ПРИБОРЫ ДЛЯ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗЛУЧЕНИЯ В ПРОСТРАНСТВЕ

Одной из основных задач техники освещения и облучения является перераспределение энергии излучения источника в заданном направлении пространства. Эту цель выполняет целая группа приборов, называемая световыми приборами (СП). Они служат для концентрации потока излучения в объеме и на поверхности. С их помощью можно изменять физические свойства излучения, например спектральный состав или поляризацию. По своему функциональному назначению и конструктивному исполнению СП делятся на две большие группы: светооптические приборы и светильники. Приборы первой группы имеют светооптическую систему, включающую источник излучения и оптическую систему (отражающую, преломляющую). Они перераспределяют и концентрируют поток в пределах небольших телесных углов. К ним относятся прожекторы (военные, авиационные посадочные, киносъемочные, театральные, общего назначения для освещения промышленных и общественных объектов), фары (автомобильные, самолетные, транспортные и т.д.), маяки (морские, авиационные и т.д.), светосигнальные приборы (светофоры), различные проекционные аппараты. Светильники – приборы, включающие источник излучения и осветительную арматуру. Они предназначены для перераспределения потока излучения внутри значительных телесных углов и освещения объектов, находящихся на небольших расстояниях от прибора. К ним относятся светильники для освещения помещений (производственных, общественных, жилых, салонов транспортных средств и т.д.), открытых пространств (улиц, дорог, карьеров, туннелей, архитектурных сооружений и т.д.), объектов, находящихся под водой, под землей, в космосе.

В различных светотехнических установках России в 90‑х годах XX в. использовалось более 1,5 млрд. различных СП. Отечественной светотехнической промышленностью выпускалось ежегодно более 85 млн. СП, номенклатура которых составляла около 4 тыс. исполнений.

Первые светооптические приборы прожекторного класса появились в XVIII в. В 1763 г. в Англии для использования в морских маяках были созданы прожекторы с пластинчатыми отражателями. Несколько позже (1779 г.) в России также был построен первый прожектор. Его создал выдающийся русский изобретатель И.П. Кулибин (1735–1818 гг.). Этот прожектор имел пластинчатый отражатель, в котором зеркальные пластины выложены по параболоидному остову.

В конце XVIII в. во Франции стали применять уже сплошные металлические отражатели параболоидной формы. Дальнейшее совершенствование светооптической системы прожекторов связано с работами французского ученого О. Френеля (1788–1827 гг.). Для концентрации светового потока он предложил использовать ступенчатую линзу, которая в дальнейшем названа его именем. В настоящее время линзы О. Френеля являются одним из основных видов оптических систем СП прожекторного и проекторного типов. Дальнейшее развитие светооптических приборов было связано с военной техникой. В 1875 г. французский военный инженер полковник М. Манжен предложил использовать в военных прожекторах стеклянные отражатели. Они имели лицевую и тыльную концентрические сфероидные поверхности с различными радиусами кривизны и по оптическому действию были аналогичны стеклянным параболоидным отражателям. Последние в то время не могли изготавливаться с достаточной оптической точностью.

Большой вклад в развитие мирового прожекторостроения внес русский ученый В.Н. Чиколев (1845–1898 гг.). В статье, опубликованной в 1877 г., он первым высказал мысль о разработке полевых военных прожекторов. Он же в 1871 г. изобрел дифференциальный регулятор для дуговых ламп, которые применялись в прожекторах. В.Н. Чиколев предложил метод испытания на оптическую точность стеклянных параболоидных отражателей при помощи фотографирования сетки. Этот метод получил распространение во всем мире.

В.Н. Чиколев был не только практиком, но и теоретиком. Он сформулировал основные положения метода расчета светооптических приборов, названного методом элементарных отображений. В начале XX в. этот метод был признан во всем мире, а идеи русского ученого позднее были развиты французским исследователем К. Рибьером и американским Ф. Бенфордом.

Первая мировая война поставила много новых вопросов перед разработчиками СП. В то же время Октябрьская революция в России всколыхнула творческую активность народа. Начинает развиваться электроламповая промышленность, принят план ГОЭЛРО, происходит становление светотехнической подотрасли. Стране нужны новые СП с новыми источниками света и для различных областей применения.

