Проблемы связи в космосе
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
С каждой секундой корабль все дальше уходил от Земли. Вот она уже стала величиной с Луну, а вскоре и совсем затерялась среди тысяч серебристых искорок на черном бархате космоса. Корабль бесшумно движется по выбранной траектории, приборы внимательно следят за курсом. Но стремительность полета уже перестала ощущаться. Кажется, что корабль навсегда остановился где-то на полпути к цели. И еще эта гнетущая тишина! Легкий щелчок — приемник включен. И вмиг кабина корабля наполнилась живыми звуками Земли. Слышны музыка, слова. Это родная планета шлет привет отважным космонавтам. Она внимательно следит за их полетом, она рядом с ними. Рядом! Передаются координаты корабля, письма близких, земные известия. Включен передатчик космического корабля. И вот уже Земля слушает очередной рапорт из глубин космоса: «Самочувствие отличное! Полет проходит нормально!» Связь! Без нее немыслим космический полет. Радиотехника, родившаяся всего немногим более века назад, дала в руки исследователей космоса мощное, надежное и эффективное средство связи.
История развития радиосвязи — это непрерывная борьба за все более и более короткие волны. Вначале люди работали на длинных и средних волнах. Когда научились создавать короткие волны (длиною до 10 метров), могло показаться, что возможностям их нет границ. Стало простым делом, используя способность, этих радиоволн отражаться от Земли и ионосферы, устанавливать связь с любым местом на земном шаре.
Но вот появилось телевидение, и потребовалось освоение нового диапазона радиоволн — с длинами от 10 до 1 метра. Их назвали ультракороткими. Радиолокация и радиорелейные линии заставили работать на еще более коротких волнах: их длина измерялась уже сантиметрами.
А сейчас на вооружение радиотехникой взяты волны даже короче сантиметра. Но все это «земная техника». С выходом же человека в космос появилась необходимость в создании новой, космической радиотехники и прежде всего радиосвязи.
КОСМОС, АТМОСФЕРА И СВЯЗЬ
На первых порах для связи с искусственными спутниками радиотехника использовала радиоволны обжитого коротковолнового и ультракоротковолнового диапазонов. Они, как известно, свободно проникают через ионосферу Земли. К тому же расстояния между спутниками и наземными станциями, исчисляемые всего тысячами километров, были обычными для существующей радиоаппаратуры.
Но когда в плавание отправились первые космические ракеты и корабли, потребовалось поддерживать с ними радио- и телевизионную связь на расстояниях до сотен тысяч километров. Эта задача совсем не простая и вот почему.
«Космический корабль вышел за пределы атмосферы. Двигатели закончили работу, Наступила тишина…» Так нередко начинают свой рассказ о межпланетных путешествиях писатели-фантасты. Представления о космосе у нас неразрывно связываются с черным и безмолвным, именно безмолвным пространством. Но так ли уж оно молчаливо? Если бы космонавт был способен «слышать» сразу все радиоволны, то его оглушили бы скрип и скрежет радиоголосов звезд. В разных направлениях, не встречая на своем пути препятствий, мчатся радиоволны всевозможных длин, создавая помехи для связи с космонавтами. А для хорошего приема необходимо, чтобы сигнал, приходящий в антенну, был сильнее попадающих туда же шумов. Поэтому предстояло исследовать, нет ли среди всего спектра радиоволн, наполняющих космос, относительно тихого участка. Оказалось, что есть. Измерения показали, что космическое пространство заполнено меньше всего волнами длиной в десятки сантиметров. Значит, рабочая волна должна быть такой же длины.
Но одного правильного выбора рабочих волн недостаточно. Если, например, применить в радиопередаче из района Марса или Венеры обычную антенну, излучающую радиоволны в одинаковой мере во все стороны, то к Земле доберется лишь капля из океана излученной этой антенной энергии. Как же быть?
Вспомните: человек, разговаривающий с собеседником на большом расстоянии, сооружает из ладоней подобие рупора, при помощи которого направляет наибольшее количество энергии своего голоса в одну, нужную ему сторону. Точно так же и в радиосвязи применяют антенны, направленно излучающие радиоволны.
