Проблемы развития радиоэлектроники (Инженер-адмирал А. Берг, академик)

Пятьдесят лет прошло со дня смерти изобретателя радио Александра Степановича Попова. Ему довелось прожить лишь около десяти лет после своего замечательного открытия и участвовать в его реализации только на самой ранней ступени развития радиотехники. Ни сам А. С. Попов, ни его современники и соратники по работе не могли предвидеть того значения, которое приобрела в настоящее время эта новая область физики.

На долю следующих поколений выпала задача воплощения в жизнь огромных и часто неожиданных возможностей, открывавшихся по мере создания стройной теории и организации технической и производственной базы радиотехники. На наших глазах произошла и продолжает развиваться величайшая революция в науке и технике, заставившая переоценить результаты деятельности ученых и инженеров на протяжении последних столетий. Теперь мы уже говорим о чрезвычайно обширной науке радиоэлектронике, оказывающей решающее воздействие на прогресс физики, химии, металлургии, электротехники, астрономии, математики, метеорологии, навигации.

По установившейся теперь терминологии в понятие радиоэлектроники входят: радиосвязь, радиовещание, радиолокация, радионавигация, радиотехника всех видов, средств управления на расстоянии - телемеханика, высокочастотный нагрев, радиоспектроскопия, электронная автоматика, телевидение и передача изображений по радио; сюда же относятся электронные математические машины, электроакустические средства и инфракрасная техника. Развитие радиоэлектроники основывается на использовании вакуумных и газовых приборов или радиоламп, а также твердых, кристаллических электронных приборов, постепенно заменяющих в ряде областей электронные лампы.

Внедрение новых средств радиоэлектроники во все отрасли человеческой деятельности происходит исключительно быстро. Только на базе достижений радиоэлектроники возможны автоматизация в промышленности, на транспорте и в связи для увеличения производительности труда, уменьшения опасности и вредности производства, а также проведение широких профилактических мероприятий, направленных на сохранение и продление жизни и трудоспособности людей, занятых на производстве. Средства радиоэлектроники приобретают все большее значение и в военном деле.

Одной из ведущих отраслей современной радиоэлектроники является радиолокация. Было время, лет 15 назад, когда к возможностям радиолокации относились скептически. Вторая мировая война подтвердила ее огромное значение. В послевоенное время все виды радиолокационной техники продолжают быстро развиваться, и в ближайшие годы ее значение будет нарастать.

Если когда-то говорили о том, что радиолокационные средства могут помочь решению некоторых военных задач, например, прицельному бомбометанию и артиллерийской стрельбе, причем считалось, что основными методами наблюдения являются все же оптические методы, то теперь относительное значение различных средств изменилось. Теперь уже возникает вопрос о том, целесообразно ли устанавливать на высотных и скоростных бомбардировщиках оптические бомбардировочные прицелы, так как ими можно будет пользоваться только в дневных условиях и на малых расстояниях, в то время как работа радиолокационных средств не зависит от условий видимости. Таких примеров можно было бы привести множество.

Радиолокация развивается в направлении увеличения дальности, точности и надежности наблюдений и измерений. Особенно большое значение в настоящее время приобретают все методы и средства обеспечения работы радиолокационных приборов в условиях противодействия противника. Это вполне естественно, так как нельзя было ожидать, что такое мощное средство, как радиолокация, не породит эффективных средств противодействия. Значительное развитие получили средства помех, т. е. заглушения или ослепления радиолокационных станций противником путем посылки специальных радиомешающих сигналов на рабочей волне станции; сюда же относятся различные методы маскировки и дезориентации, например, путем сбрасывания металлизированных лент. Все эти средства могут быть достаточно эффективными, если не принимать необходимых технических и организованных мер защиты.

