pbs990 (pbs990) wrote,
pbs990
pbs990

Categories:

Если завтра война. С "Посейдоном" всё ясно, а как насчёт "Зевса"?

Опубликовано 21/01/2019

С Посейдоном все ясно, а как насчет Зевса?




Антенна HAARP на Аляске, не она ли передаст сигнал Судного Дня подлодкам?

После публикации статьи «Посейдон и ядерное цунами» http://extremal-mechanics.org/archives/25731 один из ее читателей под ником STO обратил мое внимание на статью в Википедии, где рассказывается о якобы функционирующих системах дальней связи с подводными лодками на сверхнизких частотах (меньше 100 Гц) и, соответственно, длинах волн сравнимых с радиусом Земли. Называются эти комплексы связи «Зевс» в России и WTF/MTF в США. Наш располагается на Кольском полуострове рядом с объектом Североморск-3, а у них два передатчика в Висконсине (WTF) и Мичигане (MTF), удаленные друг от друга на около 225 км и работающие в паре. Рабочие частоты 82 и 76 Гц (у них и у нас), длины волн ~3 660 км и ~3 950 км соответственно.

Идея выглядит очень красиво! Такая волна распространяется в слое между Землей и ионосферой на практически любые расстояния и, что самое важное, она слабо рассеивается океанской водой и может проникать в нее до 100 метров (впрочем, есть более осторожные оценки в 60 — 70 м). Вот она, казалось бы, система связи с вундервафлей «Посейдон», лежащей на океанском шельфе! В лагере ура-патриотов дружное презрение к моей статье )) Но я заинтересовался этим вопросом, потратил время на его изучение и пришел к выводу, что ни в США ни в РФ эти системы связи «не операбельны» в военном отношении. Разобраться с ними поможет научная статья, компетентность авторов которой не вызывает никаких сомнений http://extremal-mechanics.org/wp-content/uploads/2019/01/elf.pdf. Хотя, как мы увидим ниже, кое в чем они все же ошиблись.

«Зевс» — это экспериментальная установка, позволяющая излучать СНЧ волны в диапазоне 20 — 200 Гц с шагом 0.1 Гц. Как и все остальное, чем хвалится путинский режим, создана была в СССР. Представляет собой пару почти параллельных кабелей длиной 60 км, уложенных на скалистую породу. Лежат ли они прямо на земле или неглубоко зарыты — сие мне неведомо. Оба излучателя работают синхронно для усиления мощности и/или дублируют друг друга на случай аварии (возможно то и это). Пара таких кабелей, вероятно, также могла бы использоваться для модуляции сигнала (чтобы передавать коды). Оба конца каждого проводника заземлены в глубокие скважины. Устройство СНЧ антенны «Зевс» включает в себя два электрогенератора и батареи конденсаторов на концах кабеля, которые нужны для компенсации индуктивного сопротивления.



Схема антенны «Зевс»

Здесь нужно пояснить, что длина дипольного излучателя должна быть кратной полу-длине \lambda/2 излучаемой э-м волны. В этом случае в проводнике (диполе) возникает стоячая волна продольных колебаний поля от источника тока, имеющая частоту излучения. Иначе синусоидальный ток в ограниченном проводнике нормально циркулировать не может. Иначе электроны были бы вынуждены покидать его или возвращаться так, так что диполь в целом приобретал бы электрический заряд, препятствующий току.

Но длина антенны «Зевс» многократно меньше излучаемых полу-волн. Фокус с заземлением состоит в том, что в процессе колебаний ток периодически уходит в Землю и возвращается из нее с другого конца проводника, так что его полный заряд остается нулевым. Это снимает требование кратности \lambda/2 к плечу диполя, позволяя уменьшить его до реалистичных размеров, а также варьировать частоту излучения. Так удалось добиться колебаний тока с амплитудой 200 — 300 Ампер и частотой 82 Гц при плече диполя в 60 км вместо \lambda/2, что составило бы около 1 830 км! КПД антенны крайне мал из-за низкой частоты — излучается мощность в несколько десятков ватт при мощности источников тока в несколько мегаватт.



