 1937 года) результаты, «Z-матрица» военных не заинтересовала. Французские генералы от противовоздушной обороны сочли ее слишком сложной в эксплуатации, требующей обработки слишком больших объемов информации, а главное - слишком дорогой (весь проект электромагнитных барьеров, по сути дела, шел на остаточные средства от разработки акустических звуколокаторов!). Несмотря на поддержку ряда офицеров, оценивших потенциал идеи, «Z-матрица» не использовалась на маневрах 1938 года и к этой идее более не возвращались.
РАЗВЕРТЫВАНИЕ DAT:
Осенью 1937 года, командование DAT официально приняло «шефство» над проектом электромагнитного барьера, переведя его из ведомства Национальной Радиоэлектронной Лаборатории в подчинение Центра Военных Исследований в Реймсе. DAT пыталось также привлечь Пьера Давида к работе над программой, но тот, устав от бесконечных конфликтов с профессором Гатоном, ушел из лаборатории и поступил научным консультантом на флот (что в итоге оказалось верным решением).
Под руководством капитана Арсака, была начата новая серия экспериментов, имевшая целью подготовиться к следующим масштабным маневрам в 1938 году. Для этой цели было разработано серийное оборудование: кварцевые передатчики E-62, работавшие на частоте 60 МГц при мощности 300 ватт, и двойные супергетеродиновые приемники R-62, оснащенные автоматическими сигнальными звонками (предупреждавшими оператора о появлении самолета) и высокоэффективными самописцами. Серия экспериментов в конце 1937 - начале 1938 позволила значительно обновить и дополнить базу данных по определению параметров движения самолетов, пересекающих линию. Но... командование DAT сочло, что разработанные Пьером Давидом методы определения скорости и направления движения самолетов «слишком сложны для практической эксплуатации» и требуют чрезмерных расходов на обучение персонала. Принятое в 1938 руководство по использованию электромагнитных барьеров, по сути дела, сводило их роль чисто к обнаружению самого факта пересечения самолетом воздушной границы. Что было значительным шагом назад.
В целом, руководство DAT откровенно рассматривало электромагнитное обнаружение самолетов как чисто опциональное дополнение к «надежным, проверенным» методам визуального и акустического обнаружения. И не собиралось уделять электромагнитным барьерам больше внимания, чем минимально необходимо. Финансирование программы велось на остаточные средства, выделявшиеся на создание акустических приборов.
Итоговая архитектура электромагнитного барьера, представленная на учениях 1938 года, наглядно выражала взгляды командования DAT. Он состоял из трех (!) линий, первая из которых только засекала приближающийся самолет, вторая позволяла установить (по двум засечкам) скорость и направление его движения, а третья использовалась для наведения истребителя. Вдобавок ко всему, между первой и второй линией еще и была воткнута линия акустических станций.
Тройной электромагнитный барьер (синие линии) и линия акустических станций (красная линия) на учениях 1938 года.
Судетский кризис 1938 года и последующее Мюнхенское Соглашение стали для французских военных шокирующим пробуждением от многолетней летаргии. В этой обстановке руководство DAT приняло два правильных, и (в кои-то веки!) своевременных решения. Во-первых, была сформирована 1-я рота электромагнитного наблюдения под командованием капитана Марка Контри - первое специализированное радиолокационное подразделение во Франции. Во-вторых, были выделены средства на изготовление тридцати станций электромагнитного барьера (каждая состояла из передатчика типа E-62 и двух приемников типа R-62). Были сформулированы планы создания пограничного электромагнитного барьера протяженностью в 450 километров, от Арденн и до швейцарской границы.
Приемная станция под Конде.
Однако следом встала значительная проблема: что дальше? Барьер вдоль границы был хорошим началом, но надо было как-то развивать систему и далее. И тут французское командование «застряло», не в силах сформулировать, что оно, собственно, хочет. В идеале, французам хотелось иметь систему ПВО территории страны, подобную британской «Chain Home» - но как именно это сделать, генералы DAT не имели ни малейшего представления. Рассматривались по крайней мере три предложения:
* Простая линия обнаружения с промежутками между станциями в 40 километров, выстроенная на 300 км фронте вдоль границы. Такая система могла бы выдать только базовое предупреждение и точное время пересечения границы, но ничего больше.
