Граммофон. Электролиз алюминия. Бурение на нефть. Кинематограф. Радиотелеграф. Дизель. Автомобиль. Теплоход. Аккумулятор. Трактор. Аэроплан. Бутылочный Автомат. Подводная лодка. Крекинг‑процесс. Поточное производство. Электронная лампа. Синтетически

↑

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 9Следующая ⇒

61. ГРАММОФОН

Среди замечательных технических достижений XIX века далеко не последнее место занимает изобретение звукозаписи. Впервые устройство, позволяющее записывать звук, было создано в 1857 году Леоном Скоттом. Принцип действия его фоноавтографа был очень прост: игла, которой передавались колебания звуковой диафрагмы, вычерчивала кривую на поверхности вращавшегося цилиндра, покрытого слоем сажи. Звуковые волны в этом приборе получали как бы зримый образ, но не более того — понятно, что воспроизвести записанный на саже звук было невозможно. Следующий важный шаг на этом пути был сделан знаменитым американским изобретателем Эдисоном. В 1877 году Эдисон создал первую «говорящую машину» — фонограф, позволявшую производить не только запись, но и воспроизведение звука. О своем изобретении Эдисон рассказывал так: «Однажды, когда я еще работал над улучшением телефонного аппарата, я как‑то запел над диафрагмой телефона, к которой была припаяна стальная игла. Благодаря дрожанию пластинок игла уколола мне палец, и это заставило меня задуматься. Если бы можно было записать эти колебания иглы, а потом снова провести иглой по такой записи, отчего бы пластинке не заговорить? Я попробовал сначала пропустить обыкновенную телеграфную ленту под острием телефонной диафрагмы и заметил, что получилась какая‑то азбука, а потом, когда я заставил ленту с записью вновь пройти под иглой, мне послышалось, правда, очень слабо: „Алло, алло“. Тогда я решил построить прибор, который работал бы отчетливо, и дал указание моим помощникам, рассказав, что я придумал. Они надо мной посмеялись».

Принцип фонографа был в общих чертах тот же, что у телефона. Звуковые волны с помощью говорной трубы приводились к пластинке из очень тонкого стекла или слюды и резцом, прикрепленным к ней, записывались на быстро вращающийся вал, покрытый оловянной фольгой. На фольге получались следы, форма которых соответствовала колебаниям пластины и, следовательно, падающим на нее звуковым волнам. Этой полосой листового олова можно было пользоваться для получения на том же приборе тех же звуков. При равномерном вращении полосы резец, прикрепленный к пластинке проходил вдоль сделанной им ранее борозды. Вследствие этого пластинка приводилась резцом в те же самые колебания, которые она прежде сама передавала ему под действием голоса и звукового инструмента и начинала звучать подобно мембране телефона. Таким образом фонограф воспроизводил всякий разговор, пение и свист.

Первые приборы Эдисона, созданные в 1877 г., были еще очень несовершенны. Они хрипели, гнусавили, чрезмерно усиливали некоторые звуки, совсем не воспроизводили других, и вообще, больше напоминали попугаев, чем репродукторы человеческой речи. Другой их недостаток состоял в том, что звук можно было различить, лишь приложив ухо к диафрагме. Это происходило во многом из‑за того, что валик двигался недостаточно ровно по поверхности, которую не могли сделать совершенно гладкой. Игла, переходя из одного углубления в другое, испытывала собственные колебания, передававшиеся в виде сильных шумов.