Основные направления научно‑исследовательских работ в 20–40‑е годы были связаны с разработкой методов расчета СП в основном для освещения промышленных предприятий. Русскими учеными Н.Г. Болдыревым и Н.Н. Ермолинским были разработаны способы расчета СП с лампами накаливания (ЛН) с диффузными отражателями и рассеивателями. Для расчета СП с зеркальными отражателями Н.Г. Болдыревым и В.Д. Комиссаровым было найдено общее дифференциальное уравнение зеркальной поверхности. Оно устанавливало зависимость между текущим радиус‑вектором зеркальной поверхности и углами, координирующими падающие и отраженные лучи. Над разработкой методов расчета СП с ЛН и призматических СП работала целая плеяда ученых и инженеров, среди них А.А. Гершун, Б.Ф. Федоров и др.

Параллельно с теоретическими исследованиями в 20–40‑е годы шло становление и быстрое развитие промышленности по изготовлению СП. Большая заслуга в этом принадлежит Л.Д. Белькинду (1897–1969 гг.). В 1925–1926 гг. им совместно с П.М. Тиходеевым и Б.Ф. Федоровым разрабатываются конструкции первой серии промышленных светильников. С 1929 г. они начали серийно выпускаться. В 1934 г. вышла книга Л.Д. Белькинда «Электрические осветительные приборы ближнего действия (электрические светильники)».

В предвоенные годы разработка новой военной техники потребовала решения новых теоретических проблем в различных областях инженерных дисциплин, в том числе и в светотехнике. Необходимо было создавать светооптические приборы для сигнализации, авиационной и аэродромной техники, прожекторов дальнего действия, позволяющих визуально обнаруживать удаленные объекты, при различных метеорологических условиях. Для создания больших уровней освещенностей на больших расстояниях необходим был источник излучения повышенной яркости. В качестве такого источника стали использовать угольную дугу высокой интенсивности. Фундаментальные работы по изучению процессов горения дуг высокой интенсивности в 30–40‑е годы были проведены Н.А. Карякиным (1902–1985 гг.) в ВЭИ. Результаты экспериментальных исследований легли в основу созданной Н.А. Карякиным теории дуги высокой интенсивности, которая была защищена им как докторская диссертация в 1941 г. Н.А. Карякин написал монографию «Угольная дуга высокой интенсивности», которая и до настоящего времени не потеряла своей ценности. Однако основная творческая деятельность Н.А. Карякина связана была со светооптическими приборами. Блестящий математик с инженерной интуицией, он разработал теорию энергетического расчета этих приборов, которая известна в мире и актуальна до настоящего времени. Сам Н.А. Карякин утверждал, что его работа – это развитие метода элементарных отображений В.Н. Чиколева. Н.А. Карякин построил физически и математически стройную теорию элементарных отображений, позволяющую рассчитать как форму и габариты светооптического прибора, так и структуру и энергетику создаваемого им пучка излучения. Его теория позволяет учитывать как аберрационные, так и дисперсионные явления. Разработка этой теории приходится на 40–50‑е годы, когда отсутствовали ЭВМ. Она являлась единственно возможным путем энергетического расчета СП и отличалась аналитической простотой и физической наглядностью. Эта теория прошла проверку в трудных условиях военного времени 1941–1945 гг. В прожекторной лаборатории ВЭИ, руководимой Н.А. Карякиным, были проведены расчеты зенитных прожекторов с угольной дугой высокой интенсивности. Он участвовал в организации производства этих прожекторов, которые превосходили по дальности действия лучшие мировые образцы. За эти работы Н.А. Карякин был удостоен Государственной премии СССР и награжден орденом Ленина.

Н.А. Карякин является одним из основоположников отечественной авиационной светотехники. В 30–40‑х годах им в соавторстве с В.В. Кузнецовым и Ю.В. Фридом была опубликована серия статей под общим названием «Световые авиамаяки», в которой изложены методы расчета СП для авиационных трасс и взлетно‑посадочных полос. В этот же период он переводит и дополняет труды французского ученого А. Рокара, посвященные вопросам влияния атмосферы на формирование структуры светового поля прожектора и видимости удаленных объектов в прожекторном пучке.

Вопросам структуры светового поля, переноса световой энергии от СП через среду к приемнику излучения и влияния среды на структуру светового пучка посвящены работы А.А. Гершуна (1903–1952 гг.). В годы Великой Отечественной войны им была создана теория светомаскировки, разработаны методы маскировочного освещения и приборы для его контроля, схемы маскировочных светильников.

