Антенны — наша работа
Антенны — наша работа
Для чего на космических аппаратах устанавливается радиопередатчик? Думаю, что большинство читателей, если бы им был задан такой вопрос, сочли бы его бестактным.
А вот вопрос: «Что такое АФУ?» — можно задать без боязни, потому что АФУ — это технический термин, понятный только специалистам.
АФУ — антенно-фидерное устройство, которое состоит в первом приближении, из антенны и кабеля (или фидера), который соединяет антенну с радиоприемником и радиопередатчиком.
На орбитальном отсеке любой «Венеры» размещены антенны. Каждая из них может быть подсоединена к одному из нескольких передатчиков или приемников, которые установлены на станции.
И если кто-то еще недопонял значения АФУ, такого товарища можно спросить, как он отнесется к тому, что допустим, во время трансляции международной встречи по футболу будет сломана телевизинная антенна или порван кабель, идущий от нее, и изображение на экране телевизора пропадет. Если в ответ на вопрос раздастся негодование на причины, приведшие к нарушению передачи, значит, роль АФУ и ее значение поняты правильно.
Антенщики… А что это, собственно, значит? Откуда идет родословная этой профессии, кто был первым на земле антенщиком?
Вероятно, кто-нибудь из читателей скажет: «Конечно же Александр Степанович Попов — наш великий соотечественник, изобретатель радио. Он впервые провел сеанс радиосвязи, а без антенны здесь не обойтись».
Что же, догадливый читатель будет абсолютно прав. В начале века специалист в области радио был универсалом. Все премудрости радиотехники умещались, вероятно, в одной, и притом, не слишком объемистой книжке. А теперь только перечень специальных радио-дисциплин в зачетке студента-радиста пятого курса занимает несколько страничек. Досконально овладеть всем этим попросту невозможно, приходится выбирать какое-то одно направление. Так и появляются антенщики.
По опыту знаю, антенная специфика привлекает далеко не каждого радиста.
В радиотехнике используются электронные элементы — транзисторы, лампы, конденсаторы, контуры и многое другое, что в пытливых и умелых руках начинает петь и говорить, а в сочетании с другими приборами может преобразовывать еле слышимые шумы далеких галактик в светящиеся линии или точки на экране индикатора. Да мало ли что сейчас может радиотехника!
Антенщику, и в первую очередь антенщику космических станций, нужно многое сделать, чтобы заставить космический аппарат «говорить» и «слушать». И необходимо найти одно оптимальное решение в разработке АФУ, которое является компромиссным между такими, казалось бы, взаимно исключающими требованиями, как огромная дальность связи и большой объем передаваемой информации, как требования по исключению затенения всяких оптических датчиков и большие размеры антенн, как значительный диапазон изменения окружающих станцию температур и требования неизменяемости при этом характеристик антенн.
Что же должен знать антенщик космических аппаратов? И баллистику, и газодинамику! Должен понимать принципы построения системы управления и разбираться в конструкторских вопросах, не говоря уже, конечно, о самой радиотехнике.
Люди, которые разрабатывают антенные устройства, должны иметь прекрасное объемное, пространственное воображение, позволяющее четко представить себе все возможные положения станции в пространстве в течение всего ее полета. И не просто в пространстве, а и по отношению к Земле, к Солнцу, что играет весьма существенную роль в выборе основных характеристик антенных устройств.
Антенщики должны уметь не только рассказать, но и доказать, убедить, например, конструкторов в правильности своих предложений, компоновщиков — только именно в таком размещении антенн на станции, а это зачастую связано со многими трудностями.
Они должны быть усидчивы и терпеливы — никогда еще у антенщиков ничего легко не получалось и не всегда расчеты, к сожалению, подтверждались практикой. Может быть, поэтому антенщиком становится не каждый радиоинженер.
Нужно сказать, что еще до начала работы с «Венерами» специалистов в антенной лаборатории было мало. Молодые специалисты, приходящие из институтов, не горели желанием связывать свою судьбу с антеннами.
