Чудеса техники

Это было 8 мая 1942 года в Коралловом море. «В 10 часов 55 минут радиолокационная установка обнаружила большую группу вражеских самолетов, подходившую с северо-востока. В 11 часов 13 минут наблюдатели "Лексингтона" заметили первый японский самолет, — вспоминает американский адмирал Ф. Шерман, и тут же сетует: — Единственная радиолокационная установка одного из первых образцов, которая находилась у нас на борту, обнаруживала самолеты противника на расстоянии 68 миль, но не давала никаких данных о высоте их полета… было трудно также отличать свои самолеты от вражеских». Видимо, из-за несовершенства радаров американцы больше полагались на пилотов разведывательных машин, хотя и тем далеко не всегда удавалось своевременно замечать неприятеля, тем паче в пасмурную погоду, когда облака надежно скрывали и бомбардировщики, и корабли Страны восходящего солнца, а дальность действия электронных «всевидящих глаз», как мы знаем, оставляла желать лучшего.

Тогда задумали увеличить ее. В 1943 году поисковыми радарами оснастили несколько палубных бомбардировщиков-торпедоносцев Грумман TBM «Эвенджер». Взлетев с авианосцев, они патрулировали пространство над океаном, непрерывно пронизывая небо и море невидимыми лучами, а завидя японцев, передавали их координаты и курс на свои корабли. Опыт оказался удачным, но максимальная дальность полета «Эвенджеров» не превышала 2000 километров — для длительного патрулирования маловато. В следующем году радиолокационными станциями, работавшими в сантиметровом диапазоне, оснастили четырехмоторные бомбардировщики «Боинг» B-17, дальность полета которых достигала 5500 километров. Так получился первый самолет дальней радиолокационной разведки и предупреждения. Поднявшись с сухопутных аэродромов, они подолгу летали над океаном или охраняли подступы к базам.

В 1950-е годы подобными локаторами с антеннами, размещенными под обтекателями в носовой части фюзеляжа или под ним, оборудовали ряд серийных машин. В США это были двухмоторные разведчики Локхид «Гудзон», выпускавшиеся с 1939 года, и более новые — палубные штурмовики Дуглас AD-1 «Скайрейдер», в Англии — палубный противолодочный самолет «Ганнет» и четырехмоторный морской разведчик Авро «Шеклтон». Последний, например, был оснащен радаром для обнаружения воздушных и надводных целей и аппаратурой для обработки и передачи полученных данных, которые обслуживались 10 специалистами. Однако спустя десятилетие появились сверхзвуковые боевые самолеты, действовавшие и на сверхмалых высотах. Заметить их было очень трудно, особенно на фоне эхо-сигналов от местности. Предстояло обновить электронную начинку, что и произошло в 1970-е годы, когда появились улучшенные импульсно-доплеровские станции, способные отделять самолеты от «местников», а также аппаратура, мгновенно обрабатывавшая информацию и умевшая отличать свои самолеты, одновременно сопровождая несколько целей. Кроме того, техника нового поколения автоматически засекала излучение радиолокаторов и определяла их местоположение.

Постепенно задачи, ставившиеся перед этими самолетами, усложнялись, и потребовалось увеличить мощность их двигателей, продолжительность полета и оснастить более сложным оборудованием. Экипаж увеличился до 26–31 человека, а продолжительность полета — до 24 часов. На борту появились кухня, спальные места и мастерская. Этот самолет получил обозначение WV-2 Его назначение вытекало из самого названия — «Радарный пикет» — самолет раннего обнаружения и оповещения. Самолеты WV-2 и WV-3 выпускались как для ВВС, так и для ВМС США.

Самолеты «радарного пикета» легко было определить по огромной антенне с круговым обтекателем, поднятым на пилоне над фюзеляжем самолета.

Однако вскоре эти самолеты перестали удовлетворять военных.

Прокатный стан — это машина для обработки металлов давлением между вращающимися валками. После того как сталевары отлили слиток, этот огромный брусок стали нужно превратить в изделия — в кузов автомобиля, железнодорожный рельс или строительную балку. Но для этого нужно, чтобы слиток принял удобную для изготовления деталей форму — либо длинного бруса с поперечным сечением в виде квадрата, круга, балки, либо стального листа или проволоки и т.д. Эти различные формы слиток и принимает на прокатных станах.

