Электрический прожектор

(боевой фонарь, нем. Scheinwerfer, франц. projecteur électrique, англ. search-light) есть оптический прибор, служащий для освещения отдаленных предметов, с целью сделать их издали видимыми, и применяемый главным образом в военно-морском деле для розыска ночью неприятельских судов. Идея прож. заключается в следующем. Если мы желаем осветить из данной точки А какой-либо отдаленный на расстояние D предмет b, то должны были бы в А установить источник света такой силы S, чтобы освещение S/D² (см.), даваемое им на расстоянии D, было бы достаточно для ясного видения предмета В из А; если бы мы таким путем желали достичь на расстоянии D = 1000 м (около 1 версты) только силы лунного освещения (около 0,16 м — свечи), то нам пришлось бы установить в А источник света в S = 160000 свечей! Такой источник (практически немыслимый) давал бы нам одинаковое освещение по всем направлениям; если сосредоточить значительную часть света, по всем направлениям разбрасываемого источником, в одном каком-либо направлении, то можно было бы значительно усилить освещение в этом направлении, а, следовательно, обойтись более слабым источником света. Для этого сосредоточения лучей в одном направлении могут служить оптические чечевицы или зеркала. Если в фокусе F вогнутого зеркала АА' или собирательной чечевицы BB' (рис. 1) поместить светящуюся точку S, то часть пучка расходящихся лучей, которая лежит в угле SAA' и SBB' (угол захвата) и падает на зеркало или чечевицу, отразится или преломится в виде параллельного пучка света (см.), который теоретически распространяется без ослабления (кроме поглощения в среде, по которой он проходит) вдаль, и сосредоточивает на CD все то количество света, которое лежало в угле захвата.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЖЕКТОРЫ. Рис. 1. Рис. 2. Рис. 3. Рис. 6. Рис. 7. Рис. 10. Рис. 12.

Чем больше отверстие зеркала или чечевицы в сравнении с фокусным расстоянием, т. е. чем больше угол захвата, тем большее количество света данное приспособление соберет и направит вдаль. В действительности дело обстоит не так просто; во-первых, шаровое зеркало или обыкновенные чечевицы, ограниченные шаровыми поверхностями страдают сферической аберрацией (см.), вследствие которой, даже в случае источника света в виде точки, лучи пойдут не вполне параллельным пучком (когда центральные лучи пойдут параллельным пучком, краевые дадут пучок сходящийся, рис. 2). Во-вторых, источника света в виде точки не существует, а всякий источник будет всегда иметь конечные размеры; из рис. 3, где ас изображает источник света, видно, что даже при отсутствии сферической аберрации от зеркала получится расходящийся пучок света, угол расхождения которого α будет равен углу Аса, под которым виден источник света с поверхности зеркала; угол расхождения будет, очевидно, тем больше, чем больше поверхность источника и чем меньше фокусное расстояние оптической системы. Сферической аберрации можно избежать, применяя параболические зеркала (см.) или зеркала и чечевицы более сложной конструкции. Угол расхождения можно уменьшить, применяя источники света малой поверхности, но большой силы света (большой яркости, см.); заметим, что некоторый небольшой угол расхождения прож. должен всегда иметь, иначе диаметр даваемого им пучка света на всех расстояниях будет не больше диаметра опт. системы, что при практически допустимых размерах прож. делало бы его абсолютно бесполезным. Таким образом, всякий прож. состоит 1) из источника света, 2) из оптической системы. В качестве источника света применяют почти исключительно вольтову дугу постоянного тока между угольными электродами; характерные особенности этого источника света (см.) — чрезвычайно небольшая поверхность, излучающая свет (кратер положительного угля, излучающий до 85 % всего света, даваемого всей дугой) и необыкновенная яркость этой поверхности — делают его особенно применимым в прож. Что касается оптической системы, то она сильно менялась с течением времени. Первые прож., появившиеся в Австрии около 1867 г., были снабжены металлическими сферическими, а затем параболическими зеркалами. Они поглощали столь много света (до 50 %) и зеркала их столь быстро тускнели на воздухе, что Соттер (Sautter) во Франции заменил их в 1867 г. Френелевыми чечевицами вроде тех, которые применяются и до сих пор в маячном освещении (см.). Эти чечевицы, составленные из отдельных кольцевых частей для уменьшения сферич. аберрации, уменьшения толщины стекла и удешевления всей системы, дополнялись еще обыкновенно кольцевыми призмами abcde с полным внутренним отражением (рис. 4), тоже направлявшими падающие на них лучи параллельно оси всей системы; посредством таких чечевиц Френелю удавалось достигать угла захвата до 120°.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЖЕКТОРЫ. Рис. 4. Рис. 5. Рис. 8. Рис. 9. Рис. 11.