Положение было хуже критического, и решение, простое до гениальности, на наш взгляд, пришло неожиданно…
Наш институт! Дело в том, что при нашем предприятии есть филиал одного из вузов. Есть студенты-радисты. Есть пятый курс. А что если добиться перерода на работу в наш отдел студентов пятого курса? Они будут работать в антенной лаборатории, постигать азы своей будущей специальности, сделают дипломные проекты по антеннам и года через полтора-два станут настоящими антенщиками.
Так антенная лаборатория значительно увеличилась, и на плечи Сергея Алексеевича, ее начальника, легла, естественно, забота по обучению пришедшего пополнения, вовлечению его в текущую работу.
Спустя несколько месяцев со дня пребывания новичков в лаборатории выявились основные черты характера каждого и в соответствии с этим было произведено распределение участков работы. Скромный, слегка застенчивый, обладающий превосходным аналитическим мышлением Костя Васин, бывший телефонист, стал осваивать разработку элементов антенных трактов, бывший слесарь Березов, немного резкий, с трезвой практической жилкой занялся разработкой принципиальных схем антенно-фидерных устройств; всегда подтянутый, уравновешенный Олег Дымов, освоил методику настройки антенн. Каждый нашел свое место.
В установленные сроки наше пополнение сделало дипломные проекты, и, наконец, председатель Государственной экзаменационной комиссии поздравил ребят с присвоением им звания инженеров. Это был большой праздник и для всех нас. Положение в корне менялось. В лаборатории были асы антенного дела. Теперь можно было с уверенностью сказать, что подкрепленная молодым «антенным» поколением лаборатория может горы свернуть.
Получение задания на разработку АФУ для станций «Венера» не застало нас врасплох.
Все антенны сравниваются между собой в конечном итоге по способности принимать или излучать сигнал в заданном направлении. Одни антенны — малонаправленные — излучают сигнал одинаково хорошо во многих направлениях, другие — остронаправленные только в одном. Эта способность антенны и характеризуется важнейшим параметром — коэффициентом усиления. Для малонаправленных он меньше, чем для остронаправленных, а чем он больше, тем при всех прочих равных условиях принимаемый сигнал в данном направлении больше.
Значит, чтобы уверенно принять сигнал, который, естественно, ослабевает с расстоянием, нужно применять антенну с большим коэффициентом усиления. Как же быть с антеннами космических станций? Да еще таких, которым предстоит уйти от Земли на огромные расстояния. Попробуйте представить себе расстояния почти в восемьдесят миллионов километров, которые должны преодолевать «Венеры». По нашим земным меркам — даль невообразимая. А если к этому добавить, что полет станции проходит по траектории, представляющей собой сложную кривую линию, и сама станция в силу ряда причин изменяет свое положение на этой кривой, то сложность обеспечения радиосвязи в этих условиях очевидна.
В общем, трудности задачи мы сознавали. Но интуиция — одно, а инженерный расчет — нечто другое. А для расчета, известно, нужны исходные данные, здесь не обойдешься без баллистиков. Это они должны сказать, где на траектории полета и при каких положениях станции должна быть обеспечена надежная радиосвязь.
Получить от баллистиков конкретные цифры и графики порой нелегко, потому что этим цифрам и графикам предшествуют сложные и трудоемкие баллистические расчеты.
По-человечески мы понимали наших коллег, но на деле были к ним беспощадны и настойчивы, требуя информацию. И никак не могли «войти в их положение». И нетрудно понять почему. Ведь проектанты были беспощадны и настойчивы — по отношению к нам — скажи им, наконец, какие все-таки будут антенны. Без этого ни не успеют выпустить в срок компоновку. Но, а им в свою очередь «наступают на пятки» конструкторские бригады, которые никак не могут приступить к выпуску чертежей на отсеки станции, да и на сами антенны.
Идет нормальный процесс проектирования станции. А это прежде всего цепь взаимных согласований. И все участники процесса должны что-то друг другу выдать и соответственно друг от друга что-то получить. Сначала хотя бы предварительные данные, а по мере накопления знаний проводить их уточнения. И все это усугубляется тем, что время-то не ждет, станция должна быть готова в определенные сроки, а иначе — ждать полтора года.
Для того чтобы обеспечить надежную радиосвязь, лучше всего иметь бортовые антенны довольно значительных размеров. Ну, скажем, параболы диаметром в добрый десяток метров; ибо чем больше размеры антенны, тем ширина ее диаграммы излучения уже, а коэффициент усиления больше.
