eng
Выпуск #8/2017
В.В.Старцев, А.В.Наумов
Волны морские и волны инфракрасные: 90 лет началу разработок по ИК-тепловидению в России
Волны морские и волны инфракрасные: 90 лет началу разработок по ИК-тепловидению в России
Просмотры: 2981
В статье кратко представлена история развития отечественной ИК-техники.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.68.8.74.77
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.68.8.74.77
2017 год – год тихого юбилея: исполнилось 90 лет с момента начала разработки и производства приборов в области ИК-тепловидения для военно-морского флота России.
До Великой Отечественной войны в СССР весьма серьезно занимались ИК-системами. Информация об оригинальных практических разработках достаточно хорошо известна до 20-х годов прошлого венка. Но с середины 30-х годов из открытой печати полностью исчезли публикации по ИК-технике. Началось первое соревнование великих держав – Англии, СССР, Германии и США – в области ночного видения. Может быть, именно эти факты объясняют то, что сегодня эта дата практически не замечена. Принято считать, что в этом вопросе лидировали немецкие и американские ученые и инженеры. Однако советские ученые начали разработки еще до войны, а советские войска во время войны применяли как ИК-приборы ночного видения (ПНВ) различных типов, так и тепловизоры собственных разработок.
ДОВОЕННЫЕ ИК-СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ И НАБЛЮДЕНИЯ ДЛЯ ВОЕННО-МОРСКОГО ФЛОТА
Работы по использованию теплопеленгации для ВМФ по данным Российского государственного архива ВМФ (РГА ВМФ, ф. р‑864) начались в 1927 году в Ленинграде. Там существовал Отдел специальной аппаратуры (ОСА) Центральной радиолаборатории (ЦРЛ) завода имени Коминтерна, оснащавший радиоаппаратурой военные корабли и гражданские суда еще со времени изобретения А.С.Попова. Первые опыты проводились под руководством С.И.Покровского (Военно-морская академия), Б.П.Козырева (Ленинградский электротехнический институт), и В.А.Гурова (ЦРЛ). Проведенные исследования подтвердили возможность обнаружения кораблей в темное время суток благодаря излучаемому ими тепловому излучению. Работа была поручена Всесоюзному электротехническому институту, находящемуся в Москве, ее возглавил профессор Московского государственного университета и по совместительству сотрудник ВЭИ Вениамин Грановский. Приборами ночного видения занимались инженеры П.В.Тимофеев и В.И.Архангельский, а также академики С.И.Вавилов и А.А.Лебедев из ленинградского Государственного оптического института. С 1935 года в лаборатории В.И.Архангельского началась разработка ПНВ на основе электронно-оптических преобразователей (ЭОП). Такой преобразователь в ту пору состоял из "фотокатода, испускающего электроны при освещении его инфракрасным светом, и люминесцирующего экрана, светящегося видимым светом при ударе об его поверхность электронов, излучаемых фотокатодом". Объект наблюдения освещался инфракрасным прожектором. Подобные работы велись и за рубежом, но технология производства ЭОП не раскрывалась. В.И.Архангельский, П.В.Тимофеев и их соратники самостоятельно весьма успешно решали задачи получения полупрозрачных фотокатодов, экранов, источников питания и т. д. [1].
П.В.Тимофеевым и В.И.Архангельским была предложена простая оригинальная и технологичная конструкция ЭОП типов Ц‑1 и Ц‑2, массовое производство которых началось уже в годы Великой Отечественной войны. В организации производства принимали участие В.В.Сорокина, Е.Г.Кормакова, М.М.Бутслов и ряд других сотрудников ВЭИ. Всероссийский электротехнический институт им. В.И.Ленина (ВЭИ) был создан в 1921 году и осуществлял фундаментальные, поисковые и прикладные исследования по основным направлениям электротехники и электроники.
