Способы и средства противолодочной обороны

Британское Адмиралтейство, обеспокоенное действиями немецких подводных лодок против британского торгового судоходства, продолжало разворачивать систему конвоев, всё более насыщая силы охранения торговых судов кораблями и самолётами противолодочной обороны. Кроме того, Адмиралтейство приступило к осуществлению трёх военных программ: по тралению мин, разработке и поставке на флот новых радиолокаторов и по совершенствованию действий радиоразведки.

Траление мин. В конце 1939 года англичане выловили в устье Темзы несколько немецких магнитных мин. Получив от немцев такой «подарок», они приступили к разработке способов траления (т.е. уничтожения) мин, поставленных противником в море. Наиболее эффективным оказался способ, получивший название «Двойная долгота».

Согласно предложенному способу, два деревянных минных тральщика, идя параллельным курсом на расстоянии около 300 ярдов друг от друга, тащат за собой по два электрокабеля, длинный и короткий. Один из кораблей служит катодом, а другой анодом. На обе пары кабелей с корабельных батарей синхронно подают импульсы постоянного тока длительностью в пять секунд. В результате такого действия в солёной морской воде замыкается электрическая цепь, создавая сильное магнитное поле площадью почти в десять акров.

Первые испытания были проведены в конце декабря 1939 года, а уже в феврале 1940 года было проведено семьдесят четыре траления, в результате чего было подорвано несколько десятков магнитных мин.

В 1940 году англичане также разработали несколько способов размагничивания кораблей с целью уменьшения вероятности их поражения как магнитными минами, так и торпедами с магнитными взрывателями. Согласно первому из предложенных способов, корпус корабля обматывали электрическим кабелем большого сечения, а по кабелю пропускали постоянный ток от корабельной сети. Позднее было обнаружено, что эффект размагничивания достигается и путём прокладки кабелей в стальных трубах внутри его корпуса. Ещё позже установили, что корабль можно размагнитить и в порту, если по всей длине корабля уложить мощный электрокабель и пропускать по нему ток в течение трёх месяцев. Хотя такой способ и занимал много времени, постепенно ему стали отдавать предпочтение, ибо постоянное нахождение кабелей на борту корабля представляло определённые неудобства.

Радиолокаторы. Основная задача, стоявшая перед британскими учёными и конструкторами, занимавшимися радиолокацией, заключалась в том, чтобы повысить надёжность радиолокационных станций дальнего обнаружения воздушных целей (самолётов «Люфтваффе»). В то же время перед ними стояла и другая задача: миниатюризировать бортовую радиолокационную аппаратуру для самолётов и малых надводных кораблей, таких как корабли эскортного сопровождения. К концу 1939 года исследовательской группе министерства авиации, руководимой Эдвардом Боуэном (по прозвищу «Тэффи»), удалось создать модели новых бортовых радиолокаторов (модель «ASV» для обнаружения подводных лодок и модель «А-I» для обнаружения ночных бомбардировщиков). Однако испытания аппаратуры, собранной в лабораторных условиях, лишь подтвердили необходимость технологического прорыва в создании бортовой радиолокационной техники.

Сотрудник министерства авиации Роберт Уотсон-Уатт, возглавлявший британские исследования в области радиолокации, пришёл к заключению, что из-за ограничений, накладываемых основными законами физики, пути миниатюризации радиолокационной аппаратуры, предложенные группой Боуэна, не приведут к цели. Чтобы ускорить решение нелёгкой проблемы, Уотсон-Уатт создал ещё одну группу по разработке бортовой радиолокационной аппаратуры, поставив во главе группы Фредерика Брандретта. Брандретт, в свою очередь, привлёк к работе специалистов физического факультета Бирмингемского университета. Декан факультета, австралиец Марк Олифент, взялся за работу вместе со своими коллегами Джоном Рэндаллом и Генри Бутом. Учёные быстро поняли: для решения задачи надо создать абсолютно новую электронную лампу, способную генерировать высокочастотные радиоволны достаточной мощности для нахождения таких малых объектов, какими являются бомбардировщики и подводные лодки. Другими словами, речь шла о создании мощного электронного усилителя нового типа, с помощью которого можно было бы точно фокусировать радиоволны.