Излучающий диполь

В популярных описаниях «Зевса» утверждается, что излучающим элементом является сама Земля или ее часть. Это — заблуждение, т.к. проводимость земной коры очень мала (среднее удельное сопротивление коры ~10 кОм*м http://extremal-mechanics.org/wp-content/uploads/2019/01/elf.pdf). СНЧ волну в основном излучает кабель. Обычно рисуют проводящий контур, половина которого проходит где-то под Землей. Но удельное сопротивление земной коры и медного провода на поверхности отличаются на 12 — 14 порядков? Поэтому сечение подземного, токового канала должно быть больше в миллион раз по линейному размеру.

Поскольку антенна «Зевса» излучает всего порядка 10 Вт, почти вся мощность источников тока расходуется на омические потери. Поэтому для сопротивления кабеля имеем следующую оценку I^2R\sim 10^6 Вт, где I=250 Ампер. Отсюда R\sim 16 Ом и, при удельном сопротивлении меди \rho=0.017\cdot 10^{-6}Om\cdot m, из соотношения \rho l/S=R для l=60 км получим оценку диаметра кабеля ~1 см. Следовательно, диаметр токового канала в земной коре должен иметь порядок 10 км. В указанной выше статье на стр. 123 по этому поводу: «The value of R_e is usually estimated assuming that the earth current flows in a halfcylindrical hollow provided that l>\delta; in this case R_e=\omega\mu_0/8 [Bernstain et al., 1974]«. Величина R_e имеет размерность Oм/м, поэтому имелось ввиду сопротивление на 1 метр длины проводника, что дает примерно 5 Ом для каждого из двух токовых каналов в земной коре. Это сопротивление имеет порядок величины, исходя из которого выше была получена оценка сечения канала, что подтверждает ее обоснованность.

Еще одна интересная цитата: «Hence, one can see that, for the average resistivity of the ground \rho=10^4 Ω·m, the transient grounding resistance on the order of 2-3 Ω is provided by a grounding with an area of no less than 1\ km^2«. Символ Ω обозначает Ом. Здесь площадь заземления оценивается снизу в 1 кв. км (речь идет о плоской, дискретной структуре, состоящей из заземляющих проводников). Это адекватно оценке ~10 км поперечного размера токового канала в коре. Плотность тока в таком канале ничтожна, а его сечение сравнимо с длиной. Ясно, что он излучает мощность на несколько порядков ниже, чем кабель, лежащий на поверхности Земли (дело в том, что излучаемые электронами поля теряют энергию на других электронах в токовом канале).

Таким образом, возвратный ток в земной коре хотя и существует, но, вопреки распространенному мнению, не является излучающим элементом антенны. Обратные утверждения сопровождают мифическими подробностями о том, что на глубине 10 км под скальными породами лежит зона повышенной проводимости земной коры (благодаря чему токовый канал резко сужался бы, превращаясь в подобие излучающего кабеля на поверхности). Но ничего подобного на самом деле лет. Снова вернемся к той же статье. На стр. 122 сказано: »Such a high transverse resistivity was confirmed in the order of magnitude by the model calculations [Vanyan et al., 1989] and suggested the absence of conductive layers in the crust, at least, to a depth of 30-40 km.» На стр. 123: «The “Zevs” antenna is located on the Murmansk crystalline block of the Archean age. The crust in this region is characterized by very high resistivity exceeding 10^5 Ω·m at depths of about 10-15 km».

Участок Кольского полуострова выбран под антенну «Зевс» из-за низкой проводимости скальной породы, на которой лежит кабель. Это нужно для того, чтобы излучаемая волна не расходовала энергию на возбуждение токов в поверхностном слое. А он довольно глубок, т.к. СНЧ волны проникают в Землю на несколько км. И все, нет там больше никаких чудес в коре! Как ни странно, но в многократно упомянутой статье повторяется ошибочное утверждение о том, что «Зевс» — магнитная антенна (верхний абзац на стр. 123). Это означало бы, что возвратный ток в земной коре излучает СНЧ волны столь же интенсивно, как и кабель. Помимо сказанного выше, ошибочность этого мнения очевидным образом вытекает из географии этой антенны (кабели тянутся почти по одной широте).