Эдисон упорно работал над улучшением фонографа. Особенно много проблем встретил он с воспроизведением звука "с", который никак не хотел записываться. Он сам вспоминал позже: «В течение семи месяцев я работал почти по 18‑20 часов в сутки над одним словом „специя“. Сколько раз я ни повторял в фонограф: специя, специя, специя — прибор упорно твердил мне одно и то же: пеция, пеция, пеция. С ума можно было сойти! Но я не упал духом и настойчиво продолжал свою работу, пока не преодолел затруднения. Насколько трудна была моя задача, вы поймете, если я скажу, что следы, получающиеся на цилиндре в начале слова, имели в глубину не более одной миллионной доли дюйма! Легко делать удивительные открытия, но трудность состоит в усовершенствовании их настолько, чтобы они получили практическую ценность». После многих экспериментов был найден более или менее подходящий материал для валиков — сплав воска и некоторых растительных смол (этот рецепт Эдисон держал в секрете). В 1878 году он основал специальную фирму по производству фонографов. Одновременно во всех газетах была развернута широкая реклама его изобретения. Уверяли, что фонограф можно будет применять для диктовки писем, издания звуковых книг, воспроизведения музыки, изучения иностранных языков, записи телефонных сообщений и многих других целей.

Но, увы, ни одно из этих обещаний не было исполнено даже в 1889 году, когда был сконструирован новый фонограф, не имевший многих недостатков прежнего.

Принцип его действия остался прежним. Восковой цилиндр W приводился во вращение находившимся в ящике K электродвигателем с очень спокойным и равномерным ходом. Регулятор G через включение и выключение сопротивлений управлял скоростью вращения цилиндра (125 об/мин). Рычаг A, поддерживающий говорную трубку и пластинку, покоился на салазках. Эти салазки передвигались вдоль направляющего бруска F с помощью гайки с винтовой нарезкой M, которая лежала на валике главного винта, имевшего мелкую нарезку и образовывавшего ось цилиндра C. Нарезка эта представляла образцовое произведение механики и имела сто винтовых ходов на один дюйм. Два рычажка A и B служили для насаживания гайки с главного стержня. Пластинки фонографа состояли из очень тонкого стекла; из них одна имела острый резец для записи колебаний пластинки на восковом цилиндре, другая — тупой резец для воспроизведения. Третья, несколько более крепкая пластинка, была снабжена маленьким острым резцом для того, чтобы приведенные в негодность восковые цилиндры вновь обтачивать и таким образом пользоваться ими для новых записей. Для усиления звука использовалась труба с раструбом.

Пишущая часть представляла собой вделанную в металлическое кольцо круглую диафрагму, пространство над которой было закрыто крышкой с раструбом. Если говорить в этот раструб, то звуковые волны достигали диафрагмы и приводили ее в колебательное движение. Снизу к середине диафрагмы было прикреплено тонкое пишущее острие, с помощью которого вырезалась на восковой оболочке барабана бороздка, более или менее глубокая, соответственно колебаниям диафрагмы. Диафрагма со своими принадлежностями поддерживалась на рычаге, который был прикреплен к скользящему приспособлению, и вместе с последним передвигалась при вращении барабана справа налево. Чтобы это передвижение происходило согласно с вращением барабана, на скользящем приспособлении был укреплен второй рычаг, который своим концом покоился на винтовом шпинделе, налегая на него частью гайки. Таким образом, при движении шпинделя передвигалось скользящее приспособление, а так как шпиндель был соединен бесконечным шнуром с валом барабана, то скользящее приспособление и вместе с ним штифт двигались согласно с его вращением, и штифтик вырезал на восковой массе винтовую линию. Пока диафрагма не колебалась, штифтик вырезал бороздку равномерной глубины, но как скоро диафрагма начинала колебаться под влиянием звуковых волн, глубина бороздки все время то уменьшалась, то увеличивалась. Эту волнообразную полосу потом использовали для приведения в движение другой подобной диафрагмы, к которой был прикреплен скользящий по бороздке штифтик.

Однако и новый усовершенствованный фонограф не получил широкого практического применения. Кроме высокой цены, распространению его мешало практическое несовершенство. Валик не мог вместить много информации и заполнялся через несколько минут. Более или менее значительная корреспонденция требовала большого числа валиков. После нескольких прослушиваний копия разрушалась. Сама передача аппарата была далека от совершенства. Кроме того, с воскового валика невозможно было получить копии. Всякая запись была уникальной и с порчей валика пропадала навсегда.

Все эти недостатки были благополучно преодолены Эмилем Берлинером, который в 1887 году взял патент на другой звукозаписывающий прибор — