Разумеется, за последнее столетие эффективность производства света колоссально возросла, однако без оптических устройств для сбора света получить столь огромную силу света луча не удалось бы. Например, рассмотрим небольшой источник света, обладающий силой света в одну свечу во всех направлениях. Если весь этот свет, испускаемый во всех направлениях, собрать и направить в луч с малым углом, скажем, равным одной тысячной от общего угла, окружающего точку, то сила света такого луча составит 1000 свечей. Именно таким образом достигается огромная сила света лучей.
Существует интересный момент, касающийся коротких вспышек света. Для адаптированного к темноте глаза кратковременная вспышка регистрируется как имеющая значительно большую интенсивность, чем если бы свет оставался постоянным. Другими словами, дозорный на судне адаптирован к темноте, и вспышка луча света воспринимается гораздо более яркой, чем если бы тот же луч светил ровно. Это физиологическое явление действует на пользу мигающего света.
ПОЗИЦИЯ АМЕРИКАНСКОГО ПРОЖЕКТОРА НА ЗАПАДНОМ ФРОНТЕ В 1919 ГОДУ
Без сомнения, читатель заметил, что надежность, простота и низкая стоимость эксплуатации являются главными соображениями для источников света, используемых в качестве средств навигации. Этим объясняется продолжающееся использование нефти и газа. С оптической точки зрения электрические дуговые лампы и лампы с концентрированной нитью накала обычно превосходят более ранние источники света, но сложность установки для выработки электроэнергии обычно является недостатком в уединенных местах. На более крупных плавучих маяках теперь используется электричество, вырабатываемое аппаратурой, установленной на самих судах. По-видимому, наблюдается тенденция к использованию большего числа буев и меньшего числа маяков, однако сила света последних возрастает.
СТАНДАРТНАЯ АМЕРИКАНСКАЯ ПОЛЕВАЯ ПРОЖЕКТОРНАЯ И СИЛОВАЯ УСТАНОВКА
За сто лет, прошедших с момента постройки Бостонского маяка, в маяках мореплавателей проявились те же великие изменения, которые были вызваны развитием искусственного света в других сферах цивилизации. Развитие этих средств навигации было удивительным, но оно должно продолжаться и продолжаться. Земная поверхность включает 51 886 000 квадратных сухопутных миль суши и 145 054 000 квадратных миль водной поверхности. Три четверти поверхности Земли составляют воды, и океаны всегда будут путями мировой торговли. Все опасности невозможно преодолеть, но человеческая изобретательность способна на великие достижения. Обломки кораблекрушений по-прежнему будут появляться вдоль берегов вопреки огням, однако пожива на мелководье значительно сократилась со времен, описанных Робертом Льюисом Стивенсоном, когда жители побережья на Оркнейских островах рассматривали кораблекрушения как источник дохода. Он утверждает:
У некоторых жителей вошло в поговорку замечать, что «если кораблекрушениям суждено случиться, их вполне могли бы послать на бедный остров Сандей, как и в любое другое место». На этом и соседнем островах жителям определенно досталась своя доля потерпевших крушение товаров. Жалуясь одному из лоцманов на плохое состояние парусов его лодки, он с некоторой долей шутливости ответил: «Будь на то воля Его [Бога], чтобы вы не приходили сюда с этими огнями, у нас могли бы быть паруса получше для наших лодок и побольше всякого другого добра».
При аренде ферм участок с большей вероятностью кораблекрушения на берегу приносил гораздо более высокую арендную плату.
XIV
ИСКУССТВЕННЫЙ СВЕТ В ВОЕННОМ ДЕЛЕ
Когда разразилась недавняя война, наука откликнулась на призыв и под давлением лихорадочной необходимости сжала полувековое нормальное развитие в несколько лет. Аэроплан, в 1914 году бывший сомнительной игрушкой смельчаков, вышел из войны совершенным воздушным аппаратом. Освещение не обладало блеском полета или новизной химического оружия, но оно значительно продвинулось вперед в определенных направлениях и сослужило хорошую службу. В то время как искусственное освещение вело свое незаметное наступление, увеличивая производство в поддерживающих отраслях промышленности и помогая поддерживать связь с передовыми траншеями, предоставляя глаза транспорту, оно также выполняло свою роль на поле боя. Огромные прожекторы обнаруживали подводные лодки и воздушных бомбардировщиков; осветительные ракеты раскрывали маневры противника; ракеты приносили помощь осажденным судам и войскам; пистолетные сигналы, выпускаемые воздушным наблюдателем, корректировали артиллерийский огонь; и множество других устройств искусственного света участвовало в схватке. Было сделано много усовершенствований в прожекторах и сигнальных пристройствах, а элементы праздничных фейерверков прошлых эпох были улучшены и развиты для нужд современного ведения войны.