На анимации показано поле излучающего диполя, коим является антенна «Зевса». Учитывая расположение кабеля видно, что поле его СНЧ волны на серединном перпендикуляре (ось диаграммы направленности) имеет компоненту \vec E вдоль параллели и вертикальную компоненту \vec B (все это приблизительно конечно). Именно такая модель СНЧ волны рассматривается в статье, на которую выше дана ссылка (стр. 125).

Если бы «Зевс» излучал, как магнитная антенна (токовая петля), то диаграмма направленности повернулась бы на 90 градусов. В таком случае наибольшая интенсивность излучения приходилась бы территорию (бывшего) СССР, Скандинавию, Гренландию, Канаду. То есть ровно туда, куда не нужно! Но поскольку в действительности «Зевс» излучает, как электрический диполь, наиболее интенсивный сигнал приходил в российскую Арктику, где подо льдами прятались стратегические субмарины, и Баренцево море — их главный «заповедник». А в другую сторону уходил в Южную Атлантику. Ясно, что именно такая диаграмма направленности антенны «Зевс» соответствовала планам боевого применения подводных ракетоносцев, вооруженных межконтинентальными БРПЛ.



Поле дипольной антенны

Еще одно замечательное свойство СНЧ состоит в том, что они очень слабо затухают с расстоянием. Затухание волны от «Зевса» оценивают от 1 до 1.5 дБ/1000 км. Это означает, что на расстоянии 10 000 км амплитуда поля волны уменьшится лишь в 10 — 30 раз. Отлично, но беда в том, что амплитуда изначально очень маленькая, т.к. пара десятков ватт мощности излучается в пространство вокруг антенны длиной 60 км. Согласно оценкам из статьи http://extremal-mechanics.org/wp-content/uploads/2019/01/elf.pdf (таблица на стр. 125), на расстоянии 8 000 км напряженность электрического поля волны составит ~0. 0001 Вольт на километр. Попробуйте это зафиксировать!

Фиксировали еще дальше — в Антарктиде, но то были научные приборы под управлением ученых. Наверное можно сделать прибор, который способен детектировать такие сигналы в автоматическом режиме. Но что будет, если поставить его на мифический «Посейдон»? Если, как фантазируют любители сказок от МО РФ, он заляжет на дно на глубине в сотни метров в ожидании сигнала на расправу с супостатом, то сможет ли такой прибор на 100% надежно уловить столь слабый сигнал, ослабленный еще и толщей соленой воды? Американцы улавливали волны от аналогичной установки на глубине 100 м, но от успешного эксперимента до практического устройства дорога может оказаться очень длинной. Не потому ли США в 2004 законсервировали аналогичную систему WTF/MTF (проект «Sangwin», его история https://www.hep.wisc.edu/~prepost/ELF.pdf) и переключились на другую технологию СНЧ связи, о которой будет сказано ниже? Или они просто тупые америкосы, а в Православной России, неусыпными трудами Царя-батюшки, науки и технологии бурно расцветают?



Антенна «Зевс», с запада на восток тянутся излучающие кабели длиной 60 км (рисунок из Википедии).


Но допустим, что устойчиво принимать такой СНЧ сигнал под водой возможно. Нужно ведь получить не просто сигнал, а некоторый код. При такой низкой скорости передачи, которую оценивают в 1 бит/сек, сделать это будет непросто. Есть вариант получать простейший сигнал регулярно в условленное время, а при его пропуске немедленно всплывать для выхода на связь по спутнику или на более высоких частотах (ни виртуальная вундервафля ни реально существующие подлодки принципиально не способны отвечать в диапазоне СНЧ). В любом случае вероятность безошибочной работы такой системы резко уменьшается, даже если вероятность одиночного приема высока.