Радиолокация позволила решить многие военные задачи, неразрешимые другими методами, и положила начало развитию новых отраслей техники. Работа радиолокационных устройств очень короткими посылками электромагнитной энергии, т. е. импульсами, длительность которых измеряется в миллионных долях секунды, привела к появлению так называемой импульсной техники, нашедшей широкое применение. Кроме того, радиолокация для успешной работы вынуждена пользоваться самыми короткими радиоволнами. В связи с этим получила развитие техника так называемых ультракоротких радиоволн, т. е. волн, длины которых лежат в пределах единиц метров или дециметров, сантиметров и миллиметров.

Методы и средства импульсной техники и техники ультракоротких волн явились основой ряда новых наук, имеющих большое значение для человечества. Сюда относятся радиоастрономия, радиометеорология, радиоспектроскопия, радионавигация, гидролокация, электронно-математическая техника и др.

Изучение мирового пространства как вблизи земли, так и на огромных удалениях от нее имеет не только теоретическое, но и чисто прикладное значение. Астрономия - одна из самых древних наук - изучает движение, распределение в пространстве и природу различных небесных тел. При наблюдении за звездами, планетами и туманностями с помощью оптических приборов злейшим врагом астрономов являются дневной свет и атмосфера, окружающая землю.

С дневным светом бороться бесполезно, и звездным астрономам приходится, как правило, работать ночью.

Атмосфера поглощает большую часть падающей на нее электромагнитной энергии. Поглощаются первичные космические лучи, лучи Рентгена и почти все ультрафиолетовые лучи, т. е. почти все электромагнитные волны, более короткие, чем волны фиолетового цвета.

В значительной мере поглощаются и инфракрасные лучи, кроме самых близких к красной части видимого спектра. Поэтому в распоряжении астрономов, пользующихся лишь оптическими приборами наблюдения, остается только узкая щель - небольшое смотровое "окно" во Вселенную, лежащее в пределах частот двух - трех октав вблизи спектра видимого света.

Между тем оказалось, что Солнце и многие другие внеземные тела и туманности являются источниками радиоизлучения и земная атмосфера прозрачна не только для узкого участка волн вблизи спектра видимого света. Радиоволны длиной от 1 см до 20 м также проходят до поверхности земли, пронизывая всю толщу атмосферы. Это позволило вести интенсивное и систематическое исследование через второе "окно" - исследование радиоизлучений Солнца, а также Луны, межзвездного газа и так называемых радиозвезд и межзвездного радиоизлучения, исходящего из нашей Галактики.

Особенно большой размах приобрели исследования радиоизлучения "возмущенного" Солнца, позволяющие разрешить важные вопросы связи солнечных и земных явлений. В частности, теперь могут быть своевременно предсказаны магнитные бури, возникающие вскоре после появления пятен на Солнце, а также сильные возмущения в земной ионосфере, в значительной мере нарушающие радиосвязь на коротких волнах.

Применение методов радиоэлектроники в астрономии помогло ученым сделать ряд важных открытий, в том числе радиоизлучение Луны и Юпитера, и исследовать природу радиоизлучения нашей Галактики, других галактик, невидимых с помощью оптических приборов.

Радиоизлучения небесных светил исследуются пассивными методами, т. е. без их облучения радиоволнами с земли. Не меньший интерес представляет активная радиолокация небесных тел - Луны, планет, метеоров, основанная на облучении их радиоволнами и регистрации получаемого отражения.

Очень важно, в частности, изучение метеоров в пространстве, окружающем землю. Потоки метеоров и метеорной пыли, попадающие в ионосферу, оказывают существенное влияние на ее состояние. Наличие постоянных и спорадических метеорных потоков может вызвать серьезные осложнения при решении проблемы межпланетных сообщений. Достаточно сказать, что метеорное тело весом в 1 г при столкновении с межпланетным кораблем окажет более разрушительное действие, чем прямое попадание в самолет зенитного снаряда.

