Голоc через океан - Артур Кларк

Подобранные соответствующим образом, они могут полностью друг друга нейтрализовать, и получится то, что Хевисайд назвал "линией без искажений", т. е. линия, по которой сигналы всех частот передаются с одинаковой скоростью и с одинаковым затуханием.

Но лишь спустя десять, а то и более лет инженеры по-настоящему оценили это выдающееся открытие; возможно, и они с недоверием отнеслись к результатам, полученным Хевисайдом, так же, как в своё время – математики. Но в конечном счёте опыт подтвердил, что характеристики кабеля можно улучшить, если искусственно увеличить его индуктивность, либо установив по длине кабельной линии через равные интервалы специальные катушки, либо обмотав центральную медную токопроводящую жилу стальной проволокой.

Это открытие Хевисайда, применённое на практике Михаилом Пупином в Америке и Крарупом в Дании (в соответствии с пословицей, Хевисайд не стал пророком в своём отечестве), сделало возможной подводную телефонную связь на расстояние в несколько сот километров. Способ искусственного увеличения индуктивности был применён и к телеграфному кабелю, эффективность передачи по которому значительно возросла. Скорость прохождения сигналов по изготовленному таким образом трансатлантическому телеграфному кабелю стала в пять раз больше.

Так уравнения Хевисайда ещё при его жизни стали приносить телеграфным компаниям тысячи фунтов стерлингов дохода в день. Математика часто преподносит большие суммы денег, но они редко попадают в руки математиков.

Улучшение качества изоляционных материалов, специальные сплавы для повышения индуктивности позволили в конце 20-х годов всерьёз подумать о подводной телефонной связи через Атлантический океан. Пионером в этой области был Е. О. Бакли, работавший в научном центре – "Лабораториях Белла". В 1928-1931 годах Бакли совместно с Британским ведомством связи проделал у побережья Ирландии и в Бискайском заливе ряд опытов с подводными кабелями различных образцов. К сожалению, один кабель мог быть использован для передачи через Атлантику только одного разговора, что, конечно, неэкономично. Для повышения эксплуатационных возможностей линии впервые предусматривалось применение усилителей. Последние проектировались в виде плавучих шаров, удерживаемых в заданных точках трассы на якорях, и были рассчитаны на бессменную работу в течение шести месяцев. Эти громоздкие сооружения явились прообразами подводных усилителей современного трансатлантического телефонного кабеля.

Но в те годы подводный кабель как средство телефонной связи не получил дальнейшего развития. Причинами этого были, во-первых, экономический кризис 30-х годов – никто не решался вкладывать деньги в это, на первый взгляд, сомнительное с точки зрения техники предприятие, — и, во-вторых, — развитие радио, позволившее осуществить связь на большие расстояния совершенно новым неожиданным способом.

По этой последней причине нам предстоит сделать экскурс в область, на первый взгляд, далёкую от подводной связи. Дело в том, что человеческий голос был передан через Атлантику с помощью радио за 40 лет до того, как это было сделано с помощью подводного кабеля. И система подводной телефонной связи не могла бы существовать, если бы при её разработке не были использованы технические достижения в области радио.

Итак, экскурс необходим, а перемена декораций будет нам приятна – мы двинемся из холодных и тёмных глубин океана в бурлящий электрический котёл ионосферы.

* * *

Необходимо несколько дополнить рассказ Кларка об открытии, сделанном Хевисайдом в 1893 г., так как оно имеет исключительно важное значение для линий дальней (да и не только дальней) связи. Действительно, электрический ток, передаваемый по линии с частотой, равной частоте основных тонов человеческой речи, постепенно ослабляется или, как принято говорить в технике, затухает. Величина затухания тока на каждый километр длины линии а зависит в основном от трёх электрических характеристик кабеля: сопротивления R, ёмкости С и индуктивности L.

Можно приближенно записать, что a = [R(С)½] / [2(L)½] (проводимостью изоляции пренебрегаем). Для того чтобы дальность передачи телефонных разговоров, определяемая качеством слышимости, была как можно больше, затухание a должно быть, естественно, как можно меньше. Уменьшить простую дробь можно, либо уменьшив её числитель, т. е. величину R или С, либо увеличив её знаменатель, т. е. L. Первый способ был известен давно, к нему прибегали ещё в годы прокладки телеграфных кабелей. Трансатлантический телеграфный кабель конструкции 1865-1866 гг. отличался от кабеля 1857-1858 гг., в частности, тем, что сечение токопроводящей жилы было увеличено в три раза. Благодаря этому её сопротивление уменьшилось в три раза, а ёмкость почти в полтора раза (индуктивность же раза в полтора возросла). В целом затухание сигналов, передаваемых по кабелям 1865-1866 гг., было примерно в 6 раз меньше, чем при передаче по недолговечному кабелю 1858 года.