Итак, экспериментальный комплекс «Зевс» действительно существует и принадлежит ВМФ РФ. Центр связи с подлодками, вероятно, функционирует по назначению. Но это, по-видимому, менее экзотическая связь на частотах в десятки или сотни кГц, которая не позволяет принимать сигналы на большой глубине. Вышеизложенные соображения, конечно, не содержат доказательства того, что односторонняя СНЧ — связь через антенну «Зевс» не применяется для непосредственных нужд ВМФ. Они лишь освещают техническую сторону и крайнюю сложность этой проблемы.

Доводы в пользу того, что она до сих пор не решена, можно найти в высказываниях серьезных ученых, если не обращать внимания на явно заказной агитпроп вроде статьи Тронда Якобсена (Trond Jacobsen — who is it?). Этот шустрый писака выдал в 2013 пафосную оду российским подводным силам и комплексу «Зевс», выдержанную в стиле путинской ура-пропаганды. При этом герр Якобсен надергал для наукообразия данных из статьи http://extremal-mechanics.org/wp-content/uploads/2019/01/Zevs_ELF.pdf (формулы 1,4,5) без указания первоисточника.

ЦИТАТЫ

В обзорной работе 1998 года, ссылка на которую была дана выше, вопросу о связи с подлодками уделяется лишь один фрагмент.

«Nevertheless, the rapid development of computerized digital data-processing methods, the appearance of modern low-noise antennas for detecting weak signals, as well as wide possibilities for using satellite systems for the synchronization of source and receiver open new ways to develop ELF wireless communication. The principal prospects are related to the development of multipurpose systems intended, on the one hand, to solve the problems of basic and applied geophysics, and on the other hand, to further expand the possibilities of ELF systems for working in the interests of the Russian navy.»

Здесь идет речь о потенциальных военных возможностях установки «Зевс», которые авторы считают важным развивать. Хотя cлова «further expand» оставляют место для спекуляций о том, что на тот момент СНЧ связь с подлодками уже применялась. Явного указания на этот факт статья не содержит. Как мы сейчас увидим — не применялась.

В статье 1995 года от одного из ведущих специалистов по СНЧ — антенне «Зевс» Жамалетдинова http://extremal-mechanics.org/wp-content/uploads/2019/01/ELF.pdf сказано следующее.

«Установки «Сангвин» и «Зевс» обеспечивают систему практически глобальной связи с погруженными субмаринами на удалениях до 8-10 тыс. км. Однако эти достоинства СНЧ-антенн стоят достаточно дорого. Большие длины волн требуют сооружения громоздких антенн с линейными размерами в десятки и до ста километров. При этом может быть обеспечена лишь односторонняя связь. Большие потери при измерении требуют применения мощных источников. Достаточно сказать, что в системе «Сангвин», при потребляемой мощности 3,9 МВт, излучаемая мощность составляет лишь 60 Вт. Существенным недостатком СНЧ-антенн является также крайне низкая скорость передачи информации — порядка 1 б/с на удалении в 10 тысяч км. Отмеченные недостатки, а также широкое развитие других, альтернативных средств связи, привело к тому, что СНЧ-антенны не получили широкого развития в технике дальней связи ВМФ России. Установка «Зевс» по настоящее время является уникальным действующим объектом этого направления.»

«В заключение доклада хочу выразить благодарность руководству Центра дальней связи ВМФ России и, прежде всего Кононову Юрию Михайловичу за поддержку в проведении исследований

Видно, что на тот момент велись исследования в направлении СНЧ — связи, но постоянно функционирующей системы не было. США же вообще свернули работы на аналогичной установке «Sangwin».

Более конкретно в статье 1995 года высказалась журналист А. Блинова (по той же ссылке ниже). Понятно, что она не сама это все придумала.

»Исследования в области сверхнизких частот едва не закрылись. Однако, как сообщил, выступая с научным докладом на заседании президиума РАН, доктор геолого-минералогических наук А. Жамалетдинов, единственную в стране установку «Зевс», к счастью, еще не сдали в металлолом. Ее используют для глубинного электромагнитного зондирования Земли с целью прогноза землетрясений, проверки качества окружающей среды, изучения ионосферы. Предполагается использовать ее даже для прогноза состояния атомных электростанций, в частности ЛАЭС. Одновременно ученые рассматривают возможности установки в военно-морском флоте«

Далее интервью 1996 года с А.А. Жамалетдиновым.