Но антенна большого размера затенит поле зрения оптических датчиков. Управленцы этого допустить не могут. Им еще нужно направить такую антенну на Землю с предельной точностью. А какая она должна быть, если ширина диаграммы будет составлять доли градуса. Специалисты, считающие и контролирующие массу каждого прибора на станции, каждой гайки и каждого кронштейна не пропустят такую антенну, потому что она при таких размерах будет иметь большую массу. Больше, чем антенна меньшего диаметра.
Конечно, до абсурда дело не доводится. И данные выдаются с учетом всех аспектов проектирования (вот для чего антенщику нужна широкая техническая эрудиция), что не исключает последующих споров и уточнений.
Связным с смежными отделами был выделен Иван Гутьев, представитель антенной лаборатории. Он с утра, не заходя к себе в лабораторию, обходил исполнителей, которые уже могли, хотя и с опаской, назвать некоторые цифры.
По крупицам собрал Иван нужные данные о режимах ориентации станции, их точностях, логике работы борта… В его блокноте одна страничка заполнялась за другой. Теперь можно было начинать первые предварительные расчеты антенн. Ждать больше нельзя. Проектный отдел не дает покоя; «Где размеры антенн и места их установки?» Они тоже ждать больше не могут… Срок выпуска компоновки станции неумолимо приближался.
Работы шли по скоординированному плану, в котором были установлены сроки для баллистиков, антенщиков, проектантов, т. е. для всех служб, усилиями которых создается станция. Но кто может сидеть и спокойно дожидаться заветной даты получения нужной информации. Хочется получить для начала пусть не полную, пусть часть от целого, ведь, получив ее, можно будет уже начинать продумывать: что и как ты должен сделать.
Именно поэтому получение данных — первейшая и важнейшая забота.
Как мы понимали проектантов! Как хотели помочь им!
Но расчеты не могли быть закончены без четкой договоренности с нашей смежной организацией, которой подведомственна вся радиолиния, с помощью которой на борт станции передаются команды управления, а со станции — информация научная, служебная… Радиолиния состоит из наземной станции, бортовой аппаратуры и АФУ. А поскольку антенно-фидерное устройство создано нашей фирмой, да еще и потому, что оно вклинивается между «бортом» и Землей, естественно, что нашему смежнику далеко не безразлично, что и как мы создаем. Судите сами. Вот пример: «Земля» работает превосходно, «борт» еще лучше, а вся радиолиния — скверно. Нужная дальность не «вытягивается», скорость передачи меньше, чем «закладывалась», команды проходят со сбоями. Кто виноват? В чем причина?
Двух мнений быть не может. Конечно, в АФУ.
Именно поэтому антенщики должны не просто выполнять поставленные перед ними требования, а выполнять их с гарантией, уверенно, с запасом. На всякий непредвиденный случай.
И опять все сводится в основном к коэффициенту усиления антенны, да еще добавляется коэффициент бегущей волны.
Но сначала, что такое режим бегущей волны?
Принято считать, что только в этом режиме вся энергия волны, возбужденная в фидере источником энергии (например, передатчиком), поглощается на конце фидера (например, антенной). Вот отсюда и коэффициент бегущей волны. Он показывает, какая часть энергии передатчика передается в нагрузку. В режиме бегущей волны он равен единице, и это вообще его самое большое значение. К нему стремятся, но никогда не достигают, потому что в каждом реальном антенно-фидерном устройстве есть какие-то несогласованности, потери. И от того, как антенщику удается настроить АФУ, зависит величина коэффициента и, конечно же, величина излучаемой антенной мощности.
Так чему она должна быть равна? 0,5 или 0,9, 0,6 или 0,8? А может быть, 0,7? Вопрос сложный. Потому что схема АФУ любого космического аппарата («Венера» не является исключением) состоит из многих элементов-фильтров, переключателей, ответвителей, высокочастотных разъемов, антенн. Наконец, на нее оказывают влияние передатчики, приемники. И каждый элемент схемы, если можно так сказать, не улучшает коэффициент бегущей волны, а ухудшает его.
Переговоры с представителями смежной организации проходят непросто, хотя мы давние коллеги.