Теплопеленгаторы применялись в 30-х годах для охраны территории базы радиоуправляемых торпедных катеров. В 1932–1934 годах были созданы экспериментальные теплообнаружители с зеркалом 1.5 м на термоэлементе, которые неоднократно испытывались по военным кораблям в интересах Военно-Морского Флота. В июне – июле 1934 года на одном из фортов Кронштадта, а затем на борту линейного корабля "Марат" были проведены разносторонние испытания по обнаружению торговых судов и кораблей Балтийского флота. В результате испытаний дальность обнаружения составила: торгового судна 8–9 км; сторожевого корабля 12–16 км; эскадренного миноносца 16–22 км; подводной лодки в надводном положении 3–4 км; парового катера 4–5 км; точность пеленга 1–1,5°. В 1935 году было дано задание на разработку опытных образцов теплопеленгаторной аппаратуры для ВМФ. Наблюдение и руководство работой было возложено на Научно-исследовательский морской институт связи и телемеханики (НИМИСТ) ВМФ. В течение года проводились научно-исследовательские работы. В 1936 году были испытаны три теплопеленгаторные станции БТП‑36, изготовленные Всесоюзным электротехническим институтом (ВЭИ), и приняты на вооружение ВМФ.
Во время проведения осенних учений КБФ в 1936 году в качестве объекта обнаружения был использован сторожевой корабль "Тайфун". Испытания прошли успешно. На Северном флоте с 1938 года при сдаче в эксплуатацию БТП‑36, установленных при входе в Кольский пролив (Цып-Наволок, Сеть-Наволок), были проведены специальные учения с использованием теплопеленгаторной аппаратуры в условиях северных широт. Учение проводились в ночное время, при плохой видимости (февраль), с использованием в качестве объекта обнаружения эсминца. Корабль выходил в море без отличительных огней, на разных курсовых углах и скоростях хода. Командование Северного флота дало положительную оценку проведенных испытаний БТП‑36. Максимальная ошибка при определении курсового угла составляла при автоматической работе 0,2–0,3° и при ручном управлении – 0,25 тысячной дистанции.
Корабельный вариант получил название "Уран". Первый действующий прибор установили на крейсере "Ворошилов" в 1940 году.
В 1939 году на флотах было установлено 9 береговых теплопеленгаторных станций (БТП‑36). В эксплуатации они показали хорошие результаты, обнаруживая корабли на расстоянии от 4 до 14 миль при отсутствии видимости. В октябре 1939 года успешно прошел испытания на Черном море лабораторный макет уже автоматического теплопеленгатора (АТП‑40), созданный в НИИ‑10, и на 1940 год заводу № 205 был выдан заказ на его корабельный образец.
За исследования по теплообнаружению и полученные результаты коллектив проф. В.А.Грановского (руководителя работы) в 1941 году был удостоен Государственной премии СССР.
ИК-ТЕХНИКА В ГОДЫ ВОЙНЫ
К началу войны Черноморский флот располагал 15 комплектами корабельных систем ночного видения. Командование флота перевело на "ИК-огни" вход в главную морскую базу – Севастополь. Противник, не видя ИК-лучей, не обстреливал фарватер. В 1943 году "ИК-огни" признаются основным средством ограждения фарватеров, а весь штурманский состав Черноморского флота обучается обращению с ИК-приборами [2].
К 1943 году все корабли Черноморского флота были оборудованы ИК-приборами для совместного плавания в строю. Командование Ленинградской военно-морской базы Краснознаменного Балтийского флота для обеспечения защиты блокированного Ленинграда со стороны залива использовало передвижную теплопеленгаторную станцию АТП‑39. Весной 1942 года по заданию штаба спецстанция была установлена в районе Лисьего Носа и вела наблюдение за кораблями противника в секторе Петергоф – Кронштадт и, кроме того, контролировала проход по Северному фарватеру.
Только в 1944 году стало известно об использовании немецкой армией теплопеленгационной аппаратуры для обнаружения с берега морских целей (нагретые трубы английских кораблей с расстояний до 10 км). Позже стало известно, что немецкими войсками береговой обороны применялись инфракрасные теплопеленгаторы на длину волны 10 мкм с использованием болометрического эффекта. В этих приборах излучение от целей (корабли, катера и др.) собиралось параболическим зеркалом на зачерненной пластинке, нагревало ее, что приводило к возрастанию сопротивления. Момент изменения сопротивления свидетельствовал о нахождении корабля в поле зрения теплопеленгатора. Около ста таких приборов было изготовлено на заводе "Karl Zeiss".