«Ред. Имеются ли аналоги «Зевса» за рубежом?

А.А. В начале 70-х годов велась конкурентная борьба в этой области. В частности, для задач ВМФ США была спроектирована аналогичная систем «Сангвин». Однако из-за дороговизны антенны эти исследования остановились на стадии создания отдельных экспериментальных установок, действовавших в районе Великих Озер. Таким образом, антенна «Зевс» является в этом отношении уникальным объектом.»

Видно, что США давно потеряли интерес к этой теме.

«Ред. Какую конечную цель вы ставите?

А.А. Конечной задачей работ является создание двух-целевой установки на базе антенной системы «Зевс», которая бы позволяла решать задачи дальней связи для Военно-морского флота и обеспечивала бы решение мирных задач научного и прикладного значения. Эта программа укладывается в поддерживаемую Правительством политику конверсии ВПК по бинарной схеме.»

Ниже по той же ссылке вице-адмирал Кононов в статье 1996 года пишет:

»Сегодня эти проблемы удалось решить на основе комплексного использования каналов связи различных диапазонов радиоволн — от сверхнизкочастотных (СНЧ) — десятки-сотни герц — до высокочастотных (ВЧ) — сотни мегагерц.»

Учитывая, что США на тот момент свернули все работы на аналогичной установке (см. цитаты выше), очевидно шла речь о принципиальных возможностях СНЧ связи, а не реально операбельной системе.

Статья в «Наука и Жизнь» 2013 года http://extremal-mechanics.org/wp-content/uploads/2019/01/HAARP.pdf

»Низкочастотное излучение ионосферы можно использовать для связи с подводными и подземными объектами. Дело в том, что даже применяемые для связи с подводными лодками сверхдлинные волны λ = 10 — 100 км (f = 30 – 3 кГц) проникают вглубь всего до 20 метров, а вот ещё более длинные волны легко проходят сквозь гораздо большую толщу земли и воды. Но создание передатчика для столь низких частот — чрезвычайно сложная задача, поскольку требуются огромные антенны и мощности

Картина прояснилась окончательно! Очевидно, что операбельного СНЧ передатчика на основе «Зевса», который бы на постоянной основе применялся для односторонней связи с подлодками, так и не создали. США вообще забыли эту тему и переключились на более перспективную систему СНЧ связи HAARP. Судя по последней статье она функционирует, хотя тоже не факт. Этому HAARPу приписывают разные ужасы про климатическое оружие, но версия СНЧ передатчика выглядит более правдоподобно.

HAARP

Можно домыслить, как именно антенна HAARP, а фактически — двумерный массив антенн возбуждает в ионосфере мощные, переменные токи с частотой порядка 10 — 100 Гц. Предположим, что на материальную точку с массой m действует переменная по направлению, но постоянная по модулю сила F с периодом колебаний T. На рисунке верхний график изображает изменение проекции этой силы на ее начальное направление. Тогда первую половину периода точка проходит в этом направлении расстояние s_1=a(T/2)^2/2=aT^2/8, и во вторую половину периода, когда сила препятствует движению, s_2=aT/2\cdot T/2-aT^2/8=aT^2/8, где a — ускорение. За время T точка перемещается на s_1+s_2=aT^2/4=FT^2/(4m), после чего все повторяется. Таким образом, она будет двигаться в направлении начальной силы со средней скоростью v=(s_1+s_2)/T=FT/(4m)


Теперь предположим, что на электрон действует поле с напряженностью \vec E, направленной вдоль фиксированной оси, так что проекция напряженности на эту ось представлена на верхнем графике («идеальное поле»). Электрон будет двигаться со средней скоростью v=eE/(4\nu m_e), где \nu=1/T — частота колебаний направления вектора \vec E. Если электроны распределены в пространстве с плотностью заряда \rho=ne, то плотность тока в направлении начальной напряженности (до момента t=0 поля не было) будет равна:

j=v\rho={ne^2E}/({4\nu m_e}) (1)