Вначале кажется, что компромисс невозможен, но вот где-то уступили мы, от чего-то отказались они. И, наконец, договаривающиеся стороны скрепили своими подписями документ, определяющий взаимные требования.
А теперь? Теперь эти требования надо выполнить, отыскать только одну верную дорогу, даже если для этого придется отбросить сто, двести, тысячу вариантов. Когда сейчас перебираешь в памяти все те варианты, которые мы выбирали, невольно сбиваешься со счета: должно быть и впрямь верным оказался тысяча первый!
Но размышления, поиски, расчеты, прикидки, опоры — это еще полдела.
Для практических работ нужен натурный антенный макет и вышка. Макет — это по сути дела та же станция, как говорят, в масштабе один к одному, со всеми ее внешними элементами, выступающими за корпус отсеков, панелями солнечной батареи, соплами двигателей, кронштейнами. Это все нужно, потому что на характеристики излучения антенн все эти выступающие части оказывают влияние. Единственное, что нас не интересовало на макете — это содержимое станции.
А вышка — это деревянное ажурное сооружение, высотой с четырехэтажный дом, издали напоминающее старые пожарные башни. Здесь — основное рабочее место антенщика.
На самом верху вышки размещен поворотный круг, на который и устанавливается макет станции. Здесь и измеряют (снимают) диаграммы излучения антенн. На бумаге все выглядит сейчас достаточно ясно. Но ведь к тому времени, когда мы получили исходные данные, у нас еще не было макета, а вышка хотя и была, но нуждалась в капитальной перестройке.
Чтобы изготовить антенный макет, конструкторы должны выпустить несколько десятков чертежей. А это время. А раз время, значит спор. Потому что сроки, которые называли конструкторы, нас не устраивали, и наоборот.
— Чем позже будет готов макет, — горячо убеждали мы их, — тем позже мы вам дадим уточненные данные по антеннам, а тогда и времени на изменение чертежей может не хватить.
Это была чистая правда. Потому что в результате отработки антенн на макете неизбежны переделки и уточнения и в конструкции станции, и в конструкции антенн. Эти доводы или те упрощения в макете, на которые мы пошли скрепя сердце, сыграли свою роль, во всяком случае нам удалось найти общий язык с конструкторами и установить приемлемые сроки выпуска чертежей.
А в цехах макет пошел по «зеленой» улице.
Для переделки имеющейся в нашем ведении вышки под «Венеру» в общем тоже нужны чертежи, не говоря уже о других, чисто строительных нуждах.
И для отработки других систем станций тоже надо решить немало проблем. Так что у руководства ничего другого не оставалось, как ввести сетевое планирование. При этом отстающее звено становится сразу на виду у всех, а значит, быстро получает соответствующий сигнал, чтобы войти в ритм.
Как наиболее заинтересованные в неукоснительном соблюдении сроков работ, мы добровольно взяли на себя обязанности быть в курсе всех работ по реконструкции вышки и изготовлению макета и вовремя сигнализировать руководство о возможных задержках.
Можно было бы многое вспомнить о тех горячих днях, когда порой нарушались с кем-то дружеские отношения и, наоборот, с кем-то восстанавливались утраченные связи. Жизнь есть жизнь. И все это сейчас позади. Важно лишь то, что однажды специальное устройство подняло макет станции и бережно опустило его на ложемент, установленный на доработанную вышку днем раньше.
Наконец-то мы могли приступить к непосредственной отработке антенн.
Но жизнь вносит свои поправки в замыслы и планы. Именно так сложилось и у нас. Кажется, все уже было подготовлено к снятию характеристик антенн — и макет установлен на вышку, и даже смены укомплектованы. Но когда, казалось, что все уже по-настоящему готово, и можно приступить к работе, назавтра хлынул проливной дождь. Гроза. Молнии — это уже беда, тут ничем не поможешь. Инструкции по технике безопасности строги — при грозе работать на вышке нельзя — громоотводы на ней не положены (их металлические мачты снижают точность намерений).
Смены регулярно выходили на работу, терпеливо ожидали улучшения погоды. Драгоценное время терялось. Время, которого и без этой неприятности уже не хватало. С каждым днем все более хмурился Сергей Алексеевич, прекрасно понимавший тяжесть создавшейся ситуации.