Прокатка в горячем состоянии стала использоваться лишь в начале XVIII века, причем сначала этим способом готовились более или менее тонкие железные листы, но уже с 1769 года начали подобным образом прокатывать проволоку. Первый прокатный стан для железных болванок был предложен английским изобретателем Кортом, когда он разрабатывал метод пудлингования. Корт первым догадался, что при изготовлении некоторых изделий рациональнее поручить молоту только отжимку шлаков, а окончательную форму придавать путем прокатки.

В 1783 году Корт получил патент на изобретенный им способ проката фасонного железа с помощью особых вальцов. Из пудлинговой печи крица поступала под молот, здесь она проковывалась и получала первоначальную форму, а затем пропускалась через вальцы. Этот способ потом стал очень распространенным.

Однако лишь в XIX столетии техника проката была поставлена на должную высоту, что во многом было связано с интенсивным строительством железных дорог. Тогда были изобретены прокатные станы для производства рельсов и вагонных колес, а потом и для многих других операций.

Устройство прокатного стана в XIX веке было несложным. Вращающиеся в противоположные стороны валки захватывали добела раскаленную металлическую полосу и, сжимаясь большей или меньшей силой, проводили ее между своими поверхностями. Таким образом, металл изделия подвергался сильному обжатию при высокой температуре и заготовка приобретала необходимую форму. При этом, например, железо получало свойства, которые не имело от природы. Отдельные зерна металла, которые до прокатки располагались в его массе в беспорядке, в процессе сильного обжатия вытягивались и образовывали длинные волокна. Мягкое и ломкое железо становилось после этого упругим и прочным.

К концу столетия техника проката настолько усовершенствовалась, что этим способом стали получать не только сплошные, но и пустотелые изделия. В 1885 году братья Меннесманы изобрели способ прокатки бесшовных железных труб. До этого трубы приходилось изготовлять из железного листа, — их сгибали и сваривали. Это было и долго, и дорого. На стане Меннесманов круглую болванку пропускали между двумя косо друг к другу поставленными валками, действовавшими на нее двояким образом. Во-первых, вследствие сил трения между валками и заготовкой последняя начинала вращаться. Во-вторых, из-за формы валков точки средней их поверхности вращались быстрее крайних. Поэтому, из-за косого расположения валков заготовка как бы ввинчивалась в пространство между ними. Если бы болванка была твердой, она бы не смогла пройти. Но так как ее предварительно сильно разогревали до белого каления, металл заготовки начинал скручиваться и вытягиваться, а в осевой зоне проходило его разрыхление — возникала полость, которая постепенно распространялась по всей длине заготовки. Пройдя через валки, заготовка насаживалась на специальный стержень (оправку), благодаря чему внутренней полости предавалось правильное круглое сечение. В результате выходила толстостенная труба.

Чтобы уменьшить толщину стенок, трубу пропускали через второй так называемый пилигримный прокатный стан. Он имел два валка переменного профиля. При прокатке трубы расстояние между валками сначала постепенно уменьшалось, а затем делалось больше диаметра трубы.

Каково же устройство современных прокатных станов? Слиток обычно проходит через несколько прокатных станов.

Для распечатки — вывода на бумагу, картон, пленку или на другой материал результатов работы компьютера используют автоматические печатающие устройства — принтеры (от английского print — «печать», «шрифт»).

Весь ассортимент производимых принтеров почти исчерпывается четырьмя принципами работы: принтеры на основе ударных технологий, принтеры на основе электрографических технологий, принтеры на основе струйных технологий, принтеры на основе термических технологий. Остальные способы печати носят узкоспециализированный или экспериментальный характер.

Старейшая технология печати — электрографическая. Первый подобный копировальный аппарат был изобретен еще до Второй мировой войны. Но прошло немало времени, прежде чем на основе этой технологии были созданы принтеры. Принцип их работы заключается в том, что на поверхности светочувствительного узла наводится заряд, соответствующий нужному изображению. Этот заряд притягивает тонерный порошок в соответствующих точках. Затем тонер переносится прямо на бумагу или на промежуточный носитель, с которого уже попадает на бумагу. Тонер буквально припекается к бумаге в специальном нагревателе, чтобы сделать изображение устойчивым.

По способу наведения заряда принтеры этого типа разделяются на лазерные и светодиодные.