Эти чечевицы представляют большие трудности в изготовлении и при всех их достоинствах имеют тот крупный недостаток, что небольшие смещения источника света вдоль оси системы делали пучок выходящего света совершенно неоднородным (на рис. 4 видно, что при удалении источника из f в f ' лучи, падающие на кольцевые чечевицы, делаются сходящимися, лучи же, падающие на кольцевые призмы, делаются расходящимися, вследствие чего получится пучок с темным пятном в центре). Несмотря на этот недостаток, прож. этого рода, изготовлявшиеся фирмой Sautter, Lemonnier et С° в Париже, были установлены на многих судах, между прочим, у нас на "Ливадии" и на "Петре Великом". С развитием минного дела и изобретением самодвижущихся мин вопрос о прож. приобрел жгучий интерес, так как прож. являлись единственным средством для распознавания ночью миноносцев вдали, а, следов., и для возможности успешного отражения минных атак; прож. с системами Френеля плохо удовлетворяли повысившимся по отношению к этим приборам требованиям. Огромным успехом явилось изобретение в 1876 г. полковником Манженом (Mangin) его "сферического катадиоптрического рефлектора". Этот рефлектор (рис. 5) представляет вогнуто-выпуклую стеклянную чечевицу, радиусы кривизны которой не одинаковы, и выпуклая сторона которой посеребрена. Поверхностям первых зеркал Манжена придавалась такая кривизна, чтобы 1) фокус всей системы находился почти в центре кривизны вогнутой шаровой поверхности, вследствие чего лучи проникают в массу стекла почти без преломления; 2) система обладала при возможно большом отверстии возможно малой сферической аберрацией. При выполнении этих условий удается соответственным подбором радиусов кривизны (если принять фокусное расстояние за единицу, то радиус вогнутой поверхности получался около 1,2, радиус выпуклой около 1,6) изготовлять зеркала с углом захвата в 80°, которые практически совершенно лишены сфер. аберрации. Этим путем Манжену удалось достигнуть следующих преимуществ: 1) отражение происходит от слоя серебра, отражающего до 90° падающего на него света; 2) посеребрение, как в обыкновенном зеркале, совершенно защищено; 3) сферич. аберрации практически нет. Прож. с зеркалами Манжена изготовлялись с 1876 г. Sautter, Lemonnier et С°; наследники этой фирмы Sautter, Harlé et С° еще увеличили угол захвата, допустив более сильное преломление лучей и при первом падении их на зеркало, и достигли таким образом зеркал, у которых диаметр в 1,3—1,5 раза больше фокусного расстояния (угол захвата до 110°) и сферич. аберрация ничтожно мала. Успехи Манжена привлекли внимание конструкторов к прож. и вскоре появились близкие друг к другу предложения В. Н. Чиколева (см.) в 1883 г. и Сименс и Гальске в 1884 г. строить прож. с параболическими стеклянными зеркалами, но ввиду трудностей изготовления таких цельных зеркал составлять их из отдельных колец, каждое из которых обладает шаровой поверхностью, но с другим радиусом. Большие технические трудности изготовления не дали возможность развиться этим идеям, и только когда в 1885 г. проф. Мункер в Нюрнберге дал первое практическое решение вопроса о шлифовании больших стеклянных параболических зеркал, прож. с такими зеркалами вновь появились. Фирма Шуккерт и К°, изготовляющая прож. с параболическими зеркалами, готовит последние в виде тонкостенных стеклянных зеркал везде однородной толщины с посеребренной задней поверхностью; зеркала эти, несмотря на огромное отверстие (диаметр в 2—2,2 раз больше фокусного расстояния), отличаются необыкновенным совершенством, и прож. по системе Шуккерта находят теперь все большее и большее