И вдруг в среду ливни прекратились так же внезапно, как и начались. Вторая смена приступила к работе. Автоматическая установка для снятия характеристик антенн была отлажена заранее и все время находилась в готовности номер один. Оператору стоило только нажать пусковую кнопку, и макет станции с раскрытыми панелями солнечной батареи, издали напоминающий нечто фантастическое, начал медленно вращаться, а самописцы — выписывать кривые линии — характеристики антенн — на специальной голубоватой бумажной ленте, исчерченной масштабными линиями. Нужно было прокрутить макет десятки, сотни раз, провести измерения и осмыслить результаты.
Трудно переоценить важность диаграммы излучения в общем комплексе параметров, которые характеризуют антенну. Коэффициент усиления показывает, во сколько раз больше или меньше направленные свойства антенны по сравнению с общепринятой эталонной антенной. В его величине, кстати, учитывается коэффициент полезного действия антенны.
А диаграмма излучения позволяет определить, как изменяется величина сигнала (и в случае передачи и в случае приема) в направлениях, отличных от максимального излучения. Рассматривая полученную диаграмму, можно увидеть, в каких направлениях сигнал большой, а где он вообще равен нулю. И вот это — самое главное.
Для того чтобы вы представили себе, что нам предстояло делать, я должен оказать, что обычно диаграмму антенны, в чистом, так сказать, виде снимают всего лишь в двух взаимно перпендикулярных сечениях, получая ее в объеме. В нашем случае антенны стояли на корпусе станции, близко к нему, они были малонаправленны и, конечно, корпус влиял на них. А поскольку станция не симметрична, то и влияние корпус оказывал в разных плоскостях разное. И поэтому снимать диаграммы нужно было не в одной, не в двух, а во многих плоскостях.
По инициативе второй смены, которая приступила к работе, было принято решение проводить все расчетные работы не как всегда, с интервалом после замеров, а сразу же вслед за измерениями. Это убыстряло получение результатов. Это было здорово, потому что к началу следующей смены по имеющимся результатам в план работы могли вноситься изменения.
Для оперативного руководства всеми работами, связанными с отработкой антенн, было образовано как бы «верховное командование».
«Начальником штаба» стал Сергей Алексеевич, а начальниками соответствующих «управлений» — Гутьев, Ларкин и начальник экспериментальной группы Чернецкий, самый молодой из антенных «богов» и, наверное, поэтому самый нетерпеливый из штабистов. «Штаб» взял за правило рассматривать результаты дважды в сутки.
Были, конечно, и случаи экстренных, внеочередных совещаний, вызванные различными причинами, учесть которые заранее было невозможно.
Срок, отведенный на работу, приближался. Мы вдруг почувствовали пристальное внимание к себе руководства. Сообщения о ходе разработки стали обязательными на всех совещаниях, посвященных «Венерам». Это еще было бы ничего. А вот гостей на вышке мы встречали без особой любезности; известно, что при посещении начальства обычно на рабочих местах возникают неполадки. Мы не были исключением из правил. У нас тоже выходили из строя генераторы, рвались кабели, пропадали контакты. В общем, появлялись большие и малые неприятности, происходящие, конечно, не от визитеров, а от длительной эксплуатации аппаратуры.
И вот однажды под вечер всегда неунывающий Саша Польский, балагур и весельчак, принес на вышку завернутые в бумагу какие-то прямоугольники. Он развернул пакет и гордо продемонстрировал нам две дюралевых пластины. На одной красной масляной краской было написано; «Осторожно! Опасно для жизни!» — и рисунок — череп, похожий на карнавальную маску, и под ним две скрещенные кости.
Второй плакат назидательно сообщал: «Каждый ватт высокочастотной энергии, падающий на организм, вдвое снижает его жизнедеятельность».
«Череп» мы повесили с наружной стороны вышки, на двери, а второй плакат — на стенде с аппаратурой. Это была последующая ступень устрашения тех, кто все же проникал в помещение. На непосвященных плакаты оказали желаемое действие, и посещения вышки резко сократились. Правда, чаще звонил телефон:
— Ну, как там у вас?