* Двойная линия станций у границы Люксембурга, с промежутками в 10 километров, ориентированная на наведение истребителей. Первая линия должна была засекать пересечение самолетами воздушной границы, вторая - определять их вектор движения и скорость, тем самым позволяя организовать перехват.
* Плотное кольцо электромагнитных барьеров вокруг Парижа, призванное обезопасить столицу от налетов.
Все эти планы отличались крайне слабой проработанностью, путанностью и составлялись людьми, весьма далекими от радиолокации. Достаточно сказать, что их реализацией должна была заниматься все та же 1-я рота электромагнитного наблюдения, в составе... сорока пяти человек, девяти автомобилей и трех велосипедов.
Ситуация окончательно пошла вразнос весной 1939 года, когда французские генералы, наконец, сумели ознакомиться с достижениями британских инженеров в виде системы «Chain Home» и зенитного радара GL.I. Открывшаяся бездна французского отставания в области радиолокации окончательно дезорганизовала DAT. Организация, еще недавно готовая финансировать работы в области радиолокации исключительно на остаточные средства от создания акустических детекторов (!), теперь требовала от правительства 440 миллионов франков (!!!) на покупку британских радаров. При содействии англичан, к началу войны был готов предварительный план развертывания во Франции сети из тринадцати стационарных РЛС «Chain Home» для раннего предупреждения и сорока мобильных радаров GL.I для наведения зениток. Планы предусматривали поставку оборудования к сентябрю 1940 года.
В итоге всех этих метаний, к началу войны DAT могла выставить один-единственный электромагнитный барьер. Протянувшийся от Альп до бельгийской границы, он был установлен и обслуживался все той же 1-ой ротой электромагнитного наблюдения капитана Контри. Роту эту несколько усилили, доведя численность личного состава до 200 человек. По имеющимся данным, пограничный барьер работал очень хорошо, засекая практически все случаи нарушения немецкими самолетами границы... но практически все данные по его использованию были утеряны в июне 1940 года, когда немецкие войска сокрушили Францию.
Роте капитана Контри удалось отступить на территорию Южной Франции с уцелевшим оборудованием: восемью передатчиками E-62 и пятью приемниками R-62. Эти компоненты были использованы для создания последнего электромагнитного барьера DAT, протянувшегося с запада на восток от Монпесата до Воклюза:
Включавший четыре передающие и три приемные станции, этот последний «барьер Давида» прикрывал с севера территорию «французского государства» режима Виши. В начале 1941 года, по требованию немецкого командования, система была проинспектирована немецкими офицерами, которые, однако, не нашли в ней ничего заслуживающего внимания - и в целом были больше заинтересованы в любых сведениях, которые французские радисты могли иметь о британских радарах. Поскольку этот единственный электромагнитный барьер мог работать только средством предупреждения (и не мог использоваться для наведения истребителей), немцы не возражали против его применения, и система оставалась на вооружении вплоть до оккупации Южной Франции немецкими войсками в ноябре 1942.
РАЗВЕРТЫВАНИЕ ФЛОТОМ:
Индифферентность, косность и дезорганизованность усилий противовоздушной обороны Франции выглядели особенно разительно по контрасту с флотом. Как упоминалось выше, флот тоже заинтересовался электромагнитными барьерами - и активно прилагал усилия к их разработке. Проведенная в 1936 году серия экспериментов дала воодушевляющие результаты: дальность работы барьеров на море была значительно выше, чем на суше. Подстраивая длину волны под отражающие свойства морской поверхности, можно было добиться эффективной работы на дистанциях в 100 и более километров.
В августе 1937 года, опытный образец флотского электромагнитного барьера был построен около Марселя для совместных с армией маневров. Работавший на длине волны 5.75 метра, барьер действовал в высшей степени удовлетворительно, надежно засекая любые самолеты, пытавшиеся пересечь 50-км расстояние между базами. В дальнейшем, впрочем, флот предпочел перейти на волну 7.5-10 метров, так как длину волны 5-7 метров по международному соглашению выделили для телевещания.
Маневры, однако, выявили определенную проблему с береговыми барьерами: при непрерывно возрастающей скорости самолетов, выдаваемое ими предупреждение было недостаточным, чтобы надежно прикрыть военно-морские базы. Решение, впрочем, было очевидным - вынести передатчики в море!
