XX. ПОДВОДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

XX. ПОДВОДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Когда в ноябре 1953 года Британское ведомство связи, Канадская корпорация трансокеанской связи и Американская телефонно-телеграфная компания подписали соглашение о прокладке первого трансатлантического телефонного кабеля, они уже имели достаточный опыт в изготовлении подводных усилителей различных типов.

Ведомство связи встроило один подводный усилитель в кабель, проложенный в Ирландском море между островами Англси и Мэн, в начале 1943 года после пяти лет экспериментальных работ. Затем усилители вмонтировали в телефонный кабель, идущий в Европу. Однако эти усилители укладывались в сравнительно мелких водах и могли не выдержать колоссального давления океанских глубин.

В Соединённых Штатах, наоборот, с самого начала заинтересовались усилителями, которые могли работать на больших глубинах. Как мы уже упоминали в главе XVI, достижения в области электроники в тридцатых годах заставили серьёзно задуматься о возможностях подводной трансатлантической телефонной связи с помощью усилителей, и в этом направлении были проделаны большие экспериментальные работы, в основном в период до и во время второй мировой войны.

Эти работы достигли кульминации в 1950 году, когда был проложен телефонный кабель между Ки-Уэст (Флорида) и Гаваной (Куба) на расстояние около двухсот двадцати километров. Всего на этой линии было установлено шесть усилителей, причём некоторые на глубине до 2000 метров[58].

Прокладка подводной линии. В воду погружается торпедообразный усилитель двустороннего действия в жёстком корпусе

С самого начала предполагалось, что этот кабель будет прототипом будущего трансатлантического кабеля, поэтому за его работой велось тщательное наблюдение. По истечении двух лет безаварийной работы кабеля между Британским ведомством связи и Американской телефонно-телеграфной компанией начались технические совещания. Но сразу же при рассмотрении основных технических положений, определяющих прокладку трансатлантического телефонного кабеля, возникли серьёзные разногласия. В конечном счёте они были преодолены, но, чтобы понять, почему они возникли, необходимо более подробно остановиться на подводных усилителях.

Усилительное устройство состоит из нескольких электронных ламп, соединённых друг с другом в определённой последовательности. Оно предназначено для усиления (в миллион раз) слабого входящего сигнала и для посылки этого сигнала в следующую секцию коаксиального кабеля. Усилитель должен быть заключён в абсолютно водонепроницаемую оболочку, способную к тому же выдерживать давление водяного столба высотой в несколько километров. Такая оболочка достаточно массивна и тяжела. В то же время усилители, вытравливаясь вместе с кабелем по мере движения судна, должны надёжно укладываться на морском дне.

Направляющий шкив кормовой кабелеукладочной машины

Британские мелководные усилители заключены в толстые, жёсткие трубы, по форме и размерам напоминающие торпеды, и судно должно остановиться для того, чтобы переправить такую трубу за борт и уложить её на морское дно. Это несложно на небольших глубинах, но в океане остановка судна может вызвать закручивание кабеля.

Дело в том, что спирально наложенная проволока, которая образует броню кабеля, имеет тенденцию к раскручиванию, если кабель длиной, скажем, в четыре-пять тысяч метров и весом в несколько тонн свободно повисает под кораблем. При остановках судна это явление вызывает выпирание отдельных проволок из повива брони, образование узлов и в результате повреждение кабеля. Другое дело, если судно имеет равномерный ход, в этом случае опасность закручивания кабеля минимальна. Но, как мы уже упоминали, жёсткие усилители невозможно укладывать на ходу судна, а значит, повреждения кабеля неизбежны.

Чтобы всё-таки избежать этой опасности, инженеры "Белл Лэбс" сконструировали гибкий усилитель, который ненамного отличается по своей форме от кабеля и как бы составляет его неотъемлемую часть. Участок, где встроен усилитель, напоминает огромного удава, проглотившего свою жертву. Очень трудно расположить электронную усилительную аппаратуру в трубке диаметром около 25 миллиметров так, чтобы она надёжно в течение десятилетий работала на большой глубине. К тому же эта трубка должна обладать способностью изгибаться вокруг барабана диаметром немногим более двух метров (210 сантиметров – диаметр шкива кабелеукладочной машины на судне). Ниже мы увидим, как это сделано. Столь малый диаметр глубоководных гибких усилителей получился в результате того, что их спроектировали для передачи сигналов только в одном направлении. Аппаратура, предназначенная для усиления сигналов, передаваемых в обоих направлениях, просто не умещалась в таком усилителе.