Ночь за ночью вдоль линии фронта взлетали осветительные ракеты, чтобы обнаруживать патрули и любую другую деятельность противника. При малейшем подозрении огромные рои этих ярких огней вспыхивали так, словно потревожили стаи огромных светлячков. Они даже использовались в качестве световых завес, поскольку передвижения можно было совершать в сравнительной безопасности, когда множество этих огней лежало перед траншеями противника, расточая свой яркий свет. Летчик сбрасывал ракеты, чтобы осветить свою цель или посадочную площадку. Факелы прошлых парадов помогали солдату в его ночных операциях, а взмывавшие в небо ракеты передавали свои сообщения в штаб в тылу. Осветительный снаряд выполнял те же задачи, что и другие ракеты, но он выпускался из орудия пороховым зарядом. Эти и многие модификации представляют собой полезные применения того, что раньше было простыми «фейерверками». Те из них, которые в первую очередь являются сигнальными устройствами, обсуждаются в другой главе, но остальные будут описаны в достаточной степени, чтобы указать место, которое искусственный свет занимал в определенных фазах войны.
Осветительные составы, используемые в этих устройствах, не являются особенно новыми и состоят в основном из горючего порошка и химических солей, которые делают пламя светящимся и придают ему цвет при необходимости. Среди ингредиентов — нитрат бария, перхлорат калия, порошкообразный алюминий, порошкообразный магний, нитрат калия и сера. Одна из простейших смесей, используемых англичанами, имеет следующий состав:
Barium nitrate37 per cent. Powdered magnesium34 per cent. Potassium nitrate29 per cent.
Магний покрывают горячим воском или парафином, что служит не только связующим веществом для смеси при ее прессовании в контейнер, но также предотвращает окисление магния при хранении снарядов. Нитраты бария и калия поставляют кислород магнию, который горит ярким белым пламенем. Нитрат калия воспламеняется легче, чем нитрат бария, но он дороже последнего.
Из-за стоимости магния в качестве заменителя в некоторой степени использовался порошкообразный алюминий. Алюминий не обладает осветительной способностью магния, и его труднее воспламенить, но он является хорошей заменой в случае необходимости. Английская смесь, содержащая эти элементы, имеет следующий состав:
Barium nitrate58 per cent. Magnesium29 per cent. Aluminum13 per cent.
Смеси, которые трудно воспламеняются, должны дополняться первичной смесью, которая легко воспламеняется. Для получения цветных огней достаточно лишь добавить химикаты, которые дадут желаемый цвет. Смеси могут быть рассчитаны с помощью чисто теоретических соображений; то есть может присутствовать ровно столько кислорода, сколько необходимо для полного сгорания топлива. Однако обычно подается больше кислорода, чем требуется по теории.
Осветительный снаряд — пожалуй, наиболее полезное из этих устройств для солдата. Он конструировался как с парашютами, так и без них, причем первый обеспечивает интенсивный свет в течение короткого периода времени, поскольку быстро падает. Эти снаряды крупных калибров оснащаются дистанционными взрывателями и, как правило, довольно сложны по конструкции. Снаряд изготавливается из стали и имеет дистанционный взрыватель на головной части. Этот взрыватель воспламеняет заряд дымного пороха в носовой части снаряда, и этот взрыв выбрасывает осветительную ракету из задней части стального корпуса. В то же время дымный порох воспламеняет примыкающую к нему воспламенительную смесь, которая в свою очередь поджигает медленно горящий осветительный состав. Осветительная ракета имеет большой парашют из прочного материала, сложенный в задней части корпуса, и к нему прикреплена картонная трубка, содержащая осветительный состав. Время горения варьируется, но обычно составляет менее минуты. Определенные конструктивные детали должны быть рассчитаны на то, чтобы выдерживать нагрузки при высокой начальной скорости. Кроме того, скорость, составляющая, пожалуй, 1000 футов в секунду, сохраняется и тогда, когда осветительная ракета с парашютом выбрасывается в нужной точке в воздухе.