Серьезные научные результаты достигнуты в радиолокации метеоров, попадающих в земную атмосферу. В верхних, весьма разреженных областях атмосферы поверхность метеорных тел подвергается интенсивной бомбардировке отдельными частицами газа. Большая часть энергии этих ударов превращается в тепло, и в результате метеорное тело испаряется. Атомы метеорных тел вылетают с тепловыми скоростями, и энергия их (при скорости около 40 км/сек относительно метеорного тела) достигает 100-1000 электрон-вольт. При столкновении с частицами воздуха атомы метеорного тела производят ионизацию, вследствие чего за ним тянется очень быстро убывающий (в связи с дисперсией и рекомбинациями) ионизированный след, имеющий форму сильно вытянутого цилиндра, или нити, с диаметром 10-100 см и длиной до 10-20 км и более.

В ясные ночи невооруженным глазом можно увидеть до десяти метеоров, или "падающих звезд", в час. Это - ничтожная доля того количества, которое фактически падает на Землю. Размеры метеорных тел очень малы - они лежат в пределах миллиметра или его долей. Они обычно вспыхивают на высотах 120-130 км и полностью испаряются на высотах 70-80 км. Большая часть энергии движения метеорных тел превращается в тепло и свет и весьма незначительная часть затрачивается на создание ионизированного метеорного следа. Этот след легко обнаруживается радиолокационными станциями метрового диапазона.

Радиолокация метеоров, позволяющая вести дневные наблюдения при любых условиях видимости, помогла обнаружить гораздо больше метеоров, чем доступно визуальному наблюдению. Были открыты неизвестные ранее обильные дневные метеорные потоки.

Изучение тонкой структуры радиоэха позволяет найти геоцентрическую скорость метеоров, т. е. скорость относительно Земли; установлено практически полное отсутствие гиперболических скоростей метеорных тел относительно Солнца, чем доказана принадлежность их к солнечной системе. Измерено время существования метеорного следа в атмосфере; для метеорных следов, обнаруживаемых только радиолокационными станциями, оно находится в пределах десятых долей секунды, а для видимых глазом - значительно больше.

Изучение следов метеоров в верхних слоях атмосферы позволило начать систематическое исследование скорости ветра, достигающей на больших высотах 100-200 км/час.

Дальнейшие исследования метеоров требуют создания сложных и дорогих радиотехнических устройств, однако усилия и средства, затраченные на их создание, бесспорно окупятся ценнейшими новыми знаниями о метеорах, полученными с помощью таких устройств.

Прогресс современной гражданской и военной авиации характеризуется постоянным возрастанием скоростей, высот и беспосадочных дальностей полета самолетов. Это в свою очередь предъявляет особо жесткие требования к средствам навигации и метеорологии.

Быстрое развитие радиоэлектроники и особенно радиолокации в период второй мировой войны, освоение новых диапазонов волн, разработка импульсных методов работы способствовали созданию новых навигационных систем дальней, средней и ближней навигации, ультракоротковолновых радиомаячных и радиодальномерных устройств, систем для посадки самолетов ночью и в условиях плохой видимости.

Современные радионавигационные системы обеспечивают точность определения местоположения, вполне достаточную для практических целей. Эта точность измеряется процентами или долями процента от расстояния. Некоторые системы радионавигации могут обеспечивать точности порядка метров и даже дециметров, что особенно важно при ведении геодезических, картографических и геологоразведывательных работ.

Современные аэродромные радиолокационные станции управления движением и посадкой самолетов повышают пропускную способность аэродромов, сокращают время ожидания посадки и уменьшают опасность столкновения самолетов в воздухе. Разработаны различные системы управления с земли заходом самолетов на посадку, причем на самолете в этом случае не требуется никакого специального оборудования, кроме обычного связного приемника для приема команд с земли по радиотелефону.

Однако возможности совершенствования радионавигационной аппаратуры далеко не исчерпаны. Очень важно более широко развернуть изучение условий распространения радиоволн всех диапазонов и на основе этого добиться повышения дальности действия, точности, помехоустойчивости и надежности работы радионавигационных систем.

