Точная навигация в пространстве — одна из принципиальных задач, которую должны обеспечивать военные технологии. За последние 30 лет прогресс спутниковых систем навигации, казалось бы, решил эту задачу. Однако ни GPS, ни ГЛОНАСС не способны работать ни под водой, ни под землёй.
Агентство передовых военных исследований США (DARPA), отвечающее за внедрение достижений фундаментальной науки в армейскую практику, озаботилось созданием системы навигации, которая была бы независима от космических спутников.
В коллективном бессознательном нашего отечества национальная система спутниковой ориентации обретает черты чуда, способного вознести технологии на седьмое небо. Но ГЛОНАСС — система, критически необходимая для оборонных нужд и имеющая массу гражданских применений в отраслях, где важна экономическая самостоятельность. Однако научные корни её довольно стары.
Ориентация в спутниковых системах осуществляется по небесным телам, которые механика Ньютона влечёт по описанным Кеплером орбитам. Тела эти, правда, рукотворные, но Россия владеет космическими технологиями уже больше полувека. GPS-навигатор, в отличие от морехода, ночами очи не сводившего «с Плеяд, с нисходящего поздно / В море Воота, с Медведицы», ловит в любое время и погоду радиосигналы — но радионавигация известна почти уже век. Сигналы спутников кодированы — так и огонь маяков от века моргает по определённым правилам: два коротких, один длинный. Другое дело, что микросхемы в коробочке навигатора производят вычисления с быстротой и точностью, немыслимой не только для штурманов на шканцах старинных фрегатов, но даже и для техники зари космической эры, но не меньшие процессорные мощности задействованы в съёмке девушек на пляже. А последний процесс никто почему-то не рассматривает как локомотив технологий…
Мнение о том, что технологии развивают именно нужды войны, не слишком точно. Люди убивают друг друга не так уж часто по сравнению с прочими делами и, соответственно, уделяют этому не так уж много внимания. (Посмотрите на возраст военных машин, хотя бы общеизвестного «хаммера», и найдите на улицах их цивильных сверстников…) Но есть и контраргумент — интернет, посредством которого вы и читаете эти строки. Он рождён в недрах учреждённого в 1958 году Агентства по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США, американского ответа на вызов нашего спутника, и вырос из конкретной задачи обеспечения связи в условиях советского ядерного удара.
Над чем же DARPA работает сейчас, скажем, в области военной навигации? Ведь у янки есть развёрнутая система спутниковой ориентации GPS, которая стала де-факто мировым стандартом, дающим Пентагону возможность использовать в некритичных приложениях стоящие сущие гроши гражданские комплектующие.
GPS не решает всех проблем. Она малоэффективна в силу трудностей с приёмом в ущельях (политики обожают вводить войска в южные горы) и городах (уличных боёв никто не отменял). Она не работает под землёй, а тоннели будапештской канализации или пещеры Тора-Бора — традиционная земля войны. В какие бы эмпиреи не воспаряли технологии, солдату суждено быть по локоть в крови и по уши в дерьме… Тем более цифровые технологии способны облегчить подземный манёвр.
Фотошопу, с помощью которого будут убирать с вышеупомянутых пляжных фото животики и прыщики, присуща идеология работы со слоями изображений. Так и цифровые карты можно подслоить схемами метро, инженерной инфраструктуры и природных пещер. Но ориентироваться в них по спутникам нельзя! А есть потребность в навигации у субмарин. А наклёвывается ещё и драчка за ресурсы Арктики, в высоких широтах которой GPS слепнет. Там даже традиционные гирокомпасы, волчки, выставляющиеся в параллель земной оси, не помогут — везде же юг…
Выходом могут быть инерциальные системы ориентации. Работающие на основе той же механики Ньютона. Привязываемся к точке с известными координатами. Замеряем ускорения, разложенные по координатным осям, интегрируем их по времени и получаем векторные значения своей скорости и координат. Инерциальные системы в 1944 году наводили на Лондон V-2 — правда, с невеликой точностью. Они жили в системах баллистических ракет 1950-х годов — там погрешность компенсировалась мощью ядерной боеголовки. На рубеже 1960-х инерциальная навигация появилась на атомных субмаринах, что дало возможность ходить в глубинах Северного Ледовитого океана. Там системы были точнее (ошибки накапливались за многие сутки плавания), много дороже и много объёмнее.