Однако для телефонной связи, использующей в десятки раз более высокие, чем телеграфная, частоты, со значительно ббльшим затуханием передаваемых сигналов на единицу длины линии, подобная компенсация затухания (в несколько раз) не решала проблемы дальней междугородной и, в частности, подводной телефонии. Кроме того, этот способ был весьма неэкономичным, так как требовал значительного увеличения размеров кабелей и, следовательно, расхода материалов для их изготовления.

Хевисайд был первым, кто указал на принципиальную возможность достичь успеха, идя по второму пути и увеличивая знаменатель дроби, т. е. индуктивность кабельной линии. Если не касаться сферы материальных ресурсов и денежного обращения, то подчас увеличить какую-либо величину оказывается намного проще, чем её уменьшить. Подобную благоприятную ситуацию и открыл Хевисайд в теории кабелей связи. При этом искусственно увеличивать индуктивность можно уже не в несколько раз, а в несколько десятков раз. Теоретическое открытие О. Хевисайда о возможности снижения потерь в линии путём искусственного увеличения её индуктивности было встречено, как отмечает А. Кларк, с большим недоверием и реализовано лишь 8 лет спустя, в 1901 г., когда американский инженер (серб по национальности) М. Пупин (1858-1935) предложил включать в линию специальные индуктивные катушки, названные впоследствии его именем (термин "пупинизация" применительно к кабельным линиям не потерял своего значения и в настоящее время). Индуктивность линии могла быть таким образом повышена в сотню раз.

Открытие Хевисайда имело значение, конечно, не только для подводных кабельных линий связи. Успешной пупинизацией в 1902 г. кабельной линии Нью-Йорк-Ньюарк длиной 16 км было положено начало сооружению междугородных кабельных магистралей.

Через год после изобретения Пупина датский инженер Карл Краруп разработал свой оригинальный способ искусственного увеличения индуктивности кабелей. Вместо того, чтобы через каждые 1,5-2 км встраивать в линию катушки индуктивности, он предложил обматывать токопроводящие медные жилы кабелей тонкой лентой или проволокой из стали, магнитные свойства которой в 100-150 раз сильнее, чем у меди. Толщина стальной ленты или диаметр проволоки были 0,2-0,3 мм.

Первый "крарупизированный" подводный кабель длиной в 5 км проложили в 1902 г. между Данией и Швецией. Однако уже в следующем году между Данией и Германией был проложен крарупизированный кабель длиной около 20 км. В течение трёх лет (1902-1904 гг.) длины подводных (да и подземных) телефонных кабельных пупинизированных и крарупизированных линий были увеличены до 70-80 км. В дальнейшем искусственное увеличение индуктивности позволило расширить пределы дальности телефонной связи до 150-180 км. Большего ни пупинизация, ни крарупизация для телефонии дать не смогли.

Применительно к телеграфным кабельным линиям, протяжённость которых уже давно исчислялись тысячами километров, искусственное увеличение индуктивности способствовало резкому убыстрению прохождения сигналов, а следовательно, возрастанию объёма передаваемой информации, т. е. повышению эффективности линии.

Ряд трансокеанских телеграфных кабелей с искусственно увеличенной индуктивностью был проложен в первой половине XX века. Все они были крарупизированы (прокладывать с кораблей пупинизированные кабели было в ту пору неудобно из-за неизбежных утолщений их в местах расположения пупиновских катушек).

В середине 20-х годов для обмотки медных жил вместо обычной стали начали применять специально созданные для этой цели высокомагнитные железо-никелевые сплавы (пермаллой и перминвар), благодаря чему скорость передачи ещё больше повысилась.

Если по первому трансатлантическому телеграфному кабелю 1858 года передавалось не более 3-4 знаков в минуту, то передача по современным телеграфным кабелям происходит со скоростью до 1500-2500 знаков в минуту.