Вот почему если на искусственных спутниках Земли еще применялись антенны с круговым излучением, то при полетах к планетам придется использовать остронаправленные антенны, так называемые параболические рефлекторы. Антенна подобного типа была установлена на автоматической межпланетной станции, посланной в район Венеры. Правда, применение таких антенн порождает новые технические трудности.
Ведь для того, чтобы радиолуч не «промахнулся», попал в Землю, необходимо с высокой точностью ориентировать антенну или всю станцию в пространстве.
Другая группа волн пропускается атмосферой через другое окно — «радиоокно» — и представляет собой уже знакомые нам радиоволны длиной от 1 сантиметра до 10 метров. Все остальные излучения или беспощадно поглощаются молекулами воздуха, озоном, кислородом, ионосферой, или отражаются последней. Через «радиоокно» атмосферы и стала осуществляться космическая связь. И незаслуженно долго не вспоминали об узенькой оптической «форточке», использование которой для связи при космических полетах будущего таит колоссальные возможности.
В «оптическое окно» атмосферы проникает такой спектр волн, что его можно было бы использовать для одновременной передачи нескольких десятков миллионов телевизионных программ, в то время как «радиоокно» ограничило бы это число всего несколькими тысячами. Необходимость создания в ближайшее время систем сверхдальней космической связи привела ученых и инженеров к необходимости опробовать для этой цели, как волны видимого света, так и инфракрасные и ультрафиолетовые.
На Земле для приема сигнала, ослабленного дорогой в миллионы километров, применяются также направленные антенны в виде вогнутых зеркал. Чтобы уловить побольше полезной энергии, площадь этих антенн должна быть возможно большей. Современные антенны-гиганты — сложные инженерные сооружения, многометровые размеры которых выдержаны с точностью до нескольких сантиметров или даже миллиметров. Зеркало одной из крупнейших антенн (Англия, экспериментальная станция в Джодрелл Бэнк) имеет диаметр 76 метров! Вес антенны — 2 тысячи тонн, а ее бетонного основания — 10 тысяч тонн. И такой махиной нужно еще очень точно управлять, поворачивая ее вслед за космическим кораблем или планетой. А без подобных сооружений нечего сейчас и думать о дальней космической радиосвязи.
Если, например, использовать для передачи с Марса типовую современную радиотелеметрическую систему, применяемую американцами для связи с межконтинентальными баллистическими ракетами и имеющую антенну «нормальных» размеров (до нескольких метров), то потребуется передатчик мощностью около миллиона ватт. Поистине астрономическая величина! Расстояния так велики, что, даже приняв на вооружение все новинки радиоэлектроники, такие, как огромные остронаправленные антенны, почти бесшумовые приемники, специальные способы обработки сигналов и тому подобное, можно будет передавать из района Марса или Венеры при реальных мощностях передатчиков довольно скудную информацию.
И это при удалениях всего только в десятки миллионов километров! А как же быть при будущих полетах к границам солнечной системы, откуда даже такой мощный источник света, как наше Солнце, представляется заурядной звездой минус четвертой величины, что для земного наблюдателя соответствует яркости Венеры? Решение вопроса можно найти в концентрации радиоволн в еще более узкие пучки. Чем больше отношение площади зеркала антенны к длине излучаемой ею волны, тем уже луч. Поэтому хорошо было бы работать на радиоволнах миллиметрового диапазона. Антенны имели бы тогда гораздо меньшие размеры, чем те, которые применяются сейчас в космической связи. Но здесь в полный голос начинает заявлять о себе воздушная оболочка Земли.
Казалось бы, что может быть более прозрачным, чем чистый воздух? Ни стекло, ни пластмасса не могут с ним конкурировать. Даже слой воздуха толщиной в сотни километров не в состоянии лишить нас возможности любоваться драгоценными россыпями звезд. И все-таки воздух нельзя назвать абсолютно прозрачным. Дело в том, что атмосфера пропускает лишь небольшую часть всех электромагнитных волн.