А с отработкой антенн дело обстояло так. Было проверено много вариантов размещения антенн, сняты их характеристики. К этому времени уже окончательно прояснились типы антенн и их количество. На орбитальном отсеке их — три. Две из них — малонаправленные, спиральные антенны, должны были работать на всей трассе перелета до Венеры. Они обеспечивали и прием станцией всех необходимых команд управления, и передачу бортовой информации на Землю там где не требуется высокая скорость и большой объем передаваемой информации.
Отработка диаграмм подходила к концу. Это чувствовалось во всем. Хотя бы по тем стопам изрисованных цветными карандашами типографских бланков, которые занимали уже весь стол. Проверено много вариантов, и все с одной единственной целью — найти такое место на макете, определить такую высоту штанги, на которой будет крепиться антенна, чтобы влияние корпуса на ее диаграмму практически отсутствовало.
Только диаграммы, эти красноречивые, но вместе с тем безмолвные, беспристрастные свидетели могли рассказать о поиске. Если просматривать их в той последовательности, в какой они появлялись, то поражаешься этой многолепестковой антенной фантазии — диаграммы походили на изображение каких-то цветков с игольчатыми, разной длины и ширины лепестками. Как далеки они от того, что было нужно. От плавной воронкообразной для одной из антенн и похожей на миниатюрную сопку для другой.
Диаграммы проходят одна за другой — постепенно исчезает асимметрия, постепенно «лепестки» становятся толще и между ними сигнал уже не падает до нуля. Вот уже что-то получается, чувствуется, что желаемое где-то рядом.
И опять поиск. И опять снятие диаграмм. И опять расчеты.
Но когда-то всему наступает конец.
Так вот, когда места малонаправленных антенн были выбраны, а длина штанг определена, оказалось, что это еще не все.
Ведь на станции, я не говорю о спускаемом аппарате, была еще одна антенна — третья: параболическая с диаметром отражателя около 2,5 метров, остронаправленная. Уровень принимаемого со станции сигнала, передаваемого через эту антенну, превышал уровень сигнала малонаправленной антенны в несколько десятков раз. Поэтому информация через нее шла с большой скоростью и в большом объеме.
Вот эта параболическая антенна своим корпусом, как показали измерения, несколько искажала характеристики малонаправленных антенн в отдельных, важных для нас направлениях. Говоря языком антенщиков, характеристики малонаправленных антенн получились все же «рваными».
Возможностей устранить нежелательный для нас эффект оставалось не так уж много. К тому же те, которые были нам известны, упирались опять же в значительные конструктивные переработки станции. А как известно, одно изменение неизбежно влечет за собой несколько других. Что делать?
Решили объявить «конкурс идей». Штаб превратился в своеобразное жюри, в которое поступали всевозможные предложения, по мнению авторов, решающие задачу. В штаб тянулись все, кто прослышал о трудностях. «Конкурс идей» действовал. Однако пока предложения, к сожалению, либо браковались штабом, либо отвергались конструкторами.
И вот однажды, поздно вечером, когда мы усталые и злые, в сотый раз изучали полученные характеристики, Константин Васильев (антенщик по призванию) вошел в комнату и положил на стол лист миллиметровки, на котором был нарисован штырь (по-нашему, вибратор) с нанизанным на него диском, а под ним график, показывающий распределение тока по вибратору в зависимости от положения диска.
— Предлагается развязывающее устройство, которое способствует лучшему возбуждению антенн, равномерному и эффективному.
Беглый взгляд на рисунок и график, и присутствующие удовлетворенно закивали головами.
— Молодец! — Кто-то с удовольствием оценил поступившее предложение.
— Это нужно делать прямо сейчас, — Сергей Алексеевич посмотрел на Ищенко.
— К утру сделаю.
А утром солнце высвечивало установленные на макете станции диски, которые могли передвигаться вдоль штанги. Константин сел за штурвал, присутствующие сгрудились у приборов. Стрелки приборов «задышали», а в тех местах, где раньше резко падал сигнал, показания приборов уменьшались уже не так сильно.
Теперь нужно было «доводить» систему. На это ушла неделя, и за три дня до установленного срока мы доложили руководству об окончании работ по снятию характеристик антенн на макете и выдали проектантам все интересующие их данные.