применение. Вопрос о том, какой тип рефлектора — Манжена или Шуккерта — теоретически совершеннее, является весьма спорным; в нашем флоте пользуются почти исключительно типом Манжена [Зеркала Шуккерта значительно легче зеркал Манжена, в которых толщина стекла на краях у больших зеркал достигает до 10 см; зато зеркала Шуккерта более хрупки, хотя вследствие однородной толщины представляют больше гарантий против лопания от нагревания. Хроматическая аберрация, в которой обыкновенно упрекают зеркала Манжена, на практике не играет никакой роли.]. Что касается источника света, то в первых прожекторах применялись дуги с вертикальными углями, но скоро перешли (Соттер) к дугам с углями, наклоненными под углом около 30° к вертикальной линии, чтобы большая часть кратера посылала свет на зеркало. Шуккерт ввел лампы для прож. с горизонтальными углями, поставленными вдоль оси зеркала так, чтобы кратер положительного угля находился в фокусе и смотрел на зеркало; с 1894 г. эти дуги начали применять и к прож. Манжена. Это расположение является теоретически наиболее совершенным и теперь почти исключительно применяется. Регуляторы для этих вольтовых дуг должны обладать высоким совершенством, так как малейшее перемещение кратера вдоль оси вызывает изменение в угле расхождения лучей; лампы для прож. обыкновенно снабжаются, кроме того, еще приспособлением для выключения автоматической регулировки и для установки углей вручную. Что касается освещающей способности прож., то теоретические исследования, главным образом, Блонделя (Blondel), показали, что почти все относящиеся сюда свойства прож. могут быть объединены с достаточной для практики точностью в одном законе: прож. дает на большом расстоянии освещение во столько раз большее, чем источник внутри него, во сколько раз квадрат диаметра зеркала больше квадрата диаметра источника света. Этот закон может быть высказан еще иначе: прож. дает на большом расстоянии освещение такое, какое давал бы светящийся круг диаметра зеркала, если бы он сам светился с той яркостью, какую имеет источник света. Так как яркость кратера дуги равна около 130—150 свечей на 1 кв. мм, то прож. в 1 м диаметром дает на большом расстоянии такое же освещение, какое давал бы источник в [π(1000)²/4]130 = около ста миллионов свечей! Это число называют силой света прож. Из вышеприведенного закона следует, что сила света прож. не зависит ни от его фокусного расстоянии, ни от угла захвата; этот результат, кажущийся парадоксальным, получается лишь потому, что рассеяние вследствие конечных размеров источника света растет вместе с уменьшением фокусного расстоянии и увеличением угла захвата. Кроме того, теория предсказывает и опыт подтверждает, что при данном прож. сила света его будет мало увеличиваться даже при значительном увеличении силы тока, питающего дугу, так как с увеличением силы тока будет расти только диаметр кратера (см.), а яркость его остается одной и той же самой. Так как из прож. исходит расходящийся пучок света (угол расхождения в большинстве современных прож. около 3°), то освещение, даваемое прож., падает с увеличением расстояния от него; на больших расстояниях можно принять, что освещение от прож. падает обратно пропорционально квадратам расстояний от прож. В пучке света от прож. сильнее всего освещен центр его, а к краям освещение заметно падает; распределение освещения в пучке графически изображено кривой А на рис. 6, где горизонтальные расстояния от центра изображают углы от оси пучка, а вертикальные высоты — силу освещения.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЖЕКТОРЫ. Рис. 6. Рис. 7.