В отличие от американских, английские усилители проводят сигналы в обоих направлениях. Бодее того, в них для передачи как в одну, так и в другую стороны установлено по два параллельных усилительных комплекта, один из которых является резервным. Если один из них выйдет из строя, линия будет продолжать работать так же эффективно.

Электронная аппаратура в английских усилителях более современна, чем в американских. Инженеры "Белл Лэбс" использовали уже испытанные типы электронных ламп, хорошо зарекомендовавшие себя в течение ряда лет. Они руководствовались следующим правилом: если отправляешься в путешествие и хочешь, чтобы обошлось без аварий, закажи себе машину по образцу "Ролле Ройса" 1935 года; она гораздо надёжнее самого современного автомобиля, хотя и делает не более 30 километров в час.

В результате нашли следующий компромисс. Американские усилители решили уложить по дну Атлантики и соорудить для этого две линии – одну для передачи сигналов с востока на запад, другую – для. передачи в обратном направлении. Английские усилители двустороннего действия было предложено использовать в прибрежных водах, на небольшой глубине, а также на участке между Ньюфаундлендом и Новой Шотландией, где, разумеется, предусматривалась прокладка только одной кабельной линии. Телефонная связь Новой Шотландии с США и Канадой осуществляется по подземной кабельной линии и по ультракоротковолновой радиорелейной линии.

Следующая проблема, которую предстояло решить, — это выбор трассы линии. Дело в том, что в тот момент Атлантику пересекало не менее двадцати телеграфных кабелей. Весьма важно было проложить телефонный кабель как можно дальше от них. Большинство из них брало начало в юго-западной части Ирландии. Для телефонной линии выбрали трассу, лежащую севернее. Она начиналась в Шотландском городке Обан; таким образом, Ирландия оставалась в стороне.

На западном конце кабель должен выходить на берег у Кларенвилла, на несколько километров севернее места, где сходятся четырнадцать телеграфных кабелей. Линия для передачи из Америки в Европу будет прокладываться первой. Вторая линия пойдёт ещё на 30-35 километров севернее с тем, чтобы в случае необходимости подъёма кабеля на поверхность обеспечить безопасность первой.

Остальные технические детали были уточнены на совместных совещаниях участников предприятия. Несмотря на ряд трудно разрешимых проблем (некоторых из них мы коснёмся в главах XXI и XXII), технический проект общей стоимостью в 14 миллионов фунтов стерлингов был завершён в течение трёх лет, на несколько месяцев раньше назначенного срока.

Общие затраты разделили между Соединёнными Штатами, Англией и Канадой, причём было оговорено, кто какое оборудование поставляет, а также какой объём работ выпадает на долю каждого участника. Вероятно, наиболее дорогой статьёй расходов была поставка ста двух глубоководных усилителей фирмой "Вестерн электрик". Их производство осуществляла специальная фабрика в Хилсайде (штат Нью-Джерси). Почти весь кабель (за исключением 365 километров) изготовили на заводе в Эрите (графство Кент) компании "Сабмарин Кэйблз Лтд".

Британское ведомство связи изготовило жёсткие усилители для мелководного участка Ньюфаундленд – Новая Шотландия и предоставило судно для прокладки кабеля. Кабельное судно "Монарх" – крупнейший корабль, предназначенный для прокладки кабеля. Совершенно очевидно, что любое другое судно того времени не могло бы выполнить работу по прокладке телефонной трансатлантической линии. Даже "Монарх" вынужден был прокладывать каждый из двух кабелей глубоководного участка трассы в три приёма.

Кабельное судно "Монарх"; длина 146 м, ширина 16,7 м; на носу расположены шкивы машины для подъёма кабеля со дна для ремонта

Разумеется, такое крупное инженерное сооружение, как трансатлантическая телефонная кабельная линия, не могло быть заслугой одного какого-либо лица. И хотя ответственность за проект несли президент "Белл Лэбс" Мервин Келли и главный инженер Британского ведомства связи Гордон Радлей, истинными творцами всей системы были сотни инженеров и учёных, имена которых, возможно, никогда не станут известны.

Мы коснёмся в этой книге только основных проблем, отставив в сторону детали, так как они могли бы составить отдельную книгу, которая представляла бы интерес только для узкого круга специалистов (хотя, как утверждал известный художник Чик Сэйл, нет такого специалиста, который не мог бы преподнести свой предмет интересно, если он знает, как это сделать). Прежде всего мы остановимся на основе всей системы – на гибких подводных усилителях, которые по существу и сделали возможной трансатлантическую телефонную связь.