Проведя ряд исследований, Рэндалл и Бут подготовили несколько научных статей, которые были опубликованы при содействии американского физика Альберта У. Халла. В двадцатые — тридцатые годы Халл, работая в научно-исследовательской лаборатории фирмы «Дженерал Электрик» в Шенектеди, штат Нью-Йорк, над созданием электронного прибора, призванного заменить радиолампу, изобрёл устройство, названное им «магнетроном». В этом устройстве поток электронов управлялся магнитным полем, вместо электрического. По разным причинам фирма «Дженерал Электрик» не стала выпускать магнетроны, но Халл продолжил свои исследования и даже опубликовал ряд работ, которые, впрочем, представляли интерес только для горстки специалистов. Сам по себе магнетрон Рэндаллу и Буту не понадобился в работе, однако из работ Халла они сумели извлечь несомненную выгоду, разработав в итоге резонаторный магнетрон. Вот что пишет по этому поводу историк Дэвид Фишер:

«Основное назначение магнетрона состоит в использовании магнитного поля для группирования электронов и направления их по желаемому маршруту. Рэндалл и Бут объединили принцип действия магнетрона с принципом действия полицейского свистка. Внутри полости свистка, в которую дуют, находится шарик. Сила вдуваемого воздуха заставляет шарик совершать беспорядочные движения, в результате чего образуются звуковые волны, которые после многократных отражений от стенок полости выходят наружу. Частота, с которой отражаются эти волны, определяет частоту издаваемого звука, а эта частота зависит от размеров полости резонатора. Таким образом, свисток большого размера издаёт длинноволновый низкий звук, а меньший свисток пищит на высоких тонах.

Рэндалл и Бут изготовили небольшой медный короб с массивными стенками и внутренней камерой заранее рассчитанного объёма. При пропускании электрического тока через медь и возникновении магнитного поля внутри камеры, служившей анодом, группировались электроны, которые под действием этого поля совершали многократные беспорядочные прыжки, отражаясь от стенок камеры. Во время своих прыжков электроны резонировали и испускали электромагнитные волны. Внутренний объём камеры был рассчитан таким образом, чтобы электроны совершали движение в пределах всего нескольких сантиметров между стенками, что позволяло им генерировать электромагнитные волны длиной в несколько сантиметров».

21 февраля 1940 года Рэндалл и Бут провели первые испытания резонаторного магнетрона. Не имея ни малейшего представления о его возможной выходной мощности, они подключили магнетрон к схеме, собранной из нескольких автомобильных фар, надеясь, что эти фары загорятся, по крайней мере, слабым светом. Однако мощность на выходе магнетрона оказалась настолько высокой, что все фары перегорели. То же самое произошло и потом, когда в качестве нагрузки были использованы более мощные фары от грузового автомобиля. Наконец, в качестве нагрузки магнетрона учёные использовали неоновые прожекторы, которые не перегорели и позволили Рэндаллу и Буту произвести замеры длины волны и выходной мощности. Как и следовало ожидать, длина волны оказалась равной 9,8 см. А вот выходная мощность небольшого экспериментального устройства оказалась равной 400 ватт. Устройство оказалось мощнее всех существовавших тогда авиационных бортовых радиолокаторов. Более того, не составляло труда повысить выходную мощность прибора в сто раз. Один из первых образцов нового радиолокатора смог обнаружить перископ подводной лодки на расстоянии, превышавшем семь миль.

Резонаторный магнетрон, обеспечивший практическую реализацию идеи миниатюризации радиолокаторов, явился одним из величайших научно-технических достижений времён Второй Мировой войны. В 1978 году английский автор Брайен Джонсон писал: «Невозможно преувеличить значение работы Рэндалла и Бута. Они подняли радиолокацию с уровня каменного века электроники на уровень сегодняшнего дня».