В мае 1942 года при ВЭИ создается Особое конструкторское бюро во главе с В.Г.Бирюковым по разработке приборов ночного видения для флота, авиации, танковых и инженерных войск. Главным инженером ОКБ стал П.В.Тимофеев, а В.И.Архангельский – ведущим конструктором и начальником лаборатории № 1 этого Бюро.
ВКЛАД КАЗАНСКОГО ФИЛИАЛА ФТИ В РАЗВИТИЕ ИК-ТЕХНИКИ В ГОДЫ ВОЙНЫ
Двумя эшелонами 8 из 18 лабораторий ленинградского ФТИ (около 70 сотрудников во главе с А.Ф.Иоффе) были эвакуированы в Казань из блокадного Ленинграда в самом начале войны. Вместе с другими институтами АН СССР они расположились на территории Казанского университета. В октябре обустройство было завершено и развернулись работы. приборы ночного вождения (видения) разрабатывались в тематической группе № 4 Казанской группы. ФТИ под руководством Л.А.Арцимовича. К концу 1942 (началу 1943 года) был создан ЭОП с сурьмяно-цезиевым катодом, ЭОП с уменьшением изображения и многокаскадные усилители света [3–4].
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
Достойным продолжателем традиций сегодня является ОКБ "Астрон". ОКБ "Астрон" с 2007 года проводит исследования и разработки в области инфракрасного излучения [5]. Основным направлением деятельности предприятия является разработка и производство тепловизионной и терагерцевой оптики, детекторов, а также приборов на их основе. Разработанные в ОКБ "Астрон" изделия используются во многих отраслях промышленности: нефтегазовом секторе, железной дороге, транспортном машиностроении и др. Товарный выпуск тепловизионых объективов составляет более 1200 единиц в год, с фокусным расстоянием 100 мм и выше. Многолетний опыт в производстве позволяет предприятию осваивать производство сложных и специальных приборов и оборудования. Так, ОКБ "АСТРОН" 26–27 июля 2017 года провел испытания мультиспектральной тепловизионной камеры для защиты инфраструктуры морских портов Черного и Баренцева морей. Межведомственная комиссия приняла образец изделия и рекомендовала для серийного производства. Характеристики мультиспектральной камеры превосходят имеющиеся зарубежные аналоги благодаря использованию не только, тепловизионного и видимого спектра излучения, но и использованию технологии активно-импульсного наблюдения. Эта технология позволяет вести наблюдение и распознавание объектов в условиях сильного тумана и испарений от поверхности воды на дистанциях до 8 км. Соединение в единый комплекс этих технологий позволило не только обнаруживать морские цели в условиях густого тумана, но и проводить распознавание и идентификацию вплоть до считывания бортовых номеров кораблей.
С 2016 года все тепловизионные приборы для систем безопасности изготавливаются на предприятии на основе микроболометрических детекторов собственного производства Астрон‑38425–1 и Астрон‑64025–1 с размером чувствительных элементов матрицы 25 мкм. В 2017 году начат выпуск детекторов типа АСТРОН‑384А17 АСТРОН‑640А17, чувствительный элемент которого имеет размер 17 мкм [5].
В настоящее время ОКБ "Астрон" является единственным в России производителем тепловизионной техники, имеющим полный цикл производства: от выращивания оптического монокристалла германия и изготовления асферической оптики до производства детекторов, блоков электронной обработки и законченных оптико-электронных приборов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Щелев М.Я. Первооткрыватель пикосекундной электронно-оптической хронографии – Фотоника, 2013, № 3 (45), с. 86–102.
2. Электронный ресурс. Инфракрасные лучи на вооружении РККА. История создания Советской техники ночного видения/Под ред. С. Иванова. – The Russian Engineering. Режим доступа: http://www.russianengineering.narod.ru/tank/russinfrarot.htm.
3. Мирошников М.М. Инфракрасная техника в России.– Оптический журнал, № 12, 1992, с. 18–24.
4. Пономаренко В.П., Филачев А.М. Инфракрасная техника и электронная оптика. Становление научных направления.– М.: Физматкнига, 2016.