А в ракетных войсках и артиллерии жил топопривязчик, машина, в которой гироскопический курсоуказатель выдавал данные на курсограф одновременно с датчиком пути — одографом, известным ещё древним римлянам… Топопривязчиками определяли координаты позиций ракет и наблюдательных пунктов артиллерии (до координат отдельных гаубиц дело не доходило — для этого и нужна ГЛОНАСС!). Это всё были механические системы, сложные, дорогие и капризные. Современные гиросистемы используют лазерные гироскопы, полупроводниковые лазеры, посылающие лучи когерентного света в катушку из оптоволокна и замеряющие ускорения по доплеровскому сдвигу интерференционных полос. Но у фотонов нет массы покоя, и, следовательно, они не очень отзывчивы на ускорения, пренебрегают ими по легковесности… А точность нужна!
Решение проблемы DARPA сегодня ищет в области, которая кажется более фантастичной, нежели рассасывание пассами телецелителя геморроя и неплановой беременности, — в технике так называемых атомных лазеров. Обычный лазер той или иной длины электромагнитных волн — прибор квантовой оптики, порождающий лучи когерентного света. Лазер же атомный — прибор, порождающие пучки когерентных атомов, — хочется отнести к квантовой магии. Всех нас окружают приборы, работающие на основе квантовой физики, описывающей эффекты микромира. В нём элементарные частицы ведут себя совсем не так, как в мире нашем. Одновременно являются волной и частицей, тоннелируют через преграды… Мы слепы в том мире, и лишь немногие из нас могут ощупать его математически, поверив экспериментом и доведя это до технологии. Сейчас же в лабораториях работают над новым этапом власти над материей — получением более крупных порций вещества, проявляющих квантовые свойства.
Вначале была теория, квантовая статистика Бозе — Эйнштейна, статистика частиц с целочисленным спином, которые могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Потом научились получать конденсат сверххолодных атомов, подчиняющихся этой статистике. Для этого газ из атомов рубидия загоняли в магнитную ловушку, потом ослабляли её — и газ расширялся, как в холодильнике или кондиционере, охлаждаясь аж до одного нанокельвина.
В атомном лазере такой газ играет ту же роль, что и фотоны в лазере обычном. Как же атомный лазер выдаёт порции вещества в когерентном состоянии? Для этого на конденсат воздействуют электромагнитным импульсом, наклоняя спины атомов. Но по законам квантового мира спин может быть только целым и «наклонённый» конденсат — это суперпозиция, наложение квантовых состояний со спином «вверх» и «вниз», +1 и –1. Атомы с первым, «верхним» спином ловушка удержит за счёт параллельности магнитных полей. А атомы с «нижним» спином из неё выпадут. И вот в такой капле атомы будут когерентны. Эксперименты подтвердили, что капля, разрезанная лучом обычного лазера на две части, позже сведённые между собой, даст чёткую интерференционную картину, видимую в лазерном свете. Вещество обрело природу элементарной частицы, проявило волновые свойства!
И вот это-то открывает новые возможности для построения систем навигации. Пучки вещества, порождаемые атомным лазером, когерентны. Разделённые на части и сведённые вместе, они дадут вполне наблюдаемую интерференционную картинку. А если в своих путях до встречи пучки будут испытывать ускорения, это проявится на сдвиге интерференционной картины. Пути когерентных атомных пучков можно соотнести с системой координат, а значит, атомный лазер может стать физической основой для перспективных инерциальных систем навигации.
Пока DARPA хочет по программе Precision Inertial Navigation Systems («Прецизионные инерциальные навигационные системы») получить систему, накапливающую часовую ошибку не более пяти метров в объёме меньше кубометра. Это приемлемо разве что для подводных лодок… Но вспомните: первые лазеры занимали целые лаборатории. А сейчас даже трудно посчитать, сколько приборов квантовой электроники способно уместиться в джинсовой рубахе или куртке моряка. Костюм с ними как-то не дружит…
ОТПРАВИТЬ:
| Читать @chaskor |