В первой трансатлантической телефонной кабельной линии насчитывается всего сто два глубоководных усилителя, причём пятьдесят один усилитель транслирует сигналы с востока на запад и столько же – в обратном направлении. Усилители расположены на расстоянии около 70 километров один от другого. Вся система представляет собой одно из наиболее совершенных устройств, когда-либо созданных человеком.

Электрическая схема усилителя довольно проста – она примерно такая же, как в радиоприёмнике средней сложности. Каждый усилитель состоит из трёх электронных ламп очень надёжной конструкции и из шестидесяти сопротивлений, конденсаторов и других деталей электрической цепи. Не составило бы большого труда сделать усилитель, устойчиво работающий в обычных условиях на протяжении нескольких лет. Однако для подводных усилителей требования значительно повышаются. Каждый из них является звеном одной цепи. Если он выйдет из строя, система в целом придёт в негодность. В обоих кабелях глубоководного участка линии всего триста шесть электронных приборов и около шести тысяч других деталей. Для того чтобы система надёжно работала в течение двадцати лет, необходимо предъявлять к качеству изготовления каждой детали максимально высокие требования. К счастью, большинство электродеталей почти не поддаётся износу. Сопротивление или катушка индуктивности, выполненные надлежащим образом, практически вечны.

Каждый усилитель должен обеспечить передачу достаточно широкой полосы частот с тем, чтобы по кабелю можно было вести одновременно тридцать шесть телефонных разговоров. Усилитель работает на относительно низких, сравнительно с радиоспектром, частотах (длинные волны) в диапазоне от 12 до 174 килогерц. Человеческое ухо легко могло бы улавливать колебания на нижнем пределе этой полосы – они воспринимались бы в виде тонкого писка[59].

Тридцать шесть каналов, по которым идёт передача, расположены в телефонном усилителе гораздо плотнее, чем в обычном приёмнике, так как для передачи человеческой речи требуется меньший диапазон частот, чем, скажем, для музыки. Но если возникает необходимость, два или три разговорных канала объединяют и используют для передачи музыки.

Чтобы сигнал, затухая, не исчез совсем на протяжении 70 километров кабеля, каждый усилитель должен усилить его по меньшей мере в миллион раз. А так как всего в одном направлении действует пятьдесят один усилитель, то, значит, усиление по всей линии достигает фантастической цифры – миллион, умноженный сам на себя пятьдесят один раз, что означает число, выраженное единицей с 306 нулями!

Попробуем представить себе это число. Назвать его астрономическим нельзя. В астрономии нет такой величины. Количество песчинок на земле? Это слишком малое число, с ним не стоит сравнивать. Даже если бы вся земля была сделана из песчинок, их количество выразилось числом примерно с тридцатью нулями. Количество электронов в космосе? Да, это число несколько больше, но и для его написания достаточно восьмидесяти нулей.

Такая, действительно фантастическая цифра появляется дважды в расчётах, связанных с трансатлантическим кабелем. Это не только общее усиление, которое должны обеспечить усилители по всей длине кабеля по мере прохождения сигнала, но и общие потери энергии на этой дистанции, которые и восполняются усилителями. Вот каким балансом энергии оперировали инженеры, проектируя подводный телефонный кабель. Ещё один яркий пример. Если энергию всех видимых звёзд собрать воедино и направить на Землю, уменьшив в 10³⁰⁶ раз, то сигнал станет настолько слабым, что его невозможно будет уловить.

Для питания цепей накала и анода электронных ламп в схему подаётся постоянный ток, который проходит по внутреннему проводнику кабеля. К каждому концу линии прикладывается напряжение в 2000 вольт. При этом полярность напряжения на концах кабеля различна, так что суммарная разность потенциалов составляет 4000 вольт.

Более подробно об электронике системы сказано в главе XXI, написанной для тех, кто захочет ознакомиться с этим вопросом детальнее. В равной степени, а возможно и в большей, представляет интерес механическая часть усилителей. Каким образом три электронные лампы и шестьдесят других деталей смонтированы в узкой трубке, которая к тому же обладает способностью выгибаться по шкиву диаметром около двух метров и выдерживает давление почти в полтонны на квадратный сантиметр?