5. Старцев В.В., Попов В.К., Наумов А.В. Мультиспектральный модуль обнаружения и анализа угроз для охраны протяженных объектов.– Фотоника, № 3 (63), 2017, с. 82–96.
6. Старцев В.В. ОКБ Астрон представляет первые отечественные матричные тепловизоры.– Национальная оборона, № 8, 2017, с. 60.
До Великой Отечественной войны в СССР весьма серьезно занимались ИК-системами. Информация об оригинальных практических разработках достаточно хорошо известна до 20-х годов прошлого венка. Но с середины 30-х годов из открытой печати полностью исчезли публикации по ИК-технике. Началось первое соревнование великих держав – Англии, СССР, Германии и США – в области ночного видения. Может быть, именно эти факты объясняют то, что сегодня эта дата практически не замечена. Принято считать, что в этом вопросе лидировали немецкие и американские ученые и инженеры. Однако советские ученые начали разработки еще до войны, а советские войска во время войны применяли как ИК-приборы ночного видения (ПНВ) различных типов, так и тепловизоры собственных разработок.
ДОВОЕННЫЕ ИК-СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ И НАБЛЮДЕНИЯ ДЛЯ ВОЕННО-МОРСКОГО ФЛОТА
Работы по использованию теплопеленгации для ВМФ по данным Российского государственного архива ВМФ (РГА ВМФ, ф. р‑864) начались в 1927 году в Ленинграде. Там существовал Отдел специальной аппаратуры (ОСА) Центральной радиолаборатории (ЦРЛ) завода имени Коминтерна, оснащавший радиоаппаратурой военные корабли и гражданские суда еще со времени изобретения А.С.Попова. Первые опыты проводились под руководством С.И.Покровского (Военно-морская академия), Б.П.Козырева (Ленинградский электротехнический институт), и В.А.Гурова (ЦРЛ). Проведенные исследования подтвердили возможность обнаружения кораблей в темное время суток благодаря излучаемому ими тепловому излучению. Работа была поручена Всесоюзному электротехническому институту, находящемуся в Москве, ее возглавил профессор Московского государственного университета и по совместительству сотрудник ВЭИ Вениамин Грановский. Приборами ночного видения занимались инженеры П.В.Тимофеев и В.И.Архангельский, а также академики С.И.Вавилов и А.А.Лебедев из ленинградского Государственного оптического института. С 1935 года в лаборатории В.И.Архангельского началась разработка ПНВ на основе электронно-оптических преобразователей (ЭОП). Такой преобразователь в ту пору состоял из "фотокатода, испускающего электроны при освещении его инфракрасным светом, и люминесцирующего экрана, светящегося видимым светом при ударе об его поверхность электронов, излучаемых фотокатодом". Объект наблюдения освещался инфракрасным прожектором. Подобные работы велись и за рубежом, но технология производства ЭОП не раскрывалась. В.И.Архангельский, П.В.Тимофеев и их соратники самостоятельно весьма успешно решали задачи получения полупрозрачных фотокатодов, экранов, источников питания и т. д. [1].
П.В.Тимофеевым и В.И.Архангельским была предложена простая оригинальная и технологичная конструкция ЭОП типов Ц‑1 и Ц‑2, массовое производство которых началось уже в годы Великой Отечественной войны. В организации производства принимали участие В.В.Сорокина, Е.Г.Кормакова, М.М.Бутслов и ряд других сотрудников ВЭИ. Всероссийский электротехнический институт им. В.И.Ленина (ВЭИ) был создан в 1921 году и осуществлял фундаментальные, поисковые и прикладные исследования по основным направлениям электротехники и электроники.
Теплопеленгаторы применялись в 30-х годах для охраны территории базы радиоуправляемых торпедных катеров. В 1932–1934 годах были созданы экспериментальные теплообнаружители с зеркалом 1.5 м на термоэлементе, которые неоднократно испытывались по военным кораблям в интересах Военно-Морского Флота. В июне – июле 1934 года на одном из фортов Кронштадта, а затем на борту линейного корабля "Марат" были проведены разносторонние испытания по обнаружению торговых судов и кораблей Балтийского флота. В результате испытаний дальность обнаружения составила: торгового судна 8–9 км; сторожевого корабля 12–16 км; эскадренного миноносца 16–22 км; подводной лодки в надводном положении 3–4 км; парового катера 4–5 км; точность пеленга 1–1,5°. В 1935 году было дано задание на разработку опытных образцов теплопеленгаторной аппаратуры для ВМФ. Наблюдение и руководство работой было возложено на Научно-исследовательский морской институт связи и телемеханики (НИМИСТ) ВМФ. В течение года проводились научно-исследовательские работы. В 1936 году были испытаны три теплопеленгаторные станции БТП‑36, изготовленные Всесоюзным электротехническим институтом (ВЭИ), и приняты на вооружение ВМФ.