Осветительный снаряд без парашюта предназначен для создания интенсивного света в течение короткого промежутка времени и особенно применим для защиты от воздушных набегов. Такой свет нацелен на то, чтобы обнаружить летательный аппарат, дабы артиллеристы могли вести по нему эффективный огонь. Эти снаряды оснащаются дистанционными взрывателями, которые поджигают заряд дымного пороха по истечении желаемого интервала после выстрела снаряда из орудия. Содержимое снаряда тем самым выбрасывается и воспламеняется. Контейнер для осветительного материала сконструирован таким образом, чтобы происходило быстрое горение и, следовательно, яркий свет в течение примерно десяти секунд. Вражеский летчик за это короткое время не способен получить никаких ценных сведений относительно лежащей внизу земли, и к тому же он может быть временно ослеплен ярким светом, если тот окажется рядом с ним.
Ружейная световая граната, напоминающая обычную ракету, выпускается из винтовки и предназначена для стрельбы на короткие дистанции. Она состоит из цилиндрического стального снаряда длиной в несколько дюймов, прикрепленного к стальному стержню. К картонному контейнеру, в который упакован осветительный состав, прикреплен парашют, и все это уложено в стальной снаряд. Короткие замедлители используются для запуска обычного цикла событий после того, как ружейная граната была выпущена из орудия. Стальной стержень вставляется в ствол винтовки, а для выброса этого похожего на ракету аппарата используется холостой патрон. За счет инерции срабатывает ударник в снаряде, и короткий замедлитель таким образом запускается автоматически через мгновение после нажатия на спусковой крючок винтовки.
Осветительные «бомбы», основанные на тех же общих принципах, используются летчиками в поисках посадочной площадки для себя или для сброса разрушительной бомбы; для подачи сигналов артиллеристу и во многих других целях. Они просты по конструкции, поскольку им не нужно выдерживать нагрузки при выстреле из орудия; они просто сбрасываются с летательного аппарата. Механизм воспламенения и следующий за ним цикл событий аналогичны тем, что происходят у других осветительных снарядов.
Ценность таких устройств искусственного освещения зависит как от силы света, так и от времени горения. Хотя длительное горение обычно не требуется в военном деле, очевидно, что чаще всего необходим более чем кратковременный свет. В целом, высокая сила света и длительное горение противоположны друг другу, поэтому самые интенсивные источники света такого характера обычно имеют короткую продолжительность действия. Типичные показатели работы двух осветительных ракет одинакового состава выглядят следующим образом:
Flare No. 1Flare No. 2
Average candle-power270,00095,000 Seconds of burning1035 Candle-seconds2,700,0003,325,000 Cubic inches of compound67 Candle-seconds per cubic inch450,000475,000 Candle-hours per cubic inch125132
Осветительный состав в этих двух ракетах был одинаковым, они различались лишь временем, отведенным на горение. Разумеется, измерения силы света таких ракет затруднены из-за колебаний, но в пределах погрешности измерений видно, что осветительная способность состава примерно одинакова независимо от времени горения. Источник света в случае горящих порохов на самом деле представляет собой пламя, и поскольку горящий конец свисает вниз, в нижней полусфере излучается больше света, чем в верхней. Сила света крупнейших ракет равна совокупной силе света 200 уличных дуговых ламп или 10 000 обычных 40-ваттных вольфрамовых ламп, используемых для комнатного освещения.
Интересно отметить свеча-часы, получаемые на кубический дюйм состава, и обнаружить, что стоимость этого света ниже стоимости свечей в настоящее время и лишь в пять или десять раз превышает стоимость современного электрического освещения.
Осветительные снаряды, использовавшиеся во время недавней войны, были рассчитаны на дульные скорости до 2700 футов в секунду и калибровались на воспламенение на любом расстоянии от четверти мили до нескольких миль. Максимальная дальность осветительных снарядов, выпускаемых из винтовок, составляла около 200 ярдов; для траншейных мортир — около одной мили; а для полевых и морских орудий — около четырех миль.