Криптография. Немецкая шифровальная машина «Энигма», использовавшаяся всеми военными и полувоенными организациями Третьего рейха, была создана голландцем Хуго Александром Кохом сразу после Первой Мировой войны. Патент на эту машину ещё в двадцатые годы был получен немецким инженером Артуром Шербиусом, безуспешно пытавшимся наладить её коммерческий сбыт. Позднее права на «Энигму» перешли к двум немецким фирмам («Хаймсот унд Ринке» и «Конски унд Крогер»), которые наладили её производство и выбросили на рынок. К 1930 году шифровальщики многих стран приобрели «коммерческий» экземпляр «Энигмы» для изучения. Многим из них удалось разгадать основной принцип работы этой машины.

«Энигма» представляла собой небольшой прибор с автономным питанием, похожий на пишущую машинку. Рабочим органом прибора служила трёхрядная клавиатура, содержавшая двадцать шесть букв. Вместо обрезиненного валика и откидывающихся рычажков с литерами прибор был оснащён плоской световой панелью, на которой в том же порядке, что и на клавиатуре, повторялись двадцать шесть букв. При шифровании оператор набирал сообщение на клавиатуре. Машина автоматически преобразовывала каждую букву текста в другую, которая появлялась на панели подсвеченной. Получивший сообщение адресат набирал его на клавиатуре своей «Энигмы», после чего на панели появлялся зашифрованный текст.

Шифровальный механизм машины был весьма сложен. Основная его задача состояла в том, чтобы направлять электрические импульсы с клавиатуры на световую панель наиболее запутанным и замысловатым путём. Основными элементами механизма являлись три вращающихся барабана или ротора, каждый около трёх дюймов в диаметре. На обоих торцах каждого ротора располагались двадцать шесть контактных точек, которые соединялись с контактными точками других роторов с помощью подпружиненных и скользящих контактов. Когда оператор нажимал какую-нибудь клавишу, то первый (правый) ротор поворачивался на 1/26 часть полного оборота, щёлкая, как автомобильный спидометр. После такого поворота взаимное расположение контактных точек роторов кардинально менялось, и электрический импульс направлялся по новому маршруту. Удар по второй клавише поворачивал первый ротор ещё на 1/26 часть оборота, прокладывая входным и выходным импульсам новый путь следования. После двадцати шести ударов по клавишам в работу включался второй (средний) ротор, который обеспечивал расширение процесса с помощью своих двадцати шести контактов. Затем вступал в действие третий (левый) ротор. Все три ротора вместе взятые обеспечивали получение 17.576 положений контактов (26x26x26). Кроме роторов в машине имелся «рефлектор», с помощью которого все электрические импульсы направлялись обратно через весь лабиринт контактных точек, что создавало виртуальную схему из шести роторов и обеспечивало дополнительное кодирование. На этом возможности «Энигмы» не заканчивались. Роторы машины были съёмными. Их можно было устанавливать на валу в шести сочетаниях (1-2-3, 1-3-2, 2-3-1 и т.д.). Использование этих сочетаний увеличивало число возможных положений ротора относительно друг друга до 105.456 (17.576х6). Однако и это ещё было не всё. В машине на наружных зубчатых венцах роторов были установлены храповые механизмы, что позволяло устанавливать начало поворота каждого ротора с любого из двадцати шести положений. Такое число положений каждого ротора, умноженное на 105.456, доводило число возможных электрических контактных соединений до астрономической величины[110].

Процессы шифровки и расшифровки не представляли для операторов особой сложности. От них требовалось одно: соблюдать особую точность в работе, руководствуясь предварительно подготовленным и разосланным меню. Порядок работы на «Энигме» был таков. Оба оператора (передававший сообщение и его принимавший) устанавливали роторы «Энигмы» в одинаковое положение (к примеру, в положение 1-2-3), затем поворачивали их на одно и то же число щелчков храпового механизма, после чего снова поворачивали роторы до появления в расположенных над ними окошках указанных в меню трёх букв из числа выгравированных на внешней стороне каждого ротора. При условии, что все три операции были выполнены в соответствии с полученным меню, машины обоих операторов были готовы к работе.

