Бюллетень №5

ПРИЦЕЛЫ В СИМУЛЯТОРАХ СЕРИИ ИЛ-2 БЗХХ И В ЖИЗНИ


Глава 1. Коллиматорный стрелковый прицел ПАК-1
В современных публикациях прицел «ПАК-1» обычно называют «копией французского прицела типа «Клэр» (самые продвинутые авторы пишут «Клэр» латинскими буквами: “Clair”), словно «Клэр» - это фамилия изобретателя или название какой-нибудь фирмы. Это не совсем так. Вернее, совсем не так, хотя слово «Клэр», действительно, имеет к нему прямое отношение. С годами произошла 
своеобразная игра в испорченный телефон, основу которой заложил, очевидно, военный инженер 1-го ранга Сергей Семенович Рукавишников. В своей книге «Воздушная стрельба» 1940-го года издания он изложил устройство и принцип действия прицела ПАК-1 в лучших традициях советской секретности – описав некий иностранный аналог под названием «коллиматорный прицел Клэр». 

Сам по себе коллиматор – это источник параллельных пучков лучей. В военном деле коллиматоры используют для искусственного создания бесконечно удаленной точки визирования. Простейший коллиматор состоит из объектива и плоской непрозрачной пластины с маркой (отверстием или щелью) или же матовой пластины со штрихами (сеткой), расположенной в фокусе объектива. Если пластинку с маркой осветить, то лучи от каждой точки марки, пройдя через объектив, будут исходить из него параллельными пучками с диаметрами, равными световому диаметру объектива. Между собой эти пучки не параллельны и образуют на выходе как бы расходящийся сноп. Если перемещать глаз в пределах одного светового пучка, то для наблюдателя точка, являющаяся источником данного пучка, будет казаться неподвижной и у него создастся иллюзия того, что она удалена от него на бесконечное расстояние. Совокупность точек создает изображение бесконечно удаленной марки (сетки).
На чертеже: точка а сетки создает световой пучок а’-а’-а’, точка b – пучок b’-b’-b’


Использовать коллиматор простейшего типа в качестве прицельного приспособления не очень удобно, поскольку глаз наблюдателя не видит, что находится непосредственно за сеткой. По этой причине такие прицельные приспособления делают небольшого диаметра так, чтобы цель была видна вокруг корпуса прицела и их использование оправдывает только их крайняя дешевизна и 
простота в изготовлении. Пример такого устройства: минометный прицел МП-82УС, марка коллиматора представляет собой вертикальную щель, прицел используется только для горизонтальной наводки, при этом марку коллиматора совмещают с каким-нибудь вертикальным предметом (дерево, угол дома и т. п.):

Разумеется, инженерная мысль не могла примириться с таким несовершенством и после первых опытов с использованием коллиматоров в качестве визирных устройств были разработаны такие коллиматоры, в которых элементы конструкции самого коллиматора не перегораживают поле зрения наблюдателя. Они получили название «чистые коллиматоры» (collimateur clair, clear collimator и т. п.). «Collimateur clair» оказалось возможным получить двумя различными способами. Французский астроном и инженер Генри Кретьен (Henri Chretien) встроил коллиматор в близкую ему по роду деятельности подзорную трубу и получил таким образом первый в мире авиационный оптический прицел телескопического типа. Он разработал сразу три варианта исполнения своего коллиматора – малый, средний и большой. Во время Первой мировой войны большой «коллиматор клэр» Кретьена в основном выпускали в Англии на оптических заводах Альдиса (Arthur Cyril Webb Aldis), откуда он распространился по всему миру; со временем про Кретьена все забыли и этот прицел стали называть просто «Альдис».



Ирландский оптик, сэр Говард Грабб (Howard Grubb) в 1900-ом году предложил расположить коллиматор перпендикулярно линии визирования и совместить изображение сетки и изображение цели с помощью полупрозрачного зеркала.


 Первый авиационный зеркальный, он же рефлекторный коллиматорный прицел, получивший практическое применение, был создан в 1918 году берлинской фирмой Ойги (Optische Anstalt Oigee). 

В 1925 году на основе идей, заложенных в прицел Ойги, французская фирма O. P. L. (Optique et Precision de Levallois) разработала свой первый зеркальный коллиматор для воздушного боя:


Несмотря на крайне схематичное изображение, на этой иллюстрации нетрудно увидеть все характерные черты прицела ПАК-1: массивный зажим головки прицела с разрезом сбоку, лампа подсветки в торце вертикальной трубы и крепление оптической системы к самолету кольцами с полусферической вставкой:


Примерно к этому же времени относится и сделанная в Липецке фотография самолета Fokker D.XIII с прицелом Revi 1 аналогичной конструкции: 



В 1931-ом году прицел O. P. L. был принят на вооружение французской авиации и получил вполне законченный вид:

В советском прицеле образца 1937 года ручку управления светофильтром перенесли налево, а в правой части головки прицела установили механический дублер:

Таким образом, никакого конкретного «коллиматорного прицела типа Клэр», а тем более "прицела фирмы Clair" никогда в природе не существовало, а словосочетание “collimateur clair” обозначает целую категорию оптических приборов, которые могут и не быть прицелами вообще. Исходя из конструктивных особенностей прицела ПАК-1, его непосредственным предшественником является 
французский прицел образца 1931-го года производства фирмы O. P. L. или же немецкий Revi 1 (изготовитель неизвестен). 

Кто из них был первым, а кто – вторым – еще предстоит узнать.


Основное преимущество любого коллиматорного прицела заключается в том, что стрелку не требуется располагать глаз точно на линии цель – мушка – рамка: прицельная сетка как бы неподвижно висит в воздухе, наложенная прямо на цель, и небольшие перемещения головы стрелка никак на нее не влияют. В то же время, коллиматорный прицел телескопического типа не является 
вполне «клэр» - поле зрения стрелка довольно заметно затеняется деталями оправы, особенно если надеть на нее резиновый буфер, предохраняющий стрелка от ударов о прицел. Самолет противника, находясь под обстрелом, обычно интенсивно маневрирует и если он попадает в зону, затененную оправой прицела, то стрелок может легко ошибиться в предсказании дальнейшей траектории его полета, что заставляет его нервничать и заметно снижает эффективность стрельбы. По этой причине 
телескопические прицелы со временем ушли в прошлое, уступив свое место зеркальным коллиматорным прицелам.


Воздушному стрелку удобно держать голову от прицела на некотором расстоянии, поэтому один из основных параметров коллиматорного прицела – максимальное удаление глаза от линзы прицела, при котором изображение сетки еще видно полностью. 

Ход лучей в коллиматорном прицеле описан во многих учебниках:


Отсюда видно, что высоту конуса видимости, (максимальное удаление глаза стрелка от прицела, на котором сетка прицела видна полностью) можно легко рассчитать по формуле:
h = d / b, где
d – световой диаметр объектива
b – наибольший угловой размер сетки (в радианах)
В этой формуле высота конуса видимости отсчитывается от оптического центра объектива, т. е. такой воображаемой точки, через которую все лучи проходят без преломления. Она находится где-то внутри системы линз, поэтому данная формула может использоваться только для предварительной прикидки с точностью примерно до половины толщины объектива. На практике используется точное значение, отсчитываемое от последней поверхности внешней линзы, оно обычно указывается 
непосредственно в описании прицела.
Пример:
Из описания прицела ПАК-1 известно, что:
Световой диаметр объектива составляет 50 мм.
Диаметр большого кольца сетки: 30,55 мм.
Фокусное расстояние объектива: 110 мм.
Необходимо найти высоту конуса видимости.
Решение:
Угловой размер внешнего кольца сетки: (30,55 / 110) * 1000 = 277,72 т. д. = 0,2777 рад.
Высота конуса видимости: 50 / 0,2777 = 180 мм.

Это расстояние от зрачка стрелка до оптического центра объектива. Максимальное же удаление глаза стрелка от последней поверхности объектива из описания прицела: 175 мм. Разница между этими значениями всего 5 мм, так что данная формула вполне пригодна для прикидочных расчетов. Говоря о конусе видимости, следует также упомянуть о том, что в реальном мире зрачок стрелка представляет собой не бесконечно малую точку, а имеет некоторый вполне конкретный диаметр (в среднем: 2 мм для яркого света, 6 мм в сумерках, 7 мм в темноте). Это обстоятельство увеличивает высоту конуса видимости на d / b мм, где d – диаметр зрачка и b – угловой размер кольца сетки.  Например, в сумерках, для прицела ПАК-1 максимальное удаление глаза стрелка для большого кольца сетки будет больше на 14 мм, чем при ярком солнечном свете. 

Посмотрим, как смоделирован прицел ПАК-1 в симуляторе «Ил2 штурмовик: битва за Москву».
Проверка угловых размеров сетки:
Методика: На взлетной полосе на дистанции 1000 метров перед И-16 установлены два самолета. Один самолет стоит строго по осевой, другой смещен вбок на 100 метров. Таким образом, угловое расстояние между этими двумя самолетами для пилота И-16 составляет 100 тысячных дистанции:


Смотрим на самолеты через прицел, измеряем расстояние между самолетами, масштабируем, проверяем угловые размеры сетки:


По техническим условиям, отклонения размеров сетки не должны превышать ±5% от номинала.
Деления угломера:
Между крайними делениями должно быть: 80 т. д.
В симуляторе: 77 т. д.
Отклонение: 77 * 100 / 80 – 100% = -3,75%
Результат: в допуске.

Радиус малого кольца сетки:
Должно быть: 70 т. д.
В симуляторе: 67 т. д.
Отклонение: 67 * 100 / 70 – 100% = -4,29%
Результат: в допуске.
 
Радиус большого кольца:
Должно быть: 140 т. д.
В симуляторе: 135 т. д.
Отклонение: 135 * 100 / 140 – 100% = -3,57%
Результат: в допуске.

Проверка конуса видимости:
Расстояние от поверхности линзы до отражателя около 35 мм:


Следовательно, максимальное расстояние от отражателя до глаза стрелка для большого кольца сетки в реальном мире составляет 175 – 35 = 140 мм. Значит, если повернуть голову вбок, то осевая взгляда виртуального пилота в симуляторе должна проходить примерно посередине радиусного скругления выреза для дверцы кабины в обшивке самолета:


Садимся в самолет, проверяем. 

Находим положение головы виртуального пилота, для которого большое кольцо сетки почти не видно:


Поворачиваем голову вправо, осевая взгляда находится примерно на 1/4 от края дверки:


Измеряем, получаем 250 мм вместо 140:


Ошибка в моделировании дальности видимости сетки по нехитрой формуле h = d / b составляет около 80%. В сущности, она видна сразу же невооруженным глазом, поскольку изображение сетки не может вылезать за пределы отражения линзы. Отражение линзы в симуляторе не смоделировано, но если его себе представить, то тогда максимальное удаление головы от прицела будет таким:

Поворачиваем голову вправо – осевая взгляда проходит примерно посередине радиусного скругления выреза фюзеляжа для дверки, что соответствует расчетному расстоянию 140 мм от отражателя прицела:


Помимо неправильной модели видимости сетки, при первом же взгляде на прицел бросаются в глаза следующие ошибки:
1.  Прицел установлен слишком высоко. 

В отчете о полевых испытаниях прицела дана схема перекрытия поля зрения капотом самолета И-16: при максимально высокой установке головки прицела, допустимой конструкцией, край капота проходит на уровне -35 т. д. от перекрестия прицела. В симуляторе край капота находится на уровне – 55 т. д.
Расстояние от головы пилота до края капота на И-16 приблизительно 2,5 метра, соответственно, прицел в симуляторе установлен выше максимально допустимого положения на (55 т. д – 35 т. д.) * 2500 мм / 1000 = 50 мм. 


В отчете о полевых испытаниях прицела прямо говорится о том, что диапазон регулировки прицела по высоте составляет 30 мм и среднее превышение прицельной линии над осевой пулемета равно 110 мм. Соответственно, превышение линии прицеливания над осевой пулемета для максимально высокого положения прицела: 125 мм. Следовательно, прицельная линия для максимально высокой установки прицела должна проходить так:


Обращает на себя внимание то, что голова пилота на внешнем виде находится как раз на линии прицеливания ПАК-1 в реальном мире. В свое время разработчикам симулятора уже задавали вопрос о высоте прицела, на что они ответили, что установили его таким образом для удобства прицеливания и подтвердили возможность такой установки фотографиями.
Эта аргументация не может считаться убедительной.


Во-первых, в отчете по испытаниям прицела даны конкретные значения для установки прицела ПАК-1 на самолет И-16: средняя высота прицельной линии: 110 мм над осевой пулеметов, допустимый диапазон регулировки прицела по высоте: 30 мм и показана схема перекрытия колец прицела капотом при установке прицела в максимально верхнее положение, на которой указано расстояние от центра прицела до капота: 35 т. д.
Во-вторых, предельная высота установки прицела определяется не длиной трубы оптической системы прицела, а тем, что ее нельзя зажимать за сетку, которая сделана из стекла и может легко расколоться даже при самой небольшой упругой деформации своей оправы:  


Не следует также забывать и о том, что такие самолеты, как И-16 – это не автомобиль и никакого генератора для питания лам подсветки приборной панели, прицела, АНО и подогрева трубки Пито и пулеметов у него нет. Все это работало от кислотно -свинцового аккумулятора, размером с аккумулятор от грузовика, который устанавливался за спинкой пилота. Если самолет не использовался для ночных полетов, то этот аккумулятор нужен был только для подсветки прицела. Подсветка прицела ПАК-1 и так была не на лучшем уровне, да еще и пилоты опасались, что их обольет кислотой при вынужденной посадке, поэтому в частях 
обычно аккумулятор снимали и прицеливались через механический дублер, поэтому и на 99% всех фотографий у него дублер находится в рабочем положении. Если из ПАК-1 вытащить всю электрическую начинку, то его можно спокойно поднять на какую угодно высоту, не опасаясь ему внутри чего-то поломать. Поэтому на всех фотографиях с задранным вверх прицелом прекрасно видно, что ПАК-1 у этих пилотов используется просто как подставка для механического дублера: 
А вот у тех, кто использовал его как коллиматор - прицел стоял на регламентированной высоте:

2.  Красный цвет подсветки сетки. На применении красного света в подсветке авиационных прицелов следует остановится более подробно. Красный свет в прицелах применяется ровно с той же целью, что и красное освещение в подводных лодках во время ночных торпедных атак – для улучшения чувствительности человеческого глаза в темноте. Это происходит следующим образом.

Установлено, что светочувствительные рецепторы в глазах у человека делятся на две принципиально разные группы, получившие условные названия «колбочки» и «палочки». «Палочки» реагируют на слабые уровни освещенности и обеспечивают зрение в сумерках и темноте. «Колбочки» - наоборот, возбуждаются ярким светом. Кроме того, «палочки» не различают цвета, поэтому ночью «все кошки серы». «Колбочки» же бывают трех видов, каждый из которых чувствителен к своему цвету: красному, синему или зеленому и благодаря этому при ярком свете человек способен еще и различать цвета. Чувствительность колбочек и палочек к различному цвету показана на этой диаграмме (П – палочки; К, С, Д – колбочки): 

Освещенность окружающего мира на Земле колеблется в огромных пределах – от сотни тысяч люкс на ярком солнечном свете до сотых или даже тысячных долей люкса в темную ночь. Человеческий глаз способен эффективно работать при любой освещенности из этого диапазона, но ему требуется определенное время для адаптации к текущему уровню освещения. Наиболее активная фаза адаптации к темноте длится примерно от получаса до часа и по истечении этого времени чувствительность глаза повышается примерно в 10 000 раз. Применимо к ночным полетам эта способность человеческого глаза к адаптации вызывает определенное противоречие: с одной стороны, пилот должен вглядываться в темноту, пытаясь уловить отдельные фотоны света от выхлопных патрубков вражеских самолетов, а с другой стороны - ему необходимо видеть сетку прицела. Но на какую бы минимальную яркость ни была бы отрегулирована подсветка сетки – она все равно зафиксирует адаптацию глаз пилота к темноте на уровне своего освещения и адаптации к полной темноте у него не произойдет.

Для решения этой проблемы, еще в 30-м году известный французский военный врач и физиолог Жуль Бьен (Jules Beyne) предложил использовать в военной технике для подсветки приборов красный свет. Обоснование этой идеи такое:

Как видно из диаграммы спектральной чувствительности рецепторов глаза, показанной выше, палочки, отвечающие за ночное зрение, наиболее чувствительны к зеленому цвету, а по мере приближения к красной части спектра их чувствительность падает и на красный свет они практически никак не реагируют. Если подсвечивать сетку красным светом, то он будет «засвечивать» и нарушать адаптацию к темноте только у колбочек, которые не принимают никакого участия в ночном зрении. Для палочек, обеспечивающих ночное зрение, красный свет как бы просто не существует, поэтому их адаптация к уровню света далеких звезд ничем не будет нарушена. 

Идеи доктора Бьена в СССР были приняты не сразу – первое упоминание о красном свете для подсветки прицелов относится к постановлению ГКО № 2359сс от 01.10.42, в котором «Об улучшении подготовки летчиков-истребителей и качеств самолетов-истребителей» предписывается «немедленно улучшить коллиматорный прицел, путем обязательного применения подсвета и окраски в красный цвет лампочки подсвета» и только начиная с прицела ПБП-1б красный светофильтр стал штатным элементом ночной подсветки. 


С тем, как работает красная подсветка ночью, все ясно, а вот будет ли она работать днем?
Спектральная чувствительность глаза в целом (для всех колбочек и палочек) выглядит таким образом (синяя линия – ночное зрение, красная линия – дневное):


Из диаграммы видно, что чувствительность дневного зрения к красному свету не превышает 0,1 от максимальной. Во время Второй мировой ни одна страна в мире не обладала малогабаритными лампами накаливания такой мощности, чтобы сетка прицела не пропадала бы на ярком фоне цели, поэтому все зеркальные коллиматорные прицелы были снабжены светофильтрами, приглушающими яркость фона. Пропускать днем свет от лампы подсветки через красный светофильтр и уменьшать тем самым ее видимость в десять раз можно только на экране монитора – в реальном мире такая сетка была бы просто никому не видна.


3.  Прицел ПАК-1 комплектовался светло-дымчатым светофильтром, а не коричневым:


При этом светло-дымчатый светофильтр все равно не обеспечивал видимость сетки при стрельбе в сторону солнца или снега. Собственно говоря, это был его основной недостаток: 
прицел ПАК-1 не обеспечивал возможность прицельной стрельбы во всех направлениях и на всех фонах цели даже во время одного вылета, что и было зафиксировано в отчете о войсковых испытаниях. Видимость сетки при различном освещении и различных светофильтрах отражена в отчете довольно подробно: в пасмурную погоду светофильтр не требуется. В яркий солнечный день светло-дымчатый светофильтр дает удовлетворительные результаты на любом фоне, кроме зимнего покрова и солнечной стороны неба. При наведении на темный фон, например, на лес, яркость подсветки становится избыточной и ее требуется уменьшать реостатом. Густой дымчатый светофильтр дает хороший результат только при прицеливании в сторону солнца, в других направлениях – совершенно неудовлетворителен, поскольку через него при нормальном положении головы цель совершенно не видна. Зеленый светофильтр дает неприятный контраст.                                                           

По результатам этого испытания и с учетом того, что прицел не предусматривал возможности смены светофильтров в полете, и была дана рекомендация выпускать этот прицел со светло-дымчатым светофильтром. 

Говоря о реализации прицела ПАК-1 в симуляторах серии БЗХХ также нельзя не отметить низкое качество прицельной сетки, все линии которой лишены четких очертаний и расплывчаты. В отчете по войсковым испытаниям действительно упоминается о том, что подобный дефект встречается на некоторых прицелах – но зачем моделировать в симуляторе отдельные самые плохие образцы? 

Зато недостаток, свойственный всем образцам этого прицела на испытаниях – широкие линии сетки (2,67 т. д.), затрудняющие точное прицеливание, - в симуляторе не нашел никакого отражения.


Результаты проверки:
Принципиальные ошибки моделирования (влияющие на игровой процесс):
1.  Максимальное удаление головы пилота от прицела, при котором большое кольцо прицельной сетки видно полностью, больше соответствующей величины в реальном мире на 80%. Данный параметр является одним из основных в конструкции прицела, поскольку определяет положение пилота в процессе прицеливания и, соответственно, удобство или неудобство его использования.

2.  Прицел установлен выше своего штатного положения примерно на 50 мм, что существенно искажает как процесс прицеливания, так и обзор приборной панели из положения для стрельбы.

3.  Яркость подсветки сетки существенно превышает яркость подсветки прицела в реальном мире; пропадания сетки на ярком фоне цели не происходит и светофильтром в симуляторе можно вообще не пользоваться. В результате полностью теряются преимущества прицелов с дневной подсветкой сетки.

Непринципиальные ошибки моделирования (искажающие только визуальное восприятие):

1.  Подсветка сетки прицела красным светом не соответствует как самому по себе назначению красной подсветки, так и конструкции прицела. Такая подсветка не позволяет обеспечить видимость сетки днем в реальном мире.

2.  Цвет светофильтра прицела не соответствует его техническому описанию и не совпадает с цветом светофильтра музейного образца.

3.  Контуры сетки не имеют четких очертаний, толщина штрихов сетки не соответствует данным из отчета по испытаниям прицела.

Не с моделированные элементы прицела:
1.  Не анимировано вращение ручки управления светофильтром. 

ЛИТЕРАТУРА И ИСТОЧНИКИ:
1. Instruments optiques d’Observation et de Mesure, Jules Raibaud, 1910.
2. Воздушная стрельба. Рукавишников, 1940
3. Военные оптико-механические приборы. Солодилов. 1940
4. Оптико-механические приборы. Кулагин и др., 1984
5. 107-мм горно-вьючный полковой миномет обр. 1938 г. (107 ГВПМ-38) Руководство службы
6. Collimating device and method of sighting. Patent 1311846. H. Chretien. 1919
7. Improvements in Sighting Devices for Guns. Patent 12108. H. Grubb. 1900
8. “Collimateur clair O. P. L.” L’Aeronautique. 1926
9. “L’Armement de nos avions militaires”, L’Aerophile, 1936.
10. British Aircraft Armament vol. 2. R. Wallace Clarke. 1994
11. Early aircraft armament. Harry Woodman. 1989
12. Учебник механика военно-воздушных сил. 1968
13. Отчет по полигонным испытаниям прицела ПАК-1, 1937, РГВА, ф. 29, оп. 29, д. 1327
14. Отчет о войсковых испытаниях прицела ПАК-1, 1937, РГВА, ф. 29, оп. 29, д. 1339                                                                                  
15. sovdoc.ru

Автор: WAD

Comments