Работа лазерных принтеров напоминает процесс ксерокопирования. Разница только в том, что вместо лампы используется тонкий лазерный луч, который попадает на поверхность фотобарабана через зеркальную призму. По мере вращения призмы луч перемешается вдоль барабана, и формируется строка. При повороте барабана происходит смена строк. В результате на поверхности барабана образуются группы электростатических зарядов, соответствующие заданному изображению. Далее тонер подзаряжается и подается на барабан, а изображение переносится на лист бумаги или пленку и закрепляется в электронагревательном устройстве — «печке». Именно поэтому вышедшие из лазерного принтера листы теплые.

Лазерный принтер гарантирует высокое качество печати, работает он быстро и почти бесшумно. Правда, стоимость сменного картриджа, включающего в себя емкость с тонером и сам фотобарабан, довольно высока. Наибольшее распространение получили принтеры, печатающие до 12–16 страниц в минуту, а также более скоростные (20–24 страницы).

Используя тонеры разных цветов, можно получить изображения, похожие на фотографии. Однако скорость цветной печати ниже, а цена одной копии — выше.

В светодиодном принтере есть линейка из большого числа импульсных светодиодов — электрических устройств, излучающих свет. Светодиоды располагаются вдоль поверхности фотобарабана по одному на каждую точку. Сочетание сигналов светодиодов на строке и формирует изображение. Это позволяет уменьшить количество движущихся частей и оптических устройств в конструкции принтера. Качество печати таких принтеров высокое, изображение по краям листа не искажается.

В ударных технологиях между печатающим элементом принтера и бумагой помещается красящая лента — обычно в картридже, оборудованном механизмом перемотки ленты. Печатающий элемент наносит удар по красящей ленте, под действием чего краситель попадает на бумагу.

Принципиально различаются два варианта. Первый — печатающий элемент оформлен в виде готового знака (символа). Он был широко распространен в прошлом, поскольку обеспечивал четкую печать символов текста при высокой скорости. Требования к печати графической информации к устройствам этого типа не предъявлялись; для этой цели использовались графопостроители. По мере расширения сферы применения компьютеров печать готовыми знаками постепенно утратила свои позиции, поскольку при ней невозможно менять размер символов, набор символов ограничен, возможности графической печати минимальны.

Главная причина, приведшая к созданию плавучего плацдарма — это безусловная выгода при выводе космических объектов на так называемую геостационарную орбиту. На ней, расположенной в плоскости экватора на расстоянии около 36000 километров от поверхности Земли, размещают обычно спутники связи.

Запуск с экватора позволяет не только обойтись без сверхэнергоемких маневров для поворота плоскости орбиты спутника, но и использовать при пуске ракеты-носителя дополнительный прирост скорости за счет вращения Земли. Таким образом, при той же мощности можно вывести гораздо больший полезный груз.

Но нет ни одной страны, расположенной на экваторе, где можно было бы обеспечить столь необходимую для космических запусков стабильность — сейсмическую, климатическую и политическую. Отсюда возникла идея создания плавающего, то есть передвижного, космодрома.

Интересно, что проект морского старта дважды обсуждался еще в СССР. Что неудивительно — Байконур слишком далеко от экватора, в результате чего тот же «Протон» выводит на геостационарную орбиту только 1800 килограммов, тогда как на траекторию к Марсу — около пяти тонн! Однако в итоге проект отвергли как фантастический.

Снова РКК «Энергия» заинтересовалась им, когда ученые начали обдумывать способ выброса в дальний космос радиоактивных отходов. Для этого стала прорабатываться концепция переделки супертанкера в стартовую площадку. В итоге концепция превратилась в одно из самых дерзких инженерных свершений конца XX столетия.

Для осуществления замысла «Морского старта» был создан международный консорциум в составе США, России, Норвегии и Украины. Координация работ была возложена на американскую аэрокосмическую компанию «Боинг». Она же оборудовала всем необходимым порт основного базирования плавучего космодрома в Лонг-Биче. Кроме того, она произвела обтекатели для запускаемых аппаратов. Также «Боинг» обеспечил их сопряжение в единую космическую головную часть, которая, в свою очередь, затем была состыкована с ракетой-носителем.