Оператор передающей стороны начинал автоматизированный процесс кодирования, пользуясь клавиатурой. Набирая одну за другой буквы текста, он направлял электрические импульсы по лабиринту электрических цепей, осуществляя автоматизированный процесс шифрования букв и вызывая загорание сигнальных лампочек на панели машины (буква «А» могла высвечиваться, к примеру, как «R»). Помощник оператора переписывал все появлявшиеся на панели буквы. После того как сообщение было набрано, его текст (высвеченный на панели) передавали радиотелеграфисту, который передавал сообщение адресату в телеграфном режиме посылками по пять букв каждая.

Получив зашифрованный текст сообщения, получатель набирал этот текст на клавиатуре своей машины, печатая букву за буквой. Машина автоматически расшифровывала эти буквы одну за другой, высвечивая их на панели (если следовать приведённому примеру, буква «R» на панели превращались в исходную букву «А»).

Поначалу криптологи были уверены в том, что расшифровать сообщение, закодированное с помощью «Энигмы», невозможно. Действительно, общее количество перестановок, получаемых в результате использования большого числа переменных, невообразимо. По одному из расчётов это число оказалось равным шести тысячам триллионов. Таким образом, здесь не могли помочь никакие известные способы дешифровки. Для этих целей не годились ни статистический анализ (учитывающий частоту повторения букв в тексте), ни математические методы расшифровки. Даже обладание «Энигмой», скоммутированной по образцу машины отправителя сообщения, не решало дела. Для того чтобы расшифровать сообщение, необходимо было безошибочно знать порядок расположения роторов, установки наружных зубчатых венчиков и смотровых окошечек, т.е. иметь меню, которое могло быть изменено передающей стороной в любую минуту.

Немецкие военные круги были в восторге от «Энигмы». Это был дешёвый, компактный, простой в эксплуатации аппарат, позволявший исключить расшифровывание набранных с его помощью текстов. Даже захват противником такого аппарата военные не считали большой бедой. На их взгляд, стоило поменять «ключи», и можно было работать дальше.

Первым, в 1926 году, «Энигмой» стал пользоваться немецкий военно-морской флот, а в 1929 году его примеру последовал рейхсвер. Для того чтобы повысить защищённость машины по сравнению с «коммерческим» образцом, немцы модифицировали коммутацию «Энигмы», установив под клавиатурой коммутационную панель телефонного типа, имевшую двадцать шесть штепсельных контактов (от «А» до «Z»). Когда какие-то из этих контактов шунтировались шнурами (совсем как на старинных телефонных коммутаторах), электрические импульсы проходили ещё через один лабиринт, что выводило число возможных контактных соединений за пределы математических представлений. Таким образом, для расшифровки текста, набранного «Энигмой» «военного образца», требовалось знать не только три «роторных ключа», но также и компоновку соединений коммутационной панели.

«Энигма» оказалась на удивление «гибкой» машиной, что позволило различным организациям Третьего рейха применять на практике свои системы кодирования. Каждая организация действовала по-своему: одна меняла в машине внутренние монтажные схемы, другая — предписывала операторам менять роторы, третья — вводила иные, известные только ей изменения. В итоге получилось так, что у армии, флота и авиации оказалось по своей «Энигме».

И всё же, как ни сложна была система кодирования, использовавшаяся в машине, нашлись умельцы, взявшиеся за разгадывание этой загадки[111]. В 1932 году за дело взялись польские дешифровщики Мариан Реджевский, Ержи Розицкий и Хенрик Зюгальский. Они начали свои исследования не с пустыми руками. Дешифровщики обладали не только «Энигмой» в «коммерческом» исполнении, но и шпионскими сведениями технического характера, полученными от немца Ганса-Тило Шмидта (по кличке «Аше»), тайно состоявшего на службе у шефа французских дешифровщиков Густава Бертрана. Кроме того, дешифровщики располагали большим количеством сообщений, набранных с помощью «Энигмы», а затем переданных в эфир и перехваченных польскими радиостанциями.

