Короткие волны – долгий путь

 

Радиолампам по причине их слабосильности долго и упорно отказывали в видах на сколько‑нибудь значительное будущее. И вдруг в октябре 1919 года довольно странно прозвучало заявление, что они вопреки всеобщему скепсису со временем сыграют «весьма важную роль».

Это интересное пророчество высказал М. А. Бонч‑Бруевич, который еще в 1915 году сконструировал первую в России вакуумную электронную лампу.

Семимильными шагами двинулась вперед наша электровакуумная промышленность после революции. В 1920 году на Ходынке уже эксплуатировался радиопередатчик, собранный на отечественных лампах. А через три года пришел заказ от знаменитой немецкой фирмы «Телефункен» на советские 25‑киловаттные радиолампы, которые были в пять раз мощнее самых лучших германских.

Однако при освоении диапазона УКВ королева радиотехники, быстро завоевавшая симпатии во всем мире, внезапно объявила саботаж. Почему? Вспомните ее классическую схему: катод, анод, а между ними сетка. Промежуточный электрод добавлен для того, чтобы управлять электронами, несущимися от катода к аноду. Он играет роль шлюза, способного то задерживать поток частиц, то подгонять его, – так рождаются колебания. Длинноволновые и коротковолновые. По сравнению с их периодом время пробега электронов от катода к аноду пренебрежимо мало. Но при столь быстрых изменениях электромагнитного поля, как в области УКВ, система отказывает – здесь проявляется ее неповоротливость.

В 1935 году А. Н. Арсеньева построила первые электровакуумные приборы, исправно работавшие на сверхвысоких частотах, при которых классическая радиолампа бастовала, «захлебывалась». Так появился генератор, названный «клистроном» (в переводе с греческого – «морской прибой»). В нем роль колебательных контуров с их конденсаторами и катушками индуктивности, подключаемыми к обычному триоду снаружи, исполняют объемные резонаторы – полые медные «бублики», которые вмонтированы прямо в корпус лампы. Они опоясывают кольцами продолговатый цилиндрический баллон, внутри которого непрерывно течет электронная струя; в ней (опять‑таки с помощью сеток) искусственно возбуждается своего рода «рябь», причем сгущения и разрежения, вызванные ускорением и замедлением частиц, чередуются здесь гораздо стремительней, нежели в обычном ламповом генераторе.

В 1937–1939 годах В. Ф. Коваленко и Н. Д. Девятков изобрели клистрон нового типа – уже не пролетный, а отражательный. Здесь модуляцию электронного пучка осуществляет особое «зеркало», поворачивающее поток частиц вспять.

Наряду с «лампой морского прибоя» решающую роль в развитии радиолокации сыграл магнетрон. В нем электронный поток напоминает уже не «ручеек», а «водоворот», регулируется он не электрическим, а магнитным полем. Катод, сделанный в виде трубки, окружен здесь массивным металлическим футляром‑анодом, в котором симметричной розеткой высверлены фигурные отверстия – резонаторы. В них электронными вихрями порождаются электромагнитные колебания. Опять‑таки сверхвысокочастотные: подобно клистрону, магнетрон способен генерировать волны вплоть до миллиметровых.

Этот мощный многорезонаторный прибор, ставший образцом для его современных разновидностей, впервые сконструирован В. П. Илясовым в 1937–1939 годах. Одновременно свою схему такого же магнетрона предложили инженеры Н. Ф. Алексеев и Д. Е. Маляров. В 1940 году они подробно описали свое изобретение в открытой печати (англичане держали в строжайшем секрете подобные разработки, считая их не менее важными, чем создание атомной бомбы).

Аттестуя изобретение радара как величайшее достижение за последние полвека, Черчилль имел в виду его военное значение. Да, локатор помогал нашим союзникам и нам обезвреживать тучи огнехлещущей фашистской саранчи. Но разве на этом окончилась его миссия?

В 1944 году, когда незримый электромагнитный щуп участвовал в битвах на суше, на море, в воздухе, советские физики Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси уже думали о его мирной судьбе, о его космических маршрутах. Теоретическими расчетами они обосновали возможность лоцировать Луну, хотя эта надежда по тем временам казалась оторванной от реальной почвы, если не сказать – просто безумной: до нашего естественного спутника около 400 тысяч километров.

«Мир. СССР. Ленин»… Три дорогих нам слова. В ноябре 1962 года их принесли электромагнитные волны, отраженные Венерой. Впервые в мировой практике установлена радиотелеграфная связь с использованием «утренней звезды» в качестве зеркала.

«Англия. Радастра. Маклесфилд. Ловеллу. Будем работать по Венере 8 и 9 января с 11 до 14. Котельников». Буднично и лаконично: работать, вести исследования, устанавливая контакт через посредство планеты, а что, собственно, тут особенного? Такую телеграмму в начале 1966 года отправил академик Владимир Александрович Котельников, директор Института радиотехники и электроники АН СССР, профессору Бернарду Ловеллу, директору британской обсерватории Джодрелл Бэнк. Вскоре пришел ответ: «Москва. Аэлита. Сигнал от Венеры принят». Космический радиомост продолжает действовать.

Если вылить стакан кипятку в море с европейского берега, а потом зачерпнуть то же количество воды где‑то у Кубы, удастся ли определить, как нагрелся Мировой океан? По расчетам члена‑корреспондента АН СССР В. И. Сифорова, сигнал, даже самый мощный, вернувшись с Венеры, примерно в такой же степени растеряет свою энергию, постепенно растворится в шорохах вселенной, будет забит собственными шумами приемной аппаратуры. Чтобы выделить его, нужны архичувствительные приемники, остроумные радиотехнические схемы.

Не удивительно, что попытки лоцировать Венеру, предпринятые в 1958 году США и в 1959‑м Англией, окончились неудачей. Но, может, их и не стоило продолжать? Какой, собственно, прок от этой затеи?

В 1957 году советский спутник открыл эру освоения вселенной. Автоматические станции отправились к далеким планетам. Между тем точность, с какой астрономам известны расстояния до ближайших небесных тел и вообще масштабы солнечной системы, не удовлетворяет сегодняшнюю космонавтику. Погрешность в 0,2 процента вроде бы невелика. А ведь она, если речь идет о дистанции между Землей и Венерой, оборачивается доброй сотней тысяч километров! При запуске с такой ошибкой промах гарантирован. Только «радиодальномер» способен выручить в создавшейся ситуации. Однако этим не ограничиваются выгоды от локации.

«М. В. Ломоносов открыл, что Венера окружена атмосферой, – говорится в энциклопедии. – Период вращения Венеры вокруг оси точно не установлен». Да потому и не установлен, что окружена, и не просто атмосферой, а «знатной» пеленой облаков. Оптические методы наблюдения тут вынуждены спасовать. Луч же радара пронзает облака и туманы. О чем он может рассказать?

Космическое эхо рассказало, например, что суточное вращение у Венеры происходит не так, как у Земли и прочих планет солнечной системы: несется‑то она по околосолнечной орбите вперед, а вот кружится при этом не как шар, катящийся от вас по бильярдному столу, а назад (так противоестественно ведут себя иногда колеса автомобиля на киноэкране). Это открытие член‑корреспондент АН СССР И. С. Шкловский считает выдающимся достижением астрономии. Что же касается периода вращения, то, по последним данным, он составляет 247 суток 8 часов.

Впервые наш радиолуч ушел в сторону «утренней звезды» 18 апреля 1961 года. А приняв от Венеры радиограмму‑бумеранг «Мир. СССР. Ленин», переданную с Земли точками и тире азбуки Морзе, советские исследователи в 100 раз точнее определили основу всех измерений современных «звездочетов» – астрономическую единицу (среднее расстояние от Земли до Солнца).

В 1964 году за радиолокационные исследования Марса, Венеры и Меркурия удостоены Ленинской премии академик В. А. Котельников, доктор технических наук М. Д. Кислик, научные сотрудники Института радиотехники и электроники В. М. Дубровин, В. А. Морозов, Г. М. Петров, О. Н. Ржига, А. М. Шаховской, начальник лаборатории Государственного научно‑исследовательского института Министерства связи СССР кандидат технических наук В. П. Минашин.

И снова бросок – теперь уже к Юпитеру, на 600 миллионов километров! История радиолокации зарегистрировала небывалый рекорд дальности; прежний, установленный при осмотре Меркурия, был не просто побит, но и перекрыт в несколько раз.

То, о чем здесь рассказано, составляет предмет «активной» радиоастрономии. Между тем еще есть и «пассивная» – она занимается прослушиванием собственного «радиошепота» небесных тел, а не отраженных ими сигналов – зычных земных «ау».

 

Звезды, кресты и антенны

 

Еще в начале 40‑х годов операторы военных радаров подметили одно странное явление. Когда антенны смотрели на восток, то станции начинали «барахлить», причем не когда‑нибудь, а утром, на заре.