Главный представитель России в проекте «Морской старт» — ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королёва. На нее возложили задачу производства верхней (в данном случае — третьей) ступени носителя, непосредственно выводящую спутник на требуемую орбиту. Этот разгонный блок хорошо себя зарекомендовал в качестве четвертой ступени ракеты «Протон» для запуска межпланетных станций и тех же спутников связи. Для «Морского старта» его, конечно, пришлось доработать. Впрочем, доработке подверглись и прочие составляющие этого международного комплекса.

Корпорация «Энергия» также разработала автоматизированные системы управления подготовкой, пуском и полетом ракеты и измерительный комплекс. Корпорация же координирует создание и монтаж ракетного оборудования в целом.

Кроме «Энергии» в проекте «Морской старт» участвуют КБ транспортного машиностроения, НПО автоматики и приборостроения, НПО «Криогенмаш», КБ транспортно-химического машиностроения, завод «Атоммаш», завод «Арсенал» и другие.

Всем, что связано непосредственно с морской частью проекта, занимается крупнейшая в мире норвежская морская корпорация «Квернер». На принадлежащей ей в шотландском городе Глазго верфи «Квернер-Говен» построено СКС — сборочно-командное судно «Си Лонч Коммандер». Его длина — 203 метра, ширина — 33 метра, водоизмещение — около 30000 тонн. На СКС расположен цех-ангар для сборки ракеты, комплекс автоматизированных систем управления подготовкой и пуском, командный пункт управления полетом и другими системами.

«Генное ружье» — металлическая конструкция, сильно смахивающая на микроскоп. Этот прибор позволяет и животных, и человека «обстреливать» генами — частицами наследственной информации.

«Еще неизвестно, что оставит больший след в истории: автомат Калашникова или вот это ружье Колесникова, — говорит профессор Александр Зеленин, руководитель лаборатории Института молекулярной биологии РАН. — Наш сотрудник фактически в одиночку придумал и сделал то, над чем в США корпели целые коллективы.

Сначала эта идея использовалась для работы с трансгенными растениями. У растительных клеток очень толстые стенки, в них трудно ввести чужие гены привычными для биологов методами. Вот американцы и предложили применить энергию выстрела — это намного эффективнее и дешевле. Идей, как сделать такое ружье, было выдвинуто много, они публиковались и обсуждались. На какой конструкции остановились в реальности, до сих пор неизвестно — коммерческая тайна. Вскоре мы первыми в мире выяснили, что точно так же можно "обстреливать" клетки животных и людей».

«Кандидат биологических наук Виктор Колесников, — пишет в газете «Известия» Татьяна Батенева, — придумал конструкцию ружья, которая проще и остроумнее предложенных американцами. И вовремя. В последние три года в мире наблюдается настоящий бум работ с применением генного ружья, которое оказалось, в частности, просто незаменимым прибором для медицинских генетиков. У них сразу возник вопрос можно ли его использовать для генной терапии — одного из главных направлений медицины будущего. Оказалось, ружье можно применить для решения множества лечебных задач.

Белый кролик, недовольно дергая носом, сидит в специальном приспособлении, которое не дает ему двигаться. Его розовое ухо — под прицелом ружья. Негромкий щелчок — и в ухо влетает смесь из микроскопических частиц золота и вольфрама, на которые "подвешены" нужные гены. Своеобразной ракетой-носителем для смеси служит тончайший пыж из тефлона, который энергией взрыва гремучей ртути разгоняется в ружье до 500 метров в секунду. Затем пыж резко тормозится, а пылинки золота и вольфрама вместе с генами продолжают полет, пробивая до десяти слоев клеток… Пройдет какое-то время, и гены, встроившись в наследственный аппарат животного, запустят процесс выработки нужных белков».

«Метод можно использовать в разных целях, — убежден Зеленин. — Например, для лечения наследственных болезней, когда собственные гены больного не обеспечивают выработку нужных организму веществ. Для введения "лечебных" генов в раковые клетки или в раны, чтобы они быстрее заживали. Эта идея, кстати, очень заинтересовала американских военных. Наконец, метод будет незаменим для безопасной и высокоэффективной вакцинации».

Как известно, любая вакцина — это белок. Вакцина, попадая в организм, вызывает естественный иммунный ответ — образование защитных антител. Таким образом, организм получает прививку от потенциальных болезней. Однако белок очень трудно очистить от примесей. Поэтому нередки случаи, когда после прививок возникают аллергические реакции. Другое дело выстрел золотой пулей. В организм сразу вводится необходимый ген. Он быстро запускает процесс производства антител естественным путем.