Механическая часть усилителя состоит из семнадцати коротких трубочек, сделанных из прозрачной пластмассы, каждая длиной в 15 сантиметров, гибко сочленённых между собой, так что усилитель в целом может изгибаться по кривой, как вагоны поезда на повороте. Для придания необходимой прочности вся серия пластмассовых трубочек защищена двумя слоями стальных колец, перекрывающих друг друга. Всё это заключено в длинную медную трубку, поверх которой накладывается сначала подушка из нескольких слоев джута, а затем броня из стальных проволок. После того, как усилитель испытан, в него заводят короткие отрезки кабеля – выводные концы и ещё раз окончательно бронируют вместе с кабелем. Усилитель, готовый к укладке на морское дно, выглядит как утолщение на кабеле длиной в 2,4 метра и диаметром, плавно переходящим от 50 к 25 миллиметрам[60].

Ничто не говорит о том, что в утолщении заключено оборудование стоимостью в 20 000 фунтов стерлингов. Такая высокая стоимость объясняется строжайшим отбором деталей – менее одного процента изготавливаемых образцов удовлетворяет всем поставленным требованиям. Большое внимание уделяется упаковке и транспортировке готовых усилителей. В Америке они помещались каждый в отдельный контейнер, предохраняющий от ударов, причём в контейнере поддерживалась постоянная температура. Затем они доставлялись самолётом в Англию, встраивались на заводе в кабель и после этого уже вместе с ним попадали на борт "Монарха".

Так выглядели глубоководные трансокеанские, в частности первые трансатлантические, бронированные телефонные кабели до 1961 года

К изготовлению кабеля предъявлялись столь же высокие требования. Особенно это касается брони. Секции кабеля, погруженные глубоко на морское дно, подвержены меньшей опасности повреждения, чем те, которые лежат в мелководье, вблизи берегов. Береговые кабели могут быть повреждены траулерами, прибоем, якорями и даже морскими животными.

Кабель глубоководной секции имеет наружный диаметр около 30 миллиметров и состоит из десяти слоев, считая от центрального медного проводника до наружного джутового покрова. Интересно отметить, что глубоководный кабель имеет один рудиментарный придаток, как аппендикс у человека, совершенно бесполезный на больших глубинах и оставшийся от первоначального периода развития кабельной техники. На заре подводной телеграфной связи, когда кабель прокладывался в основном на небольших глубинах и нередко в тропических водах, некоторым обитателям океанских просторов пришлась по вкусу изоляция кабеля и это нередко приводило к повреждению линии[61]. Чтобы избежать этого, поверх изоляции спиралью накладывалась тонкая медная лента. Это делается и сейчас, хотя трудно предположить, что на больших глубинах океана водятся животные, способные поедать изоляцию.

Помимо того, что кабель с целью уменьшения потерь энергии должен быть изготовлен из высококачественных материалов, к нему предъявляются также высокие требования в части однородности его характеристик по всей длине. Малейшее отклонение диаметра любого из проводников от номинального значения или смещение внутреннего проводника относительно центра кабеля вызывает помехи.

Кабель изготовлялся в течение двух лет с таким расчётом, чтобы завершить прокладку линии в августе, так как позднее погода в Северной Атлантике становится крайне неблагоприятной. Чтобы успеть к этому сроку, компания "Сабмарин Кэйблз Лтд" построила на берегу Темзы специальный завод и углубила дно около причала с тем, чтобы кабель прямо с завода можно было грузить на судно "Монарх".

Погрузка трансатлантического кабеля в баки "Монарха" непосредственно с завода, расположенного на берегу Темзы. Кабель подаётся по эстакаде с помощью роликов

Участок линии между Ньюфаундлендом и Новой Шотландией также является выдающимся техническим достижением. Между Кларенвиллом и Сидни-Майнс установлено 16 подводных усилителей двустороннего действия, изготовленных компанией "Стандарт Телефоунз энд Кэйблз Лтд". Усилители дают возможность вести одновременно тридцать шесть телефонных разговоров в одном направлении и тридцать шесть в другом. В направлении запад-восток передача ведётся на частотах от 20 до 260 килогерц, в направлении восток-запад – на частотах от 312 до 552 килогерц. Таким образом, возможность влияния встречных передач друг на друга исключена[62].

После усиления сигналы одного и другого направлений как бы сортируются электрическими фильтрами. Итак, на участке между Ньюфаундлендом и Новой Шотландией тридцать шесть каналов одного направления и тридцать шесть – другого расположены рядом и организованы по одному кабелю, в то время как в Атлантике кабели восточного и западного направлений разнесены на расстояние почти сорок километров один от другого.