Поляки вскоре обстоятельно познакомились с немецкой системой шифрования текста с помощью «Энигмы». С особым интересом дешифровщики подметили одну из особенностей набора текста: в начале сообщения всякий раз повторялся блок из трёх произвольных букв. Выяснилось, что немцы вводят повтор для обеспечения надёжного приёма при неблагоприятных условиях передачи. Вот этот повтор и подвёл немцев. Многие немецкие операторы не утруждали себя и дважды набирали блок «ААА» или «АВС», а то и формировали его из букв, расположенных на клавиатуре по диагонали, получая таким образом блок «QSC» или «ESY». Поляки быстро сообразили: первая и четвёртая, вторая и пятая, а также третья и шестая буквы в начале любого текста всегда одинаковы. Кроме того, дешифровщики подметили, что радиообмен между немецкими радиостанциями имеет свой стиль, а передаваемые отдельными словами или даже фразами сообщения повторяют друг друга. Вскоре поляки научились расшифровывать некоторые слова, к примеру: «дивизия», «полк», «операция». Такие расшифрованные слова, а также обрывки болтовни между операторами во время проверки линии связи дешифровщики называли «кормушками». Вот эти «кормушки» и, конечно, сложный математический аппарат и помогли полякам «взломать» немецкую систему кодирования радиосообщений[112]. Однако самым удивительным было то, что поляки справились со своей задачей всего лишь за несколько недель. На протяжении последующих шести лет они постоянно расшифровывали немецкие сообщения, набранные на «Энигме». Для ускорения процесса расшифровки поляки сконструировали «циклометр», состоявший из двух комплектов роторов «Энигмы», определённым образом соединённых между собой. Кроме того, они составили обширную картотеку, содержавшую расшифрованные сообщения и другую информацию. Во время проведения двухнедельного «теста» в январе 1938 года польской команде из десяти человек удалось расшифровать 75% всех сообщений, набранных «Энигмой».

Однако 15 сентября 1938 года немцы преподнесли полякам сюрприз. Они исключили из рассылаемых операторам меню третий «ключ», обязав их самих определять положение роторов под смотровыми окошками, а набор букв в этих окошках передавать адресату, не зашифровывая перед началом передачи, и затем повторять его в том же виде в самом сообщении. Таким образом, третий «ключ» «Энигмы» стал постоянно меняться, что обесценило проведённые поляками работы. Однако они не впали в уныние. В скором времени Мариан Реджевский сконструировал хитроумную машину (своего рода суперциклометр), которую поляки назвали «бомбой»[113]. Сердцем машины служили восемнадцать взаимосвязанных роторов. По определённой команде машина начинала перебирать комбинации зашифрованных букв перехваченного поляками сообщения и работала до тех пор, пока не находила три незашифрованные буквы (третий «ключ» «Энигмы»). Для проведения полного объёма исследований требовалось шесть «бомб».

Одновременно с Реджевским проводил исследования и Хенрик Зюгальский. Он предложил свою методику поиска и обнаружения третьего «ключа» «Энигмы» с помощью перфорированных листов. Согласно предложенной им технологии, перфорированные листы плотной бумаги с нанесёнными на них колонками букв складывались особым образом в стопку и помещались на столик с подсветкой. Стопка содержала 156 листов, а каждый лист имел около 1000 отверстий, причём каждое было вырезано вручную с помощью бритвы. Искомые буквы обнаруживались после прохождения света через отверстия.

15 декабря 1938 года немцы сделали ответный ход. Они разослали всем операторам «Энигмы» по два дополнительных ротора, доведя общее их число в одном комплекте до пяти штук. Согласно новой инструкции, оператору полагалось перед началом работы установить в машине три ротора из пяти, руководствуясь полученным им меню.

Перед поляками встала новая непростая задача: определить схему коммутации каждого из новых роторов. И они с ней справились, правда не без помощи немцев. Немецкие организации СС и СД, хотя и стали изменять набор роторов при разработке меню для своих машин «Энигма», не удосужились внедрить новшество, принятое к использованию большинством военных организаций 15 декабря. Третий «ключ» они оставили прежним. Используя эту халатность немцев, поляки добились ещё одного достижения в области криптоанализа: определили схему коммутации новых роторов. Уже в январе 1939 года они без особого труда расшифровывали сообщения, переданные в эфир радиотелеграфистами организаций СС и СД.

А вот научиться находить третий «ключ» «Энигмы» при его постоянной смене и одновременном использовании в машине нового комплекта роторов поляки попросту не успели. Польше угрожала Германия, и в августе 1939 года, за несколько дней до начала войны, поляки передали все свои разработки французам и англичанам.