где n — концентрация электронов (на единицу объема). Такое «идеальное поле» можно разложить в ряд Фурье, каждый член которого будет соответствовать линейно поляризованной волне (гармонике), излучаемой одной из антенн массива HAARP. Пусть все эти волны одинаково поляризованы и направлены в ионосферу, где на высоте H\sim 100 км происходит их суперпозиция согласно разложению в ряд Фурье функции на верхнем графике. Поскольку суммируется лишь начальный отрезок ряда, «идеального поля» не получится. Но получится какое-то очень близкое к нему поле, условно изображенное на нижнем графике («реальное поле»). Можно приблизительно считать, что на свободные электроны в ионосфере действует «идеальное поле». Поэтому для оценки плотности тока в ионосфере, индуцированного массивом HAARP, применима формула (1).

Читатель, которому интересна эта тема, может теперь оценить токи в ионосфере, исходя из концентрации свободных электронов n и базовой частоты \nu, в качестве которой можно принять нижнюю границу излучаемой HAARP частоты. Напряженность поля E, т.е., амплитуду «реального поля», можно грубо оценить следующим образом.

Сначала заметим, что HAARP — это фазированный массив, который обеспечивает хорошую фокусировку излучаемого поля за счет интерференции волн от составляющих антенн. Фактически, большая часть излучаемой энергии падает на нулевой, дифракционный максимум, диаметр которого мы обозначим l'. Грубо можно считать, что радиолуч HAARP идет от массива на это «яркое» пятно размером l'. Тогда угол расходимости оценим, как \varphi=(l'-l)/(2H).

Для численных оценок нужно поступить наоборот — выяснить угол расходимости луча от HAARP (не исключено, что он имеет порядок 0.01 рад). Зная угол \varphi, выразим плотность W' потока энергии от массива на высоте H как W'=W\cdot l^2/{l'}^2, где W — плотность потока энергии на уровне Земли (ватт/кв.м). Ее можно найти, как W=N/l^2, где N — мощность излучения HAARP (ватт). При этом l'=l+2H\tan{\varphi}. Можно принять \tan\varphi\approx\varphi.

Плотность энергии э-м поля оценим, как u=2\cdot\varepsilon_0E^2/2=\varepsilon_0E^2. Поскольку u=W'/c, то имеем уравнение E^2\varepsilon_0=W(l^2/{l'}^2)/c, откуда получаем искомую оценку напряженности поля в ионосфере:

E\sim\sqrt{N/(c\varepsilon_0)}/(l+2H\varphi) (2)

Важно заметить, что передний фронт поля, излучаемого массивом, должен иметь вид приблизительно такой, как правый конец нижнего графика — поле на нем резко обрывается. Генерация такого поля — отдельный вопрос. Будем считать, что это возможно. Сделав численные оценки по формулам (1) и (2) можно проверить разумность предлагаемой гипотезы о генерации однонаправленного тока в ионосфере с помощью HAARP. Но если эта гипотеза соответствует реальности, то как получить таким методом СНЧ волну? Очень просто! Поскольку частота ее весьма мала, можно медленно менять параметры «реального поля» так, чтобы проекция вектора тока \vec j на начальное направление вектора \vec E менялась синусоидально. Cтоит заметить, что размер излучающей области в половину длины излучаемой волны (под 2 000 км!) здесь не требуется по аналогичной причине, как в случае «Зевса». Оценкой размера излучающей СНЧ области в ионосфере служит число l'.

Так ли HAARP действует на самом деле, когда генерирует CНЧ волны и генерирует ли он их вообще — я не в курсе ))

Д.ф.-м.н. Д.Б. Зотьев

http://extremal-mechanics.org/archives/25961

Tags: МНЕНИЕ, НАУКА и техника, ОБОРОНА и БЕЗОПАСНОСТЬ
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments