雷达,CDMA,计算机,火箭...今天在用的哪些科技是二战就有的?

雷达,CDMA,计算机,火箭...今天在用的哪些科技是二战就有的?

基本上可以这么说,现如今人类的尖端科技里,完全是二战后才提出模型并发展出来的,恐怕也就是激光,核聚变,集成电路,量子计算/通信以及分子生物学了。按照大类,二战期间就已经出现并且深深影响了人类发展的有:雷达,CDMA通信,电子计算机,喷气式发动机,惯性制导系统,液体火箭,原子弹/核反应堆。。。大类我就知道这么多,小的实在是举不完。

雷达

最早的雷达是英国人开发出来的。在二战期间,被用来放置在海岸线上执行不列颠本土的空中警戒任务,英国人把自己的雷达叫 Range and Direction Finding,也就是距离方位搜寻。它的性能十分粗糙,工作在HF波段,频率20-30MHZ,精度非常差,而且只能测距,不能测高,无法实施持续有效的跟踪也无法解算目标的速度和飞机类型。但就是这么个东西,因为能够早十几分钟感知到德军机群的逼近,为英国空军争取了宝贵的反应时间,可以说立下了汗马功劳。而没有雷达的话,就比较惨,只能用声波进行探测和粗略定位。。。

雷达的原理

位于英格国大巴多的Chain Home雷达天线发射塔,是一座高90m的钢塔

没有雷达的日本就只能用这种喇叭一样东西搜集飞机发出的噪音来探测

雷达发展到今天,已经经历了好多代技术迭代,功能也非常发达。从单脉冲的雷达发展到今天的有源相控阵雷达,从只能测距到现在可以同时跟踪数百个目标,并且标记目标的方位,距离,速度,回波强度等信息。甚至还发展出了合成孔径和逆合成孔径雷达,直接对物体进行成像,极大提高了侦查能力。根据雷达的原理,还发展出了激光雷达(LiDar)。如今,雷达在军事领域必不可少,在民用领域也开始大放异彩。

现在的大型相控阵雷达一次可以跟踪数百个目标

CDMA通信

CDMA Code Divisions Multiple Acess,翻译过来叫码分多址,是一种抗干扰的扩频通信,专利申请人是著名艳星海蒂·拉玛。第二次世界大战期间被发明出来,并在了美军的战场军事通信设备上。其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰,在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信。

CDMA原理,通过码分多址,让不同信号之间的码型正交,这样即使处在同一频段下也没有干扰

它的原理是,将需传送的具有一定信号带宽信息数据,用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制,使原数据信号的带宽被扩展,再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码,与接收的带宽信号作相关处理,把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩,以实现信息通信。这样不仅可以有很强的抗干扰能力,而且可以让多路信号在同一个信道上工作而不会有干扰,极大的节约了信道资源。这种通信现如今在3G,4G,5G上都有应用,可以说构成了现代民用通信的基石。

CDMA发明人海蒂·拉玛

CDMA在我们今天的手机通信中起到的是基石般的作用

电子计算机

世界上第一台通用数字计算机是美国1946年开发的“埃尼艾克”,使用了18800个电子管,运算次数仅5000次每秒,可以通过执行复杂的积分计算测算炮弹和导弹的弹道。但实际上,这台计算机并非是第一台电子计算机,只能说是通用性比较强。实际上,在二战期间人工智能之父提出的可计算理论和他参与开发的“科洛萨斯”逻辑计算设备已经可以算得上一台电子计算机了。这台计算机是数学天才阿兰·图灵设计,长4.9米,宽1.8米,高2.3米,重约4吨。主体结构是两排机架,上面安装了2500个大小形状如同电灯泡的电子管,采用纸带打孔的方式来进行数据的输入和输出。以上的几种特点深刻影响了后面几十年大型机的设计。图灵的这台机器是专门用来破译德国的“英格玛”密码机的。

早期的大型计算机(配图不是科洛萨斯)

英格尔密码机十分精巧复杂,逆向破译的计算复杂度很高,想靠徒手计算破译基本不可能

不过需要说明的是,这台计算机,以及后来的“埃尼艾克”计算机都不是冯·诺伊曼结构的,与我们今天使用的计算机相去甚远。冯·诺伊曼在计算机上作出的共享影响更为深远。不过阿兰图灵在可计算理论上的贡献是超前的,并且奠定了人工智能理论的基础。

喷气式发动机

喷气式发动机是利用混合燃气燃烧时产生的巨大热量,推动燃气涡轮转动来驱动压气机旋转,喷射出去的废气和吸入空气的反作用力推动发动机向前运动。这种模式比起螺旋桨发动机,阻力更小,效率更高,推力更大。因此在二战期间德国和英国都争相研究这种体制的热机。其中德国走的是轴流式涡轮喷气发动机,而英国选择了工艺难度相对较低的离心式涡轮喷气发动机。二战期间,德国的BMW生产的BMW003,搭载Me262战斗机进行了人类首次喷气式飞机的飞行。二战之后,战败的德国手上的喷气式发动机专利连同航空 人才,被美国,苏联,英国打包带走。而德国的轴流式喷气发动机也成了今天所有喷气式发动机的鼻祖。

轴流式喷气发动机

离心式喷气发动机

BMW-003发动机,基本上苏联和英国战后第一代喷气式发动机就是它的测绘仿制版

现如今所有喷气式飞机的发动机都是轴流式喷气发动机的子孙

惯性制导系统和液体火箭

其实这两者捏到一起,就是弹道导弹么。不过鉴于惯性制导系统应用面非常广泛,不仅是用在了导弹上,飞机,舰船,各种导航设备上都可以使用,所以单拿出来了。二者首次应用都是在德国的 V-2火箭上。

V-2液体火箭,两个贮箱储藏燃料和氧化剂,并且有一个涡轮泵

现代火箭的两种结构,带涡轮泵的这一支就是V-2发展来的

惯性制导系统的原理其实很简单,由陀螺仪,加速度计和测量装置组成,陀螺仪那有一个高速旋转的刚性金属块,由角动量守恒可知,安装在陀螺仪支架上的金属块,将始终保持旋转,并指向恒定方向。这时候如果导弹的姿态有偏移,支架和金属块所成的相对角度就会有变化,通过测量就可以知道这个变化,从而计算出当前的姿态偏移量。而加速度计则是一个重物连着有弹性势能的弹簧,当导弹产生加速度的时候,重物会压缩或拉伸弹簧,也会产生一个位置偏移,通过测量偏移量并进行一次积分和二次积分,就可以知道速度和位移的变化。

陀螺仪的原理

V-2导弹上的陀螺仪(应该有3个,欠一个轴的陀螺)

V-2导弹上的加速度计

V-2导弹是目前所有弹道导弹的鼻祖,也是运载火箭的鼻祖。而惯性制导系统也是GPS出现之前人类唯一可用的导航系统。

运载火箭和弹道导弹直到今天仍然是人类最尖端的科技之一

原子弹和核反应堆

原子弹这个不多介绍了,至今也是人类挥之不去的噩梦,但同时超级大国也用它达到了恐怖平衡,使大国间战争爆发的几率大大降低。

而制成核弹的一整套流程,分离,浓缩,反应堆等工艺,也构成了人类今天对核能利用的基石。铀-235裂变所释放的能量,可以用来制造毁灭,也可以用来发电造福人类。

核电站的原理