Поначалу думали, будто противник нарочно создает помехи. Не сразу установили: виновником шумов было само Солнце!

В 1948 году И. С. Шкловский высказал предположение, что Крабовидная туманность тоже должна быть щедрым поставщиком радиоизлучения. Год спустя австралийские ученые, обшаривая небо антеннами‑приемниками, подтвердили эту догадку. Вскоре выяснились удивительные вещи. Если бы наше зрение обрело чувствительность не в оптическом, а в УКВ‑диапазоне, то нам представилась бы совершенно непривычная картина: многие хорошо знакомые светила померкли, а те, что раньше прятались от глаз, вдруг заполыхали огненными факелами. Засияли бы новые звезды, причем две из них в сотни раз ярче нашего доброго старого Солнца!

Дозорные неба словно прозрели, лишний раз почувствовав, как беспомощно слепы были их предшественники всего 15–20 лет назад. Достаточно сказать, что остатки звезды Сверхновой Тихо Браге, сразу же с головой выдавшие себя своим радиоизлучением, до сего момента упорно скрываются от охотящихся за ними оптических телескопов.

Насколько проницательнее стал пытливый взгляд ученого после изобретения радиотелескопа!

И разве не достоин этот агрегат занять пьедестал, уготованный чуду света?

…Издали он выглядит как гриб со шляпкой набекрень. Вблизи же это могучая махина ростом с многоэтажный дом. «Ножкой» ее служит опорно‑поворотное устройство, напоминающее карусель, – оно легко двигается с помощью электропривода. Ажурный скелет, составленный из трубчатых стальных «костей», поддерживает 65‑тонную металлическую «шляпку» – антенну диаметром 22 метра.

Главные узлы этой замечательной машины рассчитывались в Физическом институте имени Лебедева АН СССР под руководством А. Е. Саломоновича и П. Д. Калачева. Место для нее выбрано в тихом подмосковном уголке около Серпухова, где отсутствуют источники сильных радиопомех. Осенью 1966 года, на берегу Голубого залива близ Симеиза (Крым) пущен усовершенствованный вариант того же радиотелескопа (РТ‑22), также оснащенный парамагнитным усилителем. Он способен принимать излучение с длиной волны вплоть до 4 миллиметров, тогда как серпуховский – до 8. Необходимую точность обеспечить тем труднее, чем короче рабочая волна: десятая доля ее длины – верхний предел для размеров шероховатостей на внутренней глади зеркала. Значит, для Симеизского рефлектора этот допуск не превышал полумиллиметра! Нужно было, кроме того, соблюсти все предосторожности, чтобы тяжелая конструкция не прогибалась под действием собственного веса или под напором ветра, чтобы свести к минимуму влияние тепла и холода: ведь металл, как известно, при нагревании расширяется, а при остывании сжимается, причем периодически – от дня к ночи, от лета к зиме. РТ‑22 среди установок своего класса не имеет себе равных. Во всяком случае, по разрешающей способности – главной характеристике, которая показывает, хорошо ли различает прибор слабые и близкие, почти сливающиеся для другого радиоизлучатели, четко ли определяет их границы, насколько точно он наводится на невидимую «мишень».

Погоня за более высокой чуткостью радиоуха, за его способностью улавливать самый тихий шепот небес породила настоящую гигантоманию. Есть параболические чаши и в 66 метров (Австралия), и в 76 (Англия), и даже 94 (США). А недавно в Пуэрто‑Рико закончено строительство радиотелескопа в 300 метров поперечником! Правда, исполинское блюдце совершенно неподвижно; оно вмонтировано в кратер потухшего вулкана. Точностью обработки оно, как и другие перечисленные здесь колоссы, тоже уступает нашему РТ‑22.

Увеличение габаритов усугубляет уже упомянутые трудности в решении инженерных проблем.