Использование радиоэлектроники обогатило и значительно расширило границы практического применения и такой важной науки, как метеорология. Новая ее отрасль - радиометеорология - изучает влияние метеорологических факторов и процессов в тропосфере на распространение радиоволн; кроме того, радиотехнические наблюдения позволяют определять физические параметры тропосферы, интересующие метеорологию.

Влияние метеорологических факторов в атмосфере сказывается на преломлении, рассеянии и поглощении радиоволн. Так, изменение температуры и влажности с высотой приводит к изменению коэффициента преломления в вертикальном направлении и может привести к значительному увеличению дальности действия станции, работающей на коротких радиоволнах. Рассеивание этих волн на частицах воды или льда, содержащихся в атмосфере, резко возрастает с укорочением длины волны и на сантиметровых и миллиметровых волнах может вызвать нарушение связи. В последние годы обнаружено, что стабильное рассеяние на неоднородностях тропосферы позволяет вести устойчивый прием метровых и более коротких волн далеко за пределами видимости.

В связи с этим открывается возможность резкого увеличения радиуса действия телевизионных, радиорелейных и обычных связных ультракоротковолновых станций. Дальнейшее тщательное изучение явлений, связанных с рассеянным отражением радиоволн от тропосферы, поможет реализовать эту возможность на практике.

В то же время радиотехнические методы применяются для изучения облаков и осадков, неоднородности и турбулентности в нижних слоях тропосферы, что имеет большое значение для метеорологии. Так, в настоящее время применяются радиогидрометеорологические станции - автоматические устройства, позволяющие без обслуживающего персонала измерять различные гидрометеорологические элементы: скорость и направление ветра, температуру воздуха и воды и т. д. Эти данные автоматически кодируются и передаются по радио на значительные расстояния. Автоматические станции устанавливаются в труднодоступных местах на суше и на плавающих объектах. Их аппаратура рассчитана на автономную работу в течение года и более.

Широко используются в метеорологии радиозонды - радиометеорологические приборы для измерения давления, температуры и влажности воздуха и направления ветра на разных высотах по мере подъема в атмосфере. Кроме того, применяются чисто радиолокационные методы. При помощи радиолокационных станций измеряется скорость и определяется направление ветра на различных высотах, производится наблюдение за облаками и осадками, обнаруживаются местонахождения грозовых разрядов.

Интересно отметить, что за последнее время удалось произвести радиолокацию молний до расстояния в несколько сот километров.

Новые методы использования радиотехнических и радиолокационных средств позволили своевременно обеспечивать наших метеорологов всеми необходимыми данными для правильного прогнозирования погоды. Однако метеорологи используют далеко не все эти данные, так как для их обработки и обобщения требуется потратить столь значительное время, что результаты работы дают прогноз на... прошедшее время.

Выход из этого положения лежит в применении для обработки метеорологических данных электронных вычислительных машин, с помощью которых метеорологи будут правильно прогнозировать погоду.

Потребность в ускорении счетных работ, их механизации и автоматизации ощущается не только в метеорологии. Многие проблемы магнетизма, распространения тепла, сверхзвуковой аэродинамики, ракетной техники, атомной энергетики не могли бы быть решены без широкого использования различных электронных вычислительных машин.

Электронные вычислительные машины принадлежат к самым замечательным достижениям современной науки и техники. Их создание стало возможным благодаря развитию электроники и импульсной техники. С момента появления первой электронной цифровой быстродействующей машины вычислительная техника вступила в новую фазу. Переход к огромным скоростям и возможность получения большой точности расчетов по-новому поставили проблему выполнения математических вычислительных работ. Электроника позволила теперь решать задачи, требующие очень большого объема вычислительных работ и в силу этого очень большого времени, если пользоваться старыми средствами.