Во время проведения осенних учений КБФ в 1936 году в качестве объекта обнаружения был использован сторожевой корабль "Тайфун". Испытания прошли успешно. На Северном флоте с 1938 года при сдаче в эксплуатацию БТП‑36, установленных при входе в Кольский пролив (Цып-Наволок, Сеть-Наволок), были проведены специальные учения с использованием теплопеленгаторной аппаратуры в условиях северных широт. Учение проводились в ночное время, при плохой видимости (февраль), с использованием в качестве объекта обнаружения эсминца. Корабль выходил в море без отличительных огней, на разных курсовых углах и скоростях хода. Командование Северного флота дало положительную оценку проведенных испытаний БТП‑36. Максимальная ошибка при определении курсового угла составляла при автоматической работе 0,2–0,3° и при ручном управлении – 0,25 тысячной дистанции.
Корабельный вариант получил название "Уран". Первый действующий прибор установили на крейсере "Ворошилов" в 1940 году.
В 1939 году на флотах было установлено 9 береговых теплопеленгаторных станций (БТП‑36). В эксплуатации они показали хорошие результаты, обнаруживая корабли на расстоянии от 4 до 14 миль при отсутствии видимости. В октябре 1939 года успешно прошел испытания на Черном море лабораторный макет уже автоматического теплопеленгатора (АТП‑40), созданный в НИИ‑10, и на 1940 год заводу № 205 был выдан заказ на его корабельный образец.
За исследования по теплообнаружению и полученные результаты коллектив проф. В.А.Грановского (руководителя работы) в 1941 году был удостоен Государственной премии СССР.
ИК-ТЕХНИКА В ГОДЫ ВОЙНЫ
К началу войны Черноморский флот располагал 15 комплектами корабельных систем ночного видения. Командование флота перевело на "ИК-огни" вход в главную морскую базу – Севастополь. Противник, не видя ИК-лучей, не обстреливал фарватер. В 1943 году "ИК-огни" признаются основным средством ограждения фарватеров, а весь штурманский состав Черноморского флота обучается обращению с ИК-приборами [2].
К 1943 году все корабли Черноморского флота были оборудованы ИК-приборами для совместного плавания в строю. Командование Ленинградской военно-морской базы Краснознаменного Балтийского флота для обеспечения защиты блокированного Ленинграда со стороны залива использовало передвижную теплопеленгаторную станцию АТП‑39. Весной 1942 года по заданию штаба спецстанция была установлена в районе Лисьего Носа и вела наблюдение за кораблями противника в секторе Петергоф – Кронштадт и, кроме того, контролировала проход по Северному фарватеру.
Только в 1944 году стало известно об использовании немецкой армией теплопеленгационной аппаратуры для обнаружения с берега морских целей (нагретые трубы английских кораблей с расстояний до 10 км). Позже стало известно, что немецкими войсками береговой обороны применялись инфракрасные теплопеленгаторы на длину волны 10 мкм с использованием болометрического эффекта. В этих приборах излучение от целей (корабли, катера и др.) собиралось параболическим зеркалом на зачерненной пластинке, нагревало ее, что приводило к возрастанию сопротивления. Момент изменения сопротивления свидетельствовал о нахождении корабля в поле зрения теплопеленгатора. Около ста таких приборов было изготовлено на заводе "Karl Zeiss".
В мае 1942 года при ВЭИ создается Особое конструкторское бюро во главе с В.Г.Бирюковым по разработке приборов ночного видения для флота, авиации, танковых и инженерных войск. Главным инженером ОКБ стал П.В.Тимофеев, а В.И.Архангельский – ведущим конструктором и начальником лаборатории № 1 этого Бюро.