Волны, воспринимаемые нашим глазом как видимый свет, и примыкающие к ним области инфракрасных и частично ультрафиолетовых волн проникают к Земле через так называемое «оптическое окно» атмосферы. Граничные длины волн, пропускаемых этим окном, насчитывают всего, с одной стороны, десятки, с другой — сотни миллионных долей сантиметра.
КОСМИЧЕСКИЙ ПРОЖЕКТОР
Сейчас уже существует много проектов использования света как средства связи в космосе. При ближних рейсах (Марс, Венера) предполагается использовать «бесплатные» солнечные лучи. Система связи должна выглядеть при этом следующим образом. Солнечное излучение собирается одним, сравнительно небольшого размера, зеркалом и излучается в нужном направлении другим зеркалом. Чередованием вспышек можно передавать информацию. На приемном конце вогнутые зеркала принимают излучение и концентрируют его в фокусе на чувствительном элементе. Такая система даже при зеркалах диаметром около метра может обеспечить удовлетворительную связь с Марсом. Уже построены и испытывались системы связи на солнечных лучах, способные передавать информацию на 15 миллионов километров.
Возможно применение и искусственных источников света. В настоящее время одним из наиболее ярких считается плазма — облачко, образующееся в результате взрыва тонкой проволочки при пропускании через нее мощного импульса электрического тока. Это облачко является источником волн различной длины, в том числе и световых. Но наибольшее количество излучаемой энергии приходится при этом на длины волн около одной миллионной доли сантиметра. Это — ультрафиолетовое излучение. Использование такого излучения для связи с космическими кораблями потребует выноса наземного передатчика и приемника за пределы атмосферы, так как последняя малопрозрачна для ультрафиолетовых лучей.
Расчеты показывают, что при помощи такой системы может быть осуществлена связь на расстоянии в несколько диаметров солнечной системы, зато при связи с Марсом (60 миллионов километров) можно будет в безоблачную погоду передавать и принимать сообщения прямо с поверхности Земли, не считаясь с атмосферой.
Описанные системы связи основаны на использовании довольно широкого спектра волн видимого или ультрафиолетового излучения. Все они имеют тот недостаток, что прямой и отраженный солнечный свет и другие излучения мешают принимать сигналы. А что, если и здесь применить методы обычной радиосвязи, то есть использовать только отдельные области светового спектра, отдельные участки радуги цветов, из которых слагается белый цвет? Ведь концентрируя энергию в узком участке спектра, легче перекрыть возможные световые помехи. Да и длину волны для связи можно выбрать такой, на которую меньше всего приходится излучений от Солнца, Земли, Луны, планет и звезд.
Оказалось, что молекулы и атомы вещества при определенных условиях могут излучать электромагнитные волны, то есть являются своеобразными микрогенераторами. Дело в том, что элементарные частицы, из которых состоят молекулы, атомы и ионы, совершают различные колебательные и вращательные движения. Энергия этих частиц не может иметь любую величину, а принимает строго определенные значения, называемые энергетическими уровнями. Значит, переход с одного уровня на другой должен происходить мгновенно, скачком.
Частицы обладают способностью под действием электромагнитного излучения определенной частоты поглощать энергию и взбираться при этом на более высокий энергетический уровень. Но «чувствуют» они там себя очень неудобно. Достаточно легкого толчка — и частицы «сваливаются» на более низкий уровень.
Равновесие так неустойчиво, что в некоторых случаях это может происходить и самопроизвольно (спонтанно). Во время «падения» излучаются запасенные ранее порции энергии. Частота излученной электромагнитной волны зависит от того, с какого и на какой энергетический уровень перескочили частицы. Больше перепад энергий — больше частота.
А что, если взять кристалл, состоящий из подобных частиц, в течение некоторого времени переводить их на один из высших уровней, а затем одновременно все столкнуть вниз? Тогда накопленные каждой частицей капельки энергии (кванты) выплеснутся в виде мощного импульса электромагнитной энергии строго определенной частоты.
Автор: В. А. Соколов, Ю. Ф. Иванов.