Прожектор долгое время был ценным помощником в военном деле, и во время недавнего конфликта значительное внимание было уделено его развитию и применению. Он используется главным образом для обнаружения и освещения удаленных целей, однако это охватывает широкий спектр условий и требований. Чтобы прожектор был эффективен на большом расстоянии, как можно большая часть излучаемого источником света направляется в световой луч с возможно более параллельными лучами. В военных прожекторах обычно применяются рефлекторы, и для того, чтобы луч был как можно более параллельным (минимальная расходимость), свет должен излучаться наименьшим источником, совместимым с высокой интенсивностью. Этот источник помещается в надлежащей точке относительно большого параболического рефлектора, который делает лучи параллельными или почти таковыми.
С момента своего появления электрическая дуга применялась в крупных прожекторах, которыми снабжались армия и флот; однако наибольшие усовершенствования были сделаны под давлением войны. Наука аэронавтика продвинулась столь стремительно во время недавней войны, что необходимость в мощных прожекторах значительно возросла, и по мере развития конфликта вражеские летчики стали смотреть на вновь разработанные прожекторы с немалой дозой беспокойства. Быстро движущийся летательный аппарат и его большая высота привнесли новые факторы в конструкцию этих осветительных приборов. Теперь стало необходимым иметь наиболее интенсивный луч и возможность обшаривать им небеса с помощью тонких управляющих аппаратов, поскольку целями порой были крошечные точки, движущиеся с высокой скоростью на высотах до пяти миль. Кроме того, из-за перемещающихся зон боевых действий потребовалась мобильная аппаратура.
Управление светом с помощью рефлекторов изучалось веками, но до появления электрической дуги источники света обладали столь большими площадями, что эффективное управление было невозможно. Оптические устройства обычно рассматриваются в связи с «точечными источниками», но поскольку свет нельзя получить из точки, источник малых размеров и высокой яркости является наиболее эффективным компромиссом. Параболические зеркала использовались еще в XVIII веке, и их свойства были известны задолго до того, как в 1825 году Драммонд создал первый поистине заслуживающий этого названия прожектор, в котором в качестве источника света использовался кусочек извести, накаленный в пламени горелки. В конце концов он разработал «известковый свет», направив кислородно-водородное пламя на кусочек извести, и это устройство было приспособлено для прожекторов и проецирования в помещении. Говорят, что первый прожектор, использованный в войне, представлял собой известковый свет Драммонда, сыгравший свою роль при штурме форта Вагнер в Чарлстоне в 1863 году.
В 1848 году в Париже была установлена первая электрическая дуговая лампа, использовавшаяся для общего освещения. Она снабжалась током от крупного гальванического элемента, однако успех электрической дуги был вынужден ждать создания более удовлетворительного источника электричества. Прошло два десятка лет после того, как общественность была поражена первой демонстрацией, прежде чем был изобретен подходящий электрический динамо-генератор. С появлением динамо-машины электрическая дуга быстро развивалась, и таким образом стал доступен концентрированный источник света высокой интенсивности и большой яркости. Постепенно размеры увеличивались, пока в настоящее время не стали применяться зеркала диаметром до семи футов и электрические токи силой в несколько сотен ампер. Интенсивность луча самых мощных прожекторов теперь достигает нескольких сотен миллионов свечей.
Наиболее заметный прогресс в конструкции дуговых прожекторов был достигнут в последние годы Беком, который разработал интенсивный пламенный угольно-дуговой источник. Его главной целью было пропустить через дугу гораздо больший ток, чем это делалось ранее, без увеличения размеров углей и неустойчивости дуги. В обычной дуге чрезмерный ток приводит к быстрому разрушению углей, если они не имеют большого диаметра. Бек направил струю паров спирта на дугу, и они не окислялись. Таким образом он достиг высокой плотности тока и значительно большей интенсивности луча. Он также использовал фитильные угли, содержащие определенные металлические соли, которые увеличивали силу света, а за счет вращения положительного угольного электрода так, чтобы кратер поддерживался в постоянном положении, достигалась большая стабильность и равномерность. Испытания показывают, что в дополнение к более высокой световой эффективности дуга такого характера направляет больший процент света в эффективный угол зеркала. Маленький источник приводит к лучу с малой расходимостью; другими словами, луч отличается от цилиндра всего на один-два градуса. Если бы луч состоял исключительно из параллельных лучей и в атмосфере не было потерь света на рассеяние или поглощение, интенсивность луча оставалась бы одинаковой по всей его длине. Однако как расходимость, так и атмосферные потери стремятся уменьшить интенсивность луча по мере увеличения расстояния от прожектора.