Проблеми зв’язку в космосі

З кожною секундою корабель все далі йшов від Землі. Ось він вже став завбільшки з Місяць, а незабаром і зовсім загубився серед тисяч сріблястих іскорок на чорному оксамиті космосу. Корабель безшумно рухається по вибраній траєкторії, прилади уважно стежать за курсом. Але стрімкість польоту вже перестала відчуватися. Здається, що корабель назавжди зупинився десь на півдорозі до мети. І ще ця гнітюча тиша! Легке клацання – приймач включений. І вмить кабіна корабля наповнилася живими звуками Землі. Чутні музика, слова. Це рідна планета шле привіт відважним космонавтам. Вона уважно стежить за їх польотом, вона поруч з ними. Поруч! Передаються координати корабля, листи близьких, земні новини. Включений передавач космічного корабля. І ось вже Земля слухає черговий рапорт з глибин космосу: «Самопочуття відмінне! Політ проходить нормально!» Зв’язок! Без нього немислимий космічний політ. Радіотехніка, яка народилася всього трохи більше століття тому, дала в руки дослідників космосу потужний, надійний та ефективне засіб зв’язку.

Історія розвитку радіозв’язку – це безперервна боротьба за все більш і більш короткі хвилі. Спочатку люди працювали на довгих і середніх хвилях. Коли навчилися створювати короткі хвилі (завдовжки до 10 метрів), могло здатися, що можливостям їх немає кордонів. Стало простою справою, використовуючи здатність, цих радіохвиль відбиватися від Землі та іоносфери, встановлювати зв’язок з будь-яким місцем на земній кулі.

Але ось з’явилося телебачення, і знадобилося освоєння нового діапазону радіохвиль – з довжинами від 10 до 1 метра. Їх назвали ультракороткими. Радіолокація і радіорелейні лінії змусили працювати на ще більш коротких хвилях: їх довжина вимірювалася вже сантиметрами.

А зараз на озброєння радіотехнікою взяті хвилі навіть коротше сантиметра. Але все це «земна техніка». З виходом ж людини в космос постала необхідність у створенні нової, космічної радіотехніки і насамперед радіозв’язку.

КОСМОС, АТМОСФЕРА І ЗВ’ЯЗОК

На перших порах для зв’язку з штучними супутниками радіотехніка використовувала радіохвилі обжитого короткохвильового і ультракороткохвильового діапазонів. Вони, як відомо, вільно проникають через іоносферу Землі. До того ж відстані між супутниками і наземними станціями, які обчислюються всього тисячами кілометрів, були звичайними для існуючої радіоапаратури.

Але коли в плавання вирушили перші космічні ракети і кораблі, знадобилося підтримувати з ними радіо-і телевізійний зв’язок на відстанях до сотень тисяч кілометрів. Ця задача зовсім не проста і ось чому.

«Космічний корабель вийшов за межі атмосфери. Двигуни закінчили роботу, Настала тиша … » Так нерідко починають свою розповідь про міжпланетні подорожі письменники-фантасти. Уявлення про космос у нас нерозривно пов’язується з чорним і безмовним, саме безмовним простором. Але чи так вже він мовчазний? Якби космонавт був здатний «чути» відразу всі радіохвилі, то його оглушили б скрип і скрегіт радіоголосів зірок. У різних напрямках, не зустрічаючи на своєму шляху перешкод, мчать радіохвилі всіляких довжин, створюючи перешкоди для зв’язку з космонавтами. А для хорошого прийому необхідно, щоб сигнал, що приходить в антену, був сильнішим за потрапляючі туди ж шуми. Тому належало дослідити, чи немає серед всього спектра радіохвиль, які переповнюють космос, відносно тихої ділянки. Виявилося, що є. Виміри показали, що космічний простір заповнений найменше хвилями довжиною в десятки сантиметрів. Значить, робоча хвиля повинна бути такої ж довжини.

Але одного правильного вибору робочих хвиль недостатньо. Якщо, наприклад, застосувати у радіопередачі з району Марса або Венери звичайну антену, що випромінює радіохвилі в однаковій мірі в усі сторони, то до Землі добереться лише крапля з океану цієї енергії, що випромінюється антеною. Як же бути?