К таким задачам относятся главным образом сложные математические проблемы, связанные с современной аэродинамикой, гидродинамикой, метеорологией, ядерной физикой. Они решаются с помощью больших универсальных электронных вычислительных машин. Эти машины (машины дискретного счета) могут обеспечить точность вычислений до миллионных долей процента и быстроту действиях многозначными числами в несколько десятков тысяч операций в секунду. Они оказывают существенную помощь радиофизикам в развитии теории электромагнитных колебаний, решении волновых уравнений, описывающих распространение радиоволн в самых различных условиях.

Проблемы нелинейной механики, встречающиеся в теории электрических и механических колебаний, в задачах устойчивости и автоматического регулирования, могут быть решены гораздо скорее и точнее при помощи электронных математических машин дискретного счета.

Одной из таких машин является быстродействующая электронная счетная машина БЭСМ, сконструированная Институтом точной механики и вычислительной техники Академии наук СССР. Она способна выполнить за одну секунду 7000-8000 арифметических действий с многозначными числами и может заменить несколько десятков тысяч вычислителей. Так, например, с помощью электронной машины были за несколько дней подсчитаны орбиты движения около семисот малых планет солнечной системы с учетом воздействия на них Юпитера и Сатурна. При этом точно высчитано, где будут находиться малые планеты через каждые сорок дней на десять лет вперед. Раньше на такой расчет потребовалось бы много месяцев работы большого вычислительного бюро.

Другим применением советской электронной счетной машины было решение систем алгебраических уравнений с большим числом неизвестных. Задачи с 800 уравнениями, требовавшие выполнения до 250 миллионов арифметических действий, решались на электронной машине менее чем за двадцать часов.

С помощью электронной машины было решено много других сложных научно-технических задач.

Электронные машины могут решать задачи, связанные с управлением сложными и автоматизированными технологическими и производственными процессами, требующими точного соблюдения режимов. Они решаются специализированными или управляющими машинами. Автоматические быстродействующие цифровые машины этого типа решают задачи в очень короткие сроки, что позволяет применять их в тех случаях, когда необходимо быстро реагировать на регулируемые процессы, например, для управления самолетами.

Создание современных вычислительных машин - не простое дело. Большая электронная математическая машина содержит множество миниатюрных электронных ламп, полупроводниковых и ламповых усилителей и выпрямителей, сопротивлений и конденсаторов, накопительных электроннолучевых трубок, ртутных и кварцевых линий задержки и других элементов, необходимых для "запоминания", т. е. записи в той или иной форме задания и результатов промежуточных вычислений. Все эти элементы должны быть скомпонованы в единый сложный автоматизированный механизм.

Для значительного расширения областей применения новых типов электронных вычислительных машин требуется уменьшить их размеры и вес, количество потребляемой ими энергии и увеличить эксплуатационную надежность. Значительные успехи в этом направлении могут быть достигнуты за счет широкого применения полупроводниковых приборов, заменяющих электронные лампы, тиратронов с холодным катодом, ферромагнитных и ферроэлектричееких элементов и новых запоминающих устройств.

В шестой пятилетке намечается увеличить производство счетных и счетно-аналитических машин в 4,5 раза.

На протяжении всего периода существования радио не раз коренным образом менялись установившиеся взгляды и методы работы в этой области.

В 20-х годах наш соотечественник О. В. Лосев изобрел и с успехом применял радиоприемные схемы с кристаллическими (полупроводниковыми) усилителями и генераторами. Его работы привлекли внимание ученых, инженеров и радиолюбителей во всех странах мира. В последующие годы в результате быстрого развития и совершенствования вакуумных электронных приборов интерес к полупроводникам упал и исследования с ними фактически были прекращены.

В начале второй мировой войны в связи с необходимостью обеспечивать прием и детектирование сантиметровых радиоволн для целей радиолокации были созданы и нашли широкое применение детекторы из полупроводникового элемента кремния. На этой основе уже после войны были разработаны кристаллические выпрямители, усилители и генераторы, созданные на более совершенной технологической базе, чем раньше.