Первый эксперимент с установкой передающей станции на эсминце оказался неудачным из-за сильной качки, но последующие опыты с более устойчивой субмариной в роли «выносной станции» были полностью успешны. На основании этого опыта, французский флот начал планировать амбициозную систему, с передатчиками на кораблях и островах и береговыми приемниками, способную надежно прикрыть Средиземноморское Побережье Франции.
К началу Второй Мировой Войны, французский флот уже имел действующий электромагнитный барьер, протянувшийся вдоль средиземноморского побережья. Он состоял из восьми сегментов. Четыре из них были наземными; три использовали выносные передатчики на островах или военных кораблях в море. Последний сегмент должен был перекрывать пространство между Корсикой и побережьем, и был готов только в 1940 году.
Для установки барьеров, моряки использовали собственное оборудование:
* Станции Тулонской лаборатории, работавшие на длине волны 5.5-8.5 метров, с 300-ваттным передатчиком, модулирующим сигнал на частоте 600 Герц. Для приема сигнала использовался регенеративный приемник, выдающий акустический сигнал в наушники оператора.
* Станции «Томсон-SADIR», работавшие на длине волны от 7.5 до 10 метров, с 50-75 ваттным передатчиком, и тремя режимами модуляции: 600, 800 и 1000 Герц. Для приема сигнала использовался супергетеродиновый приемник, данные визуализировались при помощи самописца «Брион-Леру».
Авизо "Les Eparges", использовавшийся как передовой передатчик для электромагнитного барьера возле Ниццы.
Эти барьеры были завершены к лету 1940 года. По иронии, активно «работать» им пришлось всего неделю - когда Италия вступила в войну и начала налеты на Южную Францию. В комбинации с другими радиолокационными системами флота (который, не ограничиваясь только барьерами, вел активную работу над созданием импульсных радаров), они помогали защитить Тулон от ночных ударов итальянской авиации. Но дальнейшему их развертыванию помешала скорая капитуляция Франции. С разрешения немцев, электромагнитные барьеры на побережье продолжали функционировать до ноября 1942 года.
На атлантическом побережье, флот построил систему электромагнитных барьеров в Бретани, для защиты Бреста. Два барьера - от Уэссана к Понтю-де-Раз и от Уэссана к Иль Вьерж - стояли на боевом дежурстве к августу 1939 года. Еще четыре (три морских и один внутриконтинентальный) были построены к лету 1940 года.
Все электромагнитные барьеры в Бретани были уничтожены французскими моряками в июне 1940 года, чтобы оборудование не досталось немцам.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ:
История электромагнитных барьеров Пьера Давида как нельзя лучше иллюстрирует... патологическое состояние французского армейского и воздушного командования перед Второй Мировой Войной. Имея на руках концепцию обнаружения самолетов с помощью радиоволн так рано, как в 1928 году, французские военные годами только обсуждали эту возможность... потому, что не могли сформулировать, как и зачем в принципе это может быть полезно! Только независимое подтверждение, что другие страны ведут такие исследования (причем полученное вовсе не усилиями разведки, а из публикации в научном журнале) заставило их начать работы в этом направлении.
И даже после этого, радиолокация продолжала оставаться «пасынком» противовоздушного командования. Французские генералы «привыкли не доверять» радио - они были твердо убеждены, что риск перехвата коммуникаций неприятелем превосходит те преимущества, которые радио имеет над проводной связью - и предпочитали опираться на «старые, надежные» методы вроде акустических детекторов и постов наблюдения. Когда же, наконец, приближавшаяся война с Германией вынудила DAT начать лихорадочную активность, лучшее, что сумели придумать генералы, это «купить» британскую технологию и британский опыт.
Французский акустический локатор в 1940 году.
В результате Франция, имея все возможности создать (причем сравнительно дешево!) первую в мире радиолокационную систему противовоздушной обороны еще в середине 30-ых, практически все эти возможности фатальным образом упустила. Успешный опыт французского флота по созданию электромагнитных барьеров и разработке импульсных радаров ясно свидетельствовал, что проблема была только и исключительно в головах французских генералов...
Со своей стороны, я бы отметил, что концепция «электромагнитного барьера» представляет значительный интерес для авторов, пишущих в жанре «альтернативной истории» (и даже, чур меня, «попаданческом»). Работающая на метровых волнах, система электромагнитного барьера вполне реализуема на технологиях 1920-ых годов - и в варианте «Z-матрицы», позволяет осуществлять обнаружение и определение параметров курса неприятельских самолетов с достаточной точностью для их перехвата.