ВКЛАД КАЗАНСКОГО ФИЛИАЛА ФТИ В РАЗВИТИЕ ИК-ТЕХНИКИ В ГОДЫ ВОЙНЫ
Двумя эшелонами 8 из 18 лабораторий ленинградского ФТИ (около 70 сотрудников во главе с А.Ф.Иоффе) были эвакуированы в Казань из блокадного Ленинграда в самом начале войны. Вместе с другими институтами АН СССР они расположились на территории Казанского университета. В октябре обустройство было завершено и развернулись работы. приборы ночного вождения (видения) разрабатывались в тематической группе № 4 Казанской группы. ФТИ под руководством Л.А.Арцимовича. К концу 1942 (началу 1943 года) был создан ЭОП с сурьмяно-цезиевым катодом, ЭОП с уменьшением изображения и многокаскадные усилители света [3–4].
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
Достойным продолжателем традиций сегодня является ОКБ "Астрон". ОКБ "Астрон" с 2007 года проводит исследования и разработки в области инфракрасного излучения [5]. Основным направлением деятельности предприятия является разработка и производство тепловизионной и терагерцевой оптики, детекторов, а также приборов на их основе. Разработанные в ОКБ "Астрон" изделия используются во многих отраслях промышленности: нефтегазовом секторе, железной дороге, транспортном машиностроении и др. Товарный выпуск тепловизионых объективов составляет более 1200 единиц в год, с фокусным расстоянием 100 мм и выше. Многолетний опыт в производстве позволяет предприятию осваивать производство сложных и специальных приборов и оборудования. Так, ОКБ "АСТРОН" 26–27 июля 2017 года провел испытания мультиспектральной тепловизионной камеры для защиты инфраструктуры морских портов Черного и Баренцева морей. Межведомственная комиссия приняла образец изделия и рекомендовала для серийного производства. Характеристики мультиспектральной камеры превосходят имеющиеся зарубежные аналоги благодаря использованию не только, тепловизионного и видимого спектра излучения, но и использованию технологии активно-импульсного наблюдения. Эта технология позволяет вести наблюдение и распознавание объектов в условиях сильного тумана и испарений от поверхности воды на дистанциях до 8 км. Соединение в единый комплекс этих технологий позволило не только обнаруживать морские цели в условиях густого тумана, но и проводить распознавание и идентификацию вплоть до считывания бортовых номеров кораблей.
С 2016 года все тепловизионные приборы для систем безопасности изготавливаются на предприятии на основе микроболометрических детекторов собственного производства Астрон‑38425–1 и Астрон‑64025–1 с размером чувствительных элементов матрицы 25 мкм. В 2017 году начат выпуск детекторов типа АСТРОН‑384А17 АСТРОН‑640А17, чувствительный элемент которого имеет размер 17 мкм [5].
В настоящее время ОКБ "Астрон" является единственным в России производителем тепловизионной техники, имеющим полный цикл производства: от выращивания оптического монокристалла германия и изготовления асферической оптики до производства детекторов, блоков электронной обработки и законченных оптико-электронных приборов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Щелев М.Я. Первооткрыватель пикосекундной электронно-оптической хронографии – Фотоника, 2013, № 3 (45), с. 86–102.
2. Электронный ресурс. Инфракрасные лучи на вооружении РККА. История создания Советской техники ночного видения/Под ред. С. Иванова. – The Russian Engineering. Режим доступа: http://www.russianengineering.narod.ru/tank/russinfrarot.htm.
3. Мирошников М.М. Инфракрасная техника в России.– Оптический журнал, № 12, 1992, с. 18–24.
4. Пономаренко В.П., Филачев А.М. Инфракрасная техника и электронная оптика. Становление научных направления.– М.: Физматкнига, 2016.
5. Старцев В.В., Попов В.К., Наумов А.В. Мультиспектральный модуль обнаружения и анализа угроз для охраны протяженных объектов.– Фотоника, № 3 (63), 2017, с. 82–96.
6. Старцев В.В. ОКБ Астрон представляет первые отечественные матричные тепловизоры.– Национальная оборона, № 8, 2017, с. 60.
Отзывы читателей