Згадайте: людина, яка розмовляє з співрозмовником на великій відстані, споруджує з долонь подобу рупора, за допомогою якого спрямовує найбільшу кількість енергії свого голосу в одну, потрібну їй сторону. Точно так само і в радіозв’язку застосовують антени, направляючи випромінюючі радіохвилі.

Ось чому якщо на штучних супутниках Землі ще застосовувалися антени з круговим випромінюванням, то при польотах до планет доведеться використовувати гостронаправлені антени, так звані параболічні рефлектори. Антена подібного типу була встановлена на автоматичній міжпланетній станції, відправленій в район Венери. Правда, застосування таких антен породжує нові технічні труднощі.

Адже для того, щоб радіопромінь не “промахнувся», потрапив в Землю, необхідно з високою точністю орієнтувати антену або всю станцію в просторі.

Інша група хвиль пропускається атмосферою через інше вікно – «радіовікно» – і являє собою вже знайомі нам радіохвилі довжиною від 1 сантиметра до 10 метрів. Всі інші випромінювання або нещадно поглинаються молекулами повітря, озоном, киснем, іоносферою, або відображаються останньою. Через «радіовікно» атмосфери і став здійснюватися космічний зв’язок. І незаслужено довго не згадували про вузеньке оптичне «віконце», використання якого для зв’язку при космічних польотах майбутнього таїть колосальні можливості.

У «оптичне вікно» атмосфери проникає такий спектр хвиль, що його можна було б використовувати для одночасної передачі декількох десятків мільйонів телевізійних програм, в той час як «радіовікно» обмежило б це число всього декількома тисячами. Необхідність створення найближчим часом систем наддалекого космічного зв’язку привела вчених і інженерів до необхідності випробувати для цієї мети, як хвилі видимого світла, так і інфрачервоні і ультрафіолетові.

На Землі для прийому сигналу, ослабленого дорогою в мільйони кілометрів, застосовуються також направлені антени у вигляді увігнутих дзеркал. Щоб вловити побільше корисної енергії, площа цих антен повинна бути якомога більшою. Сучасні антени-гіганти – складні інженерні споруди, багатометрові розміри яких витримані з точністю до декількох сантиметрів або навіть міліметрів. Дзеркало однієї з найбільших антен (Англія, експериментальна станція в Джодрелл Бенк) має діаметр 76 метрів! Вага антени – 2000 тонн, а її бетонної основи – 10 тисяч тонн. І такою махіною потрібно ще дуже точно управляти, повертаючи її слідом за космічним кораблем або планетою. А без подібних споруд нема чого зараз і думати про далекий космічний радіозв’язок.

Якщо, наприклад, використовувати для передачі з Марса типову сучасну радіотелеметрію, застосовувану американцями для зв’язку з міжконтинентальними балістичними ракетами і з антеною «нормальних» розмірів (до декількох метрів), то буде потрібно передавач потужністю близько мільйона ват. Воістину астрономічна величина! Відстані такі великі, що, навіть прийнявши на озброєння всі новинки радіоелектроніки, такі, як величезні гостронаправлені антени, майже безшумні приймачі, спеціальні способи обробки сигналів тощо, можна буде передавати з району Марса або Венери при реальних потужностях передавачів досить убогу інформацію.

І це при віддаленнях всього лише в десятки мільйонів кілометрів! А як же бути при майбутніх польотах до кордонів сонячної системи, звідки навіть таке потужне джерело світла, як наше Сонце, представляється пересічною зіркою мінус четвертої величини, що для земного спостерігача відповідає яскравості Венери? Вирішення питання можна знайти в концентрації радіохвиль в ще більш вузькі пучки. Чим більше відношення площі дзеркала антени до довжини випромінюваної нею хвилі, тим вужче промінь. Тому добре було б працювати на радіохвилях міліметрового діапазону. Антени мали б тоді набагато менші розміри, ніж ті, які застосовуються зараз в космічному зв’язку. Але тут в повний голос починає заявляти про себе повітряна оболонка Землі.

Здавалося б, що може бути більш прозорим, ніж чисте повітря? Ні скло, ні пластмаса не можуть з ним конкурувати. Навіть шар повітря товщиною в сотні кілометрів не в змозі позбавити нас можливості милуватися дорогоцінними розсипами зірок. І все-таки повітря не можна назвати абсолютно прозорим. Справа в тому, що атмосфера пропускає лише невелику частину всіх електромагнітних хвиль.