В Англии польские материалы попали в «Правительственную школу шифров и кодов» (ПШШиК)[114], располагавшуюся в Блечли-Парке, небольшом городке в пятидесяти милях от Лондона. Возглавлял школу Аластер Деннистон, его заместителем был Эдвард Трэйвис, а среди дешифровщиков, выделялись А. Дилуин Нокс и Уильям Ф. Кларк. Все они были знакомы с работой «Энигмы», однако ни одна из предпринятых ими попыток расшифровать сообщения, набранные на немецкой машине, не дала результата.

До войны ПШШиК не только занималась криптографическим анализом, но и готовило резерв для армейских служб радиоразведки. Среди слушателей организованных курсов выделялись своими знаниями преподаватели Кембриджского и Оксфордского университетов. Когда началась война, резервистов призвали на военную службу. В ПШШиК попали три блестящих математика Кембриджского университета: Гордон Уэлчман, Алан Тьюринг и Джон Р.Ф. Джеффрис.

Этим математикам были поручены разные работы. Алан Тьюринг занялся разработкой новой «бомбы», более мощной, чем польская, которой бы оказалось по силам противостоять любым немецким нововведениям, касавшимся «Энигмы». Джон Джеффрис взялся за изготовление огромного количества перфорированных листов бумаги, потребных для поиска и нахождения третьего «ключа» пятироторной «Энигмы». Гордон Уэлчман занялся изучением позывных немецких радиостанций. Однако вскоре эта работа Уэлчману надоела. Несмотря на то что ПШШиК из соображений секретности была разбита на специализированные отделы, Уэлчман заинтересовался работой, выходившей за рамки порученного ему задания. В скором времени он разработал, как простодушно считал, новую технологию поиска и обнаружения третьего «ключа» «Энигмы» с помощью перфорированных листов. Уэлчман передал свою разработку Дилуину Ноксу — увы, как оказалось, лишь для того, чтобы узнать, что он изобрёл «велосипед». Однако Уэлчман не пал духом. И правильно сделал.

Вскоре Уэлчмана озарило: ему в голову пришло техническое решение, позволявшее создать «бомбу», над разработкой которой мучился Тьюринг. Выслушав Уэлчмана, Тьюринг бросился к своим вычислениям. Всё сходилось. Идея коллеги оказалась блестящей. Через некоторое время Тьюринг закончил конструирование машины. По словам одного из военных историков, «бомба» Тьюринга, воплотившая в себе техническое решение, предложенное Уэлчманом, получилась «мощной и элегантной». Не сидел сложа руки и Джеффрис. В конце ноября 1939 года он вместе со своими помощниками закончил изготовление двух комплектов перфорированных бумажных листов. Один из этих комплектов был отправлен в Париж для французских и обосновавшихся в столице Франции польских дешифровщиков.

29 декабря поляки с помощью полученного комплекта перфорированных листов сумели определить ключи «Энигмы», действовавшие в тот день в радиосети вермахта (эту радиосеть союзники назвали «зелёной»). Все сообщения того дня, переданные по «зелёной» сети, были поляками расшифрованы. А потом отличились и англичане: 6 января, используя свой комплект перфорированных листов, они «взломали» радиосеть «Люфтваффе» (названную союзниками «красной»). Чуть позже, в один из дней января, англичанам удалось расшифровать сообщения, переданные и по «зелёной» сети.

В дальнейшем англичанам пришлось рассчитывать лишь на себя (во Францию вторглись немцы). Английские дешифровщики работали не щадя сил, и всё же их успехи носили случайный характер. В отдельные дни им удавалось расшифровывать сообщения, переданные немцами по «зелёной» или «красной» сети. А вот «взломать» «Энигму» «Кригсмарине» англичанам не удалось. В распоряжении военно-морских операторов было не пять, а восемь роторов. «Подводили» англичан и немецкие радисты, не позволявшие себе вольностей и не снабжавшие противника дармовыми «кормушками». Так или иначе, «Энигма» «Кригсмарине» оказалась англичанам не по зубам.