В стремлении обойти технические препоны ученые пошли на хитрость. В 1952 году советские физики С. Э. Хайкин и Н. Л. Кайдановский предложили новый принцип. Вместо того чтобы строить одну цельную «сверхчашу», можно как бы загодя расчленить ее на дольки, а те развернуть в каре на большой площади, словно кавалеристов на плацу. Отдельные антенны, а их можно разместить в виде концентрических колец, в шашечном порядке или любым иным способом, несут свой дозор согласованно: их наблюдения суммируются в целостную картину. Одно из таких решений осуществлено у нас в Харькове под руководством члена‑корреспондента АН УССР С Я. Брауде. Другое – в Пулкове, близ Ленинграда, профессором С. Э. Хайкиным и Н. Л. Кайдановским: 90 тесно примыкающих друг к другу щитов образуют дугу протяженностью в 130 метров. А вот телескоп, сконструированный профессором В. В. Виткевичем и П. Д. Калачевым, имеет форму креста. Каждая из двух взаимно перпендикулярных шеренг протянулась на целый километр, причем ни ту, ни другую нельзя назвать многоэлементной – они представляют собой сплошные «корыта». Высота установок достигает 40 метров. Расположено это чудо техники на радиоастрономической станции ФИАНа рядом с тем же Серпуховом.

Если приземистая крестовина радиотелескопа находится у южного форпоста Московской области, то на северной окраине столицы стоит другой колосс, московский, весь в красных звездах предупредительных огней.

Фаросский маяк, чудо древнего мира, достигал в высоту 170 метров. Его давно превзошли здания нашей эры. МГУ на Ленинских горах – 230 метров. Ажурная пирамида инженера Эйфеля в Париже – 300. Небоскреб Эмпайр стэйт билдинг в Нью‑Йорке – 408. И вот – колосс Останкинский…

Из телебашен самой долговязой до последнего времени была 480‑метровая американская; ей уступала лишь японская. Среди мачт, которые отличаются от башен тем, что им необходимы растяжки, до сих пор лидирует американская – 564 метра. Московский полукилометровой игле не нужны расчалки или иные крепления: она надежно опирается десятью «ногами» на банкетки фундамента, сделанного из монолитного струнобетона – в его твердокаменных мышцах напряглись стальные жилы. Внутри узкого, как спиннинг, ствола натянуто 150 стальных тросов – ему не страшен даже десятибалльный шторм, вырывающий деревья с корнем. Применение сверхпрочных армированных материалов позволило сэкономить на весе всей конструкции. И все равно изящное, как тростинка, тело башни весит немало – 32 тысячи тонн!

Перед нами самое настоящее многоэтажное здание – с дверьми, со стенами, с окнами, с балконами, с лифтами, причем сверхскоростными, с телевизионными и радиостудиями, с метеорологическими лабораториями, даже со своим рестораном, который вращается вокруг оси башни. И конечно же, с радиотелевизионной антенной – пустотелой спицей длиной около 150 и диаметром 14 метров.

Авторы проекта – член‑корреспондент Академии строительства и архитектуры СССР Н. В. Никитин, архитекторы Л. И. Баталов, Д. И. Бурдин и другие.

9 программ (из них 2 цветные) будет передавать новая московская цитадель телевидения.

Итак, перед нами две гигантские антенны: останкинская и серпуховская – одна буравит небо, другая припала к земле, первая передает сигналы для тех, кто внизу и поблизости от нее, вторая – принимает шумы сверху из дальних космических далей… Какой разительный контраст! Но и сходство тоже немалое. Оба чуда техники сотворены человеческим гением, чтобы управлять стихией электромагнитных волн. Это объединяет радиотелескопы и радиолокаторы, квантовые усилители и генераторы с телеантеннами. Правда, телевидение оперирует не только потоками радиоквантов. Оно – и прежде всего именно в этом его специфика – формирует в пучки скопища частиц – электронов. Организует их, чтобы управлять ими. Впрочем, так ли уж далеки друг от друга волна и частица?

Чего там говорить, давно стало трюизмом: четкой границы между частицей и волной нет. А коли так, то нельзя ли «генерировать» столь же высокоорганизованные, плотные и остронаправленные пучки частиц, как и поток когерентных фотонов, вырывающийся из лазера?

«Высокоразвитая цивилизация, – пишет член‑корреспондент АН СССР И. С. Шкловский, – может обладать совершенно неизвестным нам способом „канализации“ жестких радиации (как фотонных, так и корпускулярных), позволяющим сосредоточить большие мощности в очень узких игольчатых пучках. Почему бы не представить, что при помощи системы мощных пучков сверхжесткой радиации можно осуществить контроль над течением ядерных реакций в звездах, то ускоряя, то замедляя их темп?»

Спрашивается: зачем? Чтобы сделать звезды «эффективным источником энергии для регулирующей ее цивилизации».

Разумеется, такие пучки пригодятся и в космосе и на Земле.

Канализация корпускулярных излучений… Ее уже использует человек. Где же?