В дореволюционной России практически не была развита светотехническая промышленность. До 1929 г. в стране работала единственная арматурная фабрика, которая выпускала до 13 тыс. СП в год. В 1929 г. был создан завод «Электросвет» им. Н.Н. Яблочкова, а в 1930 г. Л.Д. Белькинд стал его техническим директором. С введением в строй этого завода, начавшего выпуск первой серии рациональных промышленных светильников, их производство в стране увеличилось в шесть раз. В 1927 г. на Московском электрозаводе был организован прожекторный отдел, на основе которого в 1932 г. был создан Московский прожекторный завод. На нем в предвоенные годы был налажен серийный выпуск прожекторов.

После Великой Отечественной войны светотехника становится одной из важных отраслей народного хозяйства СССР. В первые послевоенные годы вышли фундаментальные монографии и учебные пособия по светотехнике, которые стали известны во всем мире [9.14–9.19].

В 50–70‑е годы вводятся в строй новые промышленные предприятия в разных регионах СССР: Рижский и Ардатовский светотехнические заводы, Тернопольский завод «Электроарматура», завод «Светотехника» (г. Лихославль) и завод «Эстопласт» (г. Таллинн).

В этот период заметно увеличился выпуск и номенклатура прожекторов общего назначения, применяемых для освещения; светосигнальных, аэродромных, корабельных, самолетных, киносъемочных, театральных, телевизионных, подводных СП. Выполняются комплексы научно‑исследовательских и опытно‑конструкторских работ, направленные на конструктивное совершенствование СП, унифицирование их элементов, обеспечение наибольшего срока службы, надежности работы, наименьшей трудоемкости при их производстве, минимальной стоимости монтажа и эксплуатации.

Появление широкого ассортимента новых источников излучения – газоразрядных ламп низкого и высокого давления – потребовало разработки новых методов расчета СП. Продолжал развиваться и совершенствоваться метод элементарных отображений, который трудами Н.А. Карякина, В.В. Трембача и др. превратился в стройную теорию, которая с успехом применяется как для расчета светооптических приборов (учитывает аберрационные и дисперсионные явления), так и светильников с зеркальными отражателями и призматическими рассеивателями. Основные положения этой теории приведены в [9.15,9.18].

Больших успехов достигли отечественные светотехники (Н.А. Карякин, М.М. Елин, В.В. Кузнецов, В.В. Новиков, И.И. Спивак, Ю.В. Фрид и др.) в области расчета приборов прожекторного типа. Разработаны методы расчета одинарных и усложненных оптических систем с источниками излучения, обладающими сложными светящими телами с неравномерной яркостью, а также с линзовыми рассеивателями различных профилей.

Были разработаны методы расчета светильников с линейными светящими элементами (люминесцентные, трубчатые ксеноновые, кварцевые галогенные лампы). Большая заслуга в этом принадлежит Ю.Б. Айзенбергу, А.С. Зусману, Н.В. Чернышовой, В.В. Трембачу, Б.Н. Глебову.

Использование новых мощных источников излучения выдвинуло проблему улучшения теплового режима светильников. Благодаря исследованиям тепловых процессов в СП, проведенным в довоенные годы. Н.Г. Болдыревым и И.Б. Левитиным, во ВНИСИ были созданы конструктивные схемы, выбраны, размеры, формы и материалы новых типов СП различного назначения.

^{Рис. 9.8. Сферы применения современных СП}

Широкое внедрение вычислительной техники во все сферы народного хозяйства позволило сделать дальнейшие шаги в области расчета и разработки СП. Теоретические исследования Ю.Б. Айзенберга, А.А. Коробко, В.В. Трембача позволили использовать метод Монте‑Карло, метод «прямого и обратного» лучей применяемый в геометрической оптике для энергетического расчета светооптических систем. Практической реализацией этих работ явилось создание ВНИСИ целой серии СП для тепличных хозяйств и животноводческих комплексов. Рассчитаны, сконструированы и внедрены для целей освещения и облучения световые комплексы в виде плоских и полых световодов (Ю.Б. Айзенберг, А.А. Коробко, В.М. Пятигорский).

В последние десятилетия бурно развивается транспортная, сигнальная, авиационная, железнодорожная, автомобильная, космическая, водная светотехника. На рис. 9.8 приведена классификация современных СП.