Применение в радиотехнических устройствах вместо электронных ламп полупроводниковых приборов дает ряд преимуществ, главные из которых: резкое снижение потребляемой устройством электрической энергии, значительное уменьшение весов и габаритов и, что особенно важно для военной техники, долговечность и надежность в работе.

Характерно, например, что только замена электронных ламп полупроводниковыми электронными приборами позволяет уменьшить в несколько раз размер электронной вычислительной машины и в 20 раз сократить потребление энергии.

Эти маленькие приборы совершают теперь очередной переворот в радиотехнике. Уже существуют радиоприемники и телевизоры, не имеющие электронных ламп (кроме электроннолучевых трубок), - их заменили миниатюрные твердые кристаллические усилители. На наших глазах кристаллы вытесняют электронные лампы, на первых порах из низкочастотных цепей, постепенно подбираясь к высоким радиочастотам. Они находят самое широкое применение в сложных схемах телефонных станций и во многих автоматических устройствах.

Некоторое время казалось, что неоднородность параметров и ограниченность рабочих температур представляют непреодолимый недостаток кристаллических приборов. Но разработка более совершенной технологии, переход на монокристаллы кремния и использование специальных сплавов устранили эти опасения. Теперь не может быть сомнений в том, что благодаря появлению промышленных типов электронных кристаллов радиотехнические методы прочно войдут во многие отрасли техники, где они не могли до сих пор применяться вследствие недолговечности и ненадежности электронных ламп.

Область применения полупроводников далеко не ограничивается задачами выпрямления, усиления и генерирования электрических колебаний. В настоящее время разрабатываются полупроводниковые приборы для прямого преобразования тепловой, световой и атомной энергии в электрическую. Это позволит создать новые источники электрического тока для питания различных радиотехнических устройств, работающих за счет тепла, выделяемого, например, выхлопными трубами двигателей внутреннего сгорания, установленных на автомобилях, кораблях, самолетах.

Исключительно важное народнохозяйственное значение в ближайшие годы получит применение полупроводников для прямого преобразования лучистой энергии Солнца в электрическую. Существующие в настоящее время полупроводниковые материалы (главным образом кремниевые) позволяют создать солнечные энергетические установки с достаточно высоким коэффициентом полезного действия. Применение фотоэлектронных электростанций в южных районах нашей Родины даст значительный экономический эффект.

Большое значение будут иметь полупроводниковые источники электрического тока, в которых в качестве первичного источника энергии используется бета-излучение, т. е. излучение быстрых электронов радиоактивных изотопов, в частности стронция-90.

Директивы XX съезда КПСС по шестому пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1956-1960 гг. предусматривают широкое развертывание научно-исследовательских работ по полупроводниковым приборам и расширение их практического применения.

Полупроводниковым приборам предстоит большое будущее. Задача советских ученых и инженеров заключается в том, чтобы как можно быстрей использовать таящиеся в полупроводниках возможности для нужд народного хозяйства и укрепления обороноспособности страны.

Таковы некоторые направления развития радиоэлектроники, которая все глубже проникает в самые различные отрасли науки и техники.

Огромное значение радиоэлектроники теперь ясно многим, если не всем культурным людям. Сейчас уже трудно представить себе работников промышленности или военных, которые отрицали бы значение радиоэлектроники. Однако неосведомленность о фактическом значении этой отрасли, о ее возможностях и об опасностях, которые таит в себе недооценка радиоэлектроники, еще не совсем изжиты. Важно помнить, что развитие новых методов технологии, направленных на повышение производительности труда, укрепление могущества страны и подъем культурного уровня советского народа, во многом зависит от размаха применения средств радиоэлектроники.

В настоящее время на всем фронте науки и техники идет завоевание новых позиций радиоэлектроникой. Мы обязаны находиться на переднем крае этого наступления, добиваться скорейшего и наиболее полного использования последних достижений электроники для обеспечения благосостояния советских людей, для построения коммунизма в нашей стране.