Хвилі, що сприймаються нашим оком як видиме світло, і примикаючі до них області інфрачервоних і частково ультрафіолетових хвиль проникають до Землі через так зване «оптичне вікно» атмосфери. Граничні довжини хвиль, що пропускаються цим вікном, нараховують всього, з одного боку, десятки, з іншого – сотні мільйонних часток сантиметра.

КОСМІЧНИЙ ПРОЖЕКТОР

Зараз вже існує багато проектів використання світла як засобу зв’язку в космосі. При ближніх рейсах (Марс, Венера) передбачається використовувати «безкоштовні» сонячні промені. Система зв’язку повинна виглядати при цьому таким чином. Сонячне випромінювання збирається одним, порівняно невеликого розміру, дзеркалом і випромінюється в потрібному напрямку іншим дзеркалом. Чергуванням спалахів можна передавати інформацію. На приймальному кінці увігнуті дзеркала приймають випромінювання і концентрують його в фокусі на чутливому елементі. Така система навіть при дзеркалах діаметром близько метра може забезпечити задовільний зв’язок з Марсом. Вже побудовані і випробовувалися системи зв’язку на сонячних променях, здатні передавати інформацію на 15 мільйонів кілометрів.

Можливе застосування і штучних джерел світла. В даний час одним з найбільш яскравих вважається плазма – хмарина, що утворюється в результаті вибуху тонкої проволочки при пропущенні через неї потужного імпульсу електричного струму. Ця хмарка є джерелом хвиль різної довжини, в тому числі і світлових. Але найбільша кількість випромінюваної енергії припадає при цьому на довжини хвиль близько однієї мільйонної частки сантиметра. Це – ультрафіолетове випромінювання. Використання такого випромінювання для зв’язку з космічними кораблями зажадає виносу наземного передавача і приймача за межі атмосфери, так як остання малопрозора для ультрафіолетових променів.

Розрахунки показують, що за допомогою такої системи може бути здійснений зв’язок на відстані в кілька діаметрів сонячної системи, зате при зв’язку з Марсом (60 мільйонів кілометрів) можна буде в безхмарну погоду передавати і приймати повідомлення прямо з поверхні Землі, не рахуючись з атмосферою.

Описані системи зв’язку засновані на використанні досить широкого спектра хвиль видимого або ультрафіолетового випромінювання. Всі вони мають той недолік, що пряме і відбите сонячне світло та інші випромінення заважають приймати сигнали. А що, якщо і тут застосувати методи звичайного радіозв’язку, тобто використовувати тільки окремі області світлового спектра, окремі ділянки веселки кольорів, з яких складається білий колір? Адже концентруючи енергію у вузькій ділянці спектра, легше перекрити можливі світлові перешкоди. Та й довжину хвилі для зв’язку можна вибрати таку, на яку найменше припадає випромінювань від Сонця, Землі, Місяця, планет і зірок.

Виявилося, що молекули і атоми речовини за певних умов можуть випромінювати електромагнітні хвилі, тобто є своєрідними мікрогенераторами. Справа в тому, що елементарні частинки, з яких складаються молекули, атоми і іони, скоюють різні коливальні і обертальні рухи. Енергія цих частинок не може мати будь-яку величину, а приймає строго певні значення, звані енергетичними рівнями. Значить, перехід з одного рівня на інший повинен відбуватися миттєво, стрибком.

Частинки мають здатність під дією електромагнітного випромінювання певної частоти поглинати енергію і підійматися при цьому на більш високий енергетичний рівень. Але «відчувають» вони там себе дуже незручно. Досить легкого поштовху – і частки «звалюються» на більш низький рівень.

Рівновага така нестійка, що в деяких випадках це може відбуватися і мимовільно (спонтанно). Під час «падіння» випромінюються запасені раніше порції енергії. Частота випроміненої електромагнітної хвилі залежить від того, з якого і на який енергетичний рівень перескочили частинки. Більше перепад енергій – більше частота.

А що, якщо взяти кристал, що з подібних частинок, протягом деякого часу переводити їх на один з вищих рівнів, а потім одночасно всі зіштовхнути вниз? Тоді накопичені кожною частинкою крапельки енергії (кванти) виплеснуться у вигляді потужного імпульсу електромагнітної енергії строго певної частоти.

Автор: В. А. Соколов, Ю. Ф. Іванов.