А не опасен ли такой способ вакцинации? «Однажды в ходе эксперимента я случайно подставил под ружье руку, — рассказывает Виктор Колесников. — Ощущение легкого ожога или ссадины. Но следов на коже не осталось».

Изобретатель продолжает совершенствовать конструкцию своего прибора. По прикидкам Колесникова, в серийном производстве российское «генное ружье» должно стоить в десять раз меньше, чем американское. Последнее «тянет» на 30000 долларов.

Пожалуй, сегодня чаще всего лазер используется для операций на глазах. Всем известны успехи знаменитой клиники Святослава Федорова. Но восстановлением зрения, к счастью, его применение не ограничивается. Ежегодно более 150000 жителей России нуждаются в операциях по поводу ишемической болезни сердца, то есть недостаточного кровоснабжения ткани сердечной мышцы.

Такие люди рано или поздно становятся пациентами хирурга. Для того чтобы решить, что делать с больным, проводится тщательное диагностическое исследование — коронарография. По ее результатам врач делает выводы. Если поражен один сосуд, его можно расширить катетером, подобная операция называется ангиопластика. У других больных поражение множественное, тогда им предписывают операцию аортокоронарного шунтирования. Такую успешно сделали первому президенту России Б.Н. Ельцину. Однако иногда тонкие коронарные сосуды настолько забиты атеросклеротическими бляшками, что аортокоронарное шунтирование невыполнимо. Таких пациентов может спасти лишь трансмиокардиальная реваскуляризация — операция с помощью лазера. Ее суть состоит в создании новых сосудов в мышце сердца.

Эта уникальная операция разработана россиянами — директором Научного центра сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева, академиком РАМН Лео Бокерия и его коллегами.

«Известно, что у ряда видов пресмыкающихся коронарных сосудов вообще нет, — рассказывает Бокерия Борису Самойлову, корреспонденту журнала «Техника — молодежи». — Их сердечная мышечная ткань получает кислород непосредственно из полости миокарда. Идея наших ученых в том, чтобы пробить лазерным лучом через всю толщу сердца от 45 до 70 микроскопически узких сквозных отверстий в разных направлениях и получить сеть канальцев. Позже канальца в процессе нормальной физиологической эволюции начинают между собой сообщаться. В результате они создают новую кровеносную систему сердца. Только так можно помочь больному. Ведь старые сосуды восстановить уже нереально — они "намертво" закупорены бляшками, оттого кровь не поступает к некоторым участкам сердца. Через них-то мы и пробиваем канальцы. Операция проходит без подключения системы искусственного кровообращения. Это ведет к снижению травматизма во время операций и сокращает их по времени».

«Лазер у нас особый и заслуживает хотя бы нескольких слов. Он функционирует на углекислом газе, но не в том его уникальность, установки с двуокисью углерода в качестве рабочего тела известны. Главное в другом: наш лазер обладает огромной мощностью, и его воздействие нетрудно синхронизировать с тем или иным этапом работы сердца — в данном случае с диастолой, периодом, когда оно "отдыхает" от очередного сокращения. Именно тогда лазерная установка наносит разряд длительностью 10–20 мс и мощностью 800 Вт — в итоге образуются очень узкие канальцы с идеально ровными краями. Последнее обстоятельство крайне важно, чтобы вновь образованные сосуды сразу не забивались, чтобы в них не формировались дополнительные источники тромбообразования. Иного способа, более эффективного и безопасного, нынешняя медицинская практика предложить не в силах; теоретически-то, конечно, можно придумать что угодно…»

Габариты лазерной установки для трансмиокардиальной реваскуляризации внушительны, потому что огромна его мощность. Мощность нужна затем, чтобы все сделать быстро и точно в удобный момент, и не зависеть от толщины мышечной ткани стенки сердца. Ее толщина у разных людей и на разных участках колеблется от 10 до 35 миллиметров.

Лазерная установка — совместный продукт Центра лазерных технологий, Научного центра сердечно-сосудистой хирургии им А.Н. Бакулева и ФИАНа. Ее конструировали специально для лазерной хирургии сердца. С виду аппарат очень напоминает бормашину, только заметно крупнее.