Кабельная линия длиной около 100 километров пересекает Ньюфаундленд по суше и идёт от Кларенвилла на восточном побережье до Терренсвилла на западном. На этом участке кабель надо было прокладывать в труднодоступной местности через каменные нагромождения, часто при низкой температуре. И сухопутная прокладочная группа, должно быть, завидовала команде "Монарха", которая лишь следила за вытравливанием кабеля в океан во время беспрепятственного движения корабля через Атлантику.

Чтобы закончить эту главу, проследим ради любопытства, какие изменения претерпевает человеческий голос на пути, скажем, из Нью-Йорка в Лондон.

Звуковые волны, возбуждаемые гортанью и голосовыми связками говорящего человека, вызывают колебания мембраны микрофона; последняя давит на зёрна угольного порошка, контакты между которыми становятся то более, то менее плотными. При пропускании через порошок постоянного тока, в результате изменения давления, сопротивление порошка то уменьшается, то увеличивается. В цепи возникают колебания электрического тока, соответствующие колебаниям мембраны. При этом человеческая речь преобразуется в электрические колебания примерно той же частоты – от 300 до 3000 герц.

Эти колебания передаются через местную телефонную сеть на междугородную телефонную станцию в Уайт Плэйнс, расположенный в 50 километрах севернее Нью-Йорка. Здесь эти колебания впервые попадают в коаксиальный кабель, по которому одновременно ведутся десятки других разговоров, и преобразуются в высокочастотные колебания, не воспринимаемые слухом. Так, при помощи электромагнитных волн высокой частоты осуществляется передача по кабелю. Подобно этому происходит трансляция в эфире человеческой речи или музыки посредством радиоволн.

Интересно, что через 500 километров, в Портленде (штат Мэн), электромагнитные волны из кабеля действительно переходят в эфир, претерпевая при этом ещё одно частотное преобразование.

Дальнейшая передача от Портленда идёт по радиорелейной линии связи, от вышки к вышке, с частотой примерно 4000 мегагерц (т. е. 4 миллиарда герц), что соответствует волнам длиной 7-8 сантиметров, подобным тем, которые используются во многих радиолокационных установках. Ультракороткие волны пересекают штаты Мэн, Нью-Брунсуик и территорию Новой Шотландии, проходят расстояние в общей сложности около 1100 километров и достигают местечка Сидни-Майнс, расположенного на берегу залива Святого Лаврентия, как раз напротив острова Ньюфаундленд. Здесь кабель уходит под воду, неся волны, преобразованные до частот 20-260 килогерц.

Шестьсот километров сигналы идут по одному коаксиальному кабелю через шестнадцать усилителей двустороннего действия, расположенных через равные интервалы. Причём каждый телефонный разговор проходит совершенно независимо от тридцати пяти других разговоров, передаваемых параллельно с ним, и тридцати шести разговоров, идущих навстречу. Всё это обеспечивается предоставлением для каждого телефонного разговора своего частотного канала.

Рельеф дна океана на трассе первого трансатлантического телефонного кабеля ТАТ-1

На этом участке максимальная глубина прокладки кабеля составляет 360 метров. Затем сигналы на тех же частотах передаются в Кларенвилл, где начинается трансатлантический двухкабельный участок магистрали. На протяжении 3600 километров, иногда погружаясь на глубину до 4200 метров, сигналы идут по одному из кабелей (южному), проложенных по дну Атлантики. На этом пути сигналы пятьдесят один раз многократно усиливаются для того, чтобы достичь противоположного берега без потерь.

В девятистах километрах от британских берегов сигналы пересекают район подводных скал, известный под названием "банка Роколл", на протяжении тысячи метров следуют по нему, а затем опять уходят глубоко на дно океана. В 370 километрах от шотландского побережья начинается подъём морского дна, сначала резкий, а потом медленный, и, наконец, у небольшого городка Обан кабель выходит на поверхность. Впереди ещё 900 километров пути, но трудности уже позади. Дальше сигналы идут по коаксиальному кабелю, без помех достигают Глазго и, наконец, Лондона. Нет необходимости описывать их преобразование в человеческую речь, так как всё это следует в обратном порядке, вплоть до того момента, когда вибрирующая мембрана воспроизведёт человеческий голос, примерно так же, как это было во времена Грэхема Белла почти девяносто лет назад.

Потребовалось примерно две-три минуты, чтобы описать путь, который преодолевает человеческое слово, переданное из Нью-Йорка в Лондон. Для передачи же одного слова требуется в настоящее время не более одной десятой доли секунды. Как далеко шагнула техника! Ведь когда-то приветствие самой английской королевы Виктории американскому президенту Бьюкенену шло шестнадцать часов…