Объяснение двух других кривых В и С дано дальше. Внешний вид Э. прожектора (в 75 см диам. с парабол. зеркалом завода Salmoiraghi в Милане) дан на рис. 7, разрез Э. прожектора (Шуккерта в 60 см) дан на рис. 8.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЖЕКТОРЫ. Рис. 8.

Зеркало А помещается в дне металлического цилиндрического кожуха В, перед зеркалом дуга С, механизм которой D помещен под кожухом. Передняя открытая часть кожуха прикрыта стеклом E, предохраняющим (рис. 7) зеркало и лампу от пыли, дождя и т. п.; стекло, сильно нагревающееся при работе прожектора, часто не цельное, которое могло бы лопнуть от нагревания или сотрясения, а состоит из ряда плотно сдвинутых вертикальных стеклянных полосок. Так как Э. прожектор устанавливается (в особенности на судах) иногда довольно высоко или в труднодоступных местах, и так как наблюдателю, как увидим дальше, выгодно находиться по возможности далеко от Э. прожектора, то в настоящее время все большее число судовых Э. прожекторов снабжаются особыми движущими электрическими механизмами, которые позволяют издали управлять Э. прожектором — вращать его вокруг вертикальной оси и наклонять его под желаемым углом к горизонту. Э. прожектор должен служить, вообще говоря, трем целям: 1) освещать очень ярко ограниченную часть горизонта в 2—3°; 2) освещать менее ярко, но равномерно, более широкую часть горизонта в 10° — 30°, и 3) служить для целей сигнализации, т. е. давать вспышки и затемнения света по желанию. Для первой цели служит Э. прожектор в том виде, как мы его описали. Для второй цели Э. прожектор снабжают развивающими стеклами, состоящими из ряда стеклянных пластинок, плоских с одной стороны и цилиндрических с другой (рис. 9), собранных в круглую раму (рис. 10), одеваемую на передний срез кожуха.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЖЕКТОРЫ. Рис. 10.

Эти пластинки Z, действуя как собирательные чечевицы, превращают параллельные, падающие на них пучки света в сходящиеся (по линии ff₁, рис. 9), которые затем сдут расходящимся веером дальше; угол расхождения пучка (в наших Э. прожекторах Манжена около 12°) тем больше, чем короче фокус цилиндрических чечевиц. По предложению Нерца фирмы Шуккерт и Соттер-Арле готовят теперь двойные рассеивающие системы из двух рядов цилиндрических стекол (рис. 11), обращенных друг к другу плоскими сторонами.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЖЕКТОРЫ. Рис. 11.

Каждый ряд стекол вделан в свою раму и обе рамы расположены друг против друга так, что расстояние между ними может быть изменяемо; на рис. 8 видны эти рамы М и N и рукоятка Р, посредством которой меняют расстояние между ними. Если рамы находятся на расстоянии, равном сумме фокусных расстояний чечевиц, то параллельный пучок света, падающий на первую раму, выходит также параллельным и из второй рамы. При сближении рам пучок света делается расходящимся, причем соответственным сближением рам углу расхождения можно даль желаемую величину до 50°. Распределение освещения в рассеянном пучке в горизонтальном направлении довольно равномерное; оно показано для 12° на кривой В рис. 6, где кривая С дает распределение в в вертикальном направлении. Для целей сигнализации прожекторы снабжают приспособлением, позволяющим быстро закрывать и открывать свет. Для этой цели служит либо небольшой щиток, закрывающий вольтову дугу со стороны зеркала, либо занавески, либо особые шторные крышки, состоящие наподобие жалюзи из отдельных пластин, которые либо становятся параллельно пучку, пропуская свет, либо ложатся перпендикулярно пучку, прикрывая отчасти друг друга и закрывая свет. Эти пластинки FF видны на рис. 11. Некоторые данные для Э. прожекторов Шуккерта приведены в следующей таблице, где в столбце I дан диаметр зеркала в см, во II — фокусное расстояние его в см, в III — сила тока дуговой лампы в амперах, в IV — диаметр кратера в мм, в V — угол расхождения, в VI — средняя сила света дуги в свечах, в VII — сила света Э. прожектора, в VIII — диаметр в метрах освещенного поля на расстоянии 1000 м, в IX — освещение в м св. на расстоянии 100 м при среднем поглощений света в атмосфере (10,4 % на км), в Х — тоже для 2000 м.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| I         | II         | III        | IV          | V           | VI          | VII                    | VIII         | IX         | X           |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 40       | 20       | 30       | 9,5         | 2°43'      | 5000      | 8000000           | 47          | 7,17     | 1,6         |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 60       | 25       | 60       | 12,1       | 2°47'      | 12400    | 27200000         | 48          | 24,3     | 5,5         |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 90       | 38       | 90       | 16,7       | 2°32'      | 22500    | 61000000         | 44          | 54,7     | 12,3       |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 150     | 65       | 150     | 23,0       | 2°2'        | 46400    | 180000000        | 36          | 161,0    | 32,3       |

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Главное применение Э. прожекторы находят на военных судах. Э. прожекторы устанавливаются на судах на боевых марсах, на особых площадках у мачт, на мостиках, вообще в таких местах, чтобы Э. прожектор позволял светить по возможности по всем направлениям, не подвергался сильным сотрясениям и действию орудийных и дымовых газов и не действовал на компасы. Размеры и число Э. прожекторов зависит от размеров корабля и его назначения; на броненосцах и больших крейсерах ставят 75—90 см. Э. прожекторы, на небольших крейсерах — 50—60 см, на миноносцах, минных истребителях и т. п. судах — 40 см. Э. прожекторы. Число Э. прожекторов на больших судах доходит до 6, причем 2 из них устанавливают на марсах или мачтовых площадках, а 4 на выступах мостиков; средняя высота установки Э. прожектора обыкновенно равна 30—40 футам над орудиями верхней палубы. Для наблюдения предметов, освещаемых Э. прожектором, выгодно, чтобы наблюдатель помещался возможно вдали от Э. прожектора, чтобы глаза его не ослеплялись рассеянным светом от Э. прожектора; кроме того, важно, чтобы наблюдатель видел предмет не сквозь толщу всего светового пучка, так как рассеянный в атмосфере (в особенности в сырую погоду) свет как бы застилает собой предмет; вообще важно, чтобы (рис. 12) угол aFb между падающими от Э. прожектора лучами а и лучами b, отраженными от предмета, был возможно больше и ближе к 90°.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЖЕКТОРЫ. Рис. 12.

Дальность освещения (радиус действия) Э. прожектора, или то наибольшее расстояние, на котором освоенный Э. прожектором предмет может еще быть различаем наблюдателем, находящимся на том же корабле, где установлен Э. прожектор, зависит, конечно, от множества причин — от темноты ночи, от прозрачности воздуха, от размеров и окраски наблюдаемого предмета. Если предположить ясную погоду и в качестве предмета большие суда, то опыт дает для радиусов действия 90 см Э. прожектора — около 4 морских миль, 75 см — около 3 миль, 60 см — около 2 миль, 40 см — около 1 мили; миноносец лишь в редких случаях может быть открыт 75 см Э. прожектором дальше, чем за 1 милю. Э. прожекторы находят также применение в крепостях и береговых укреплениях, где их стараются установить по возможности защищенными, применяя иногда даже совершенно укрытые Э. прожекторы, свет которых направляется наружу посредством зеркал. В полевой войне применяют перевозные Э. прожекторы и для питания их током особые перевозные электрические станции с динамо-машиной, приводимой в движение паровым или керосиновым двигателем.

Литература. Теорию Э. прожекторов см. A, Blondel. "Théorie des projecteurs électriques" (Париж, 1894); В. Чиколев и В. Тюрин, "Осветительная способность прожект. электрич. света" (СПб., 1891); В. Чиколев, "О поверке рефлекторов электрического света фотографированием" (СПб., 1892, также "Артилл. Журнал", 1892 и 1893 г.); Patrizi, "Ricerche teoriche sui sistemi di projezione" (Милан, 1903). Краткая теория и описание Э. прожектора см. Nerz, "Scheinwerfer und Fernbeleuchtung" (Штутгарт, 1899); Veitmeyer, "Leuchtfeuer und Leuchtapparate" (Мюнхен, 1900); B. v. Czudnochowski, "Das electrische Bogenlicht" (Лейпциг, 1906), Макаров, "Судовая электротехника" (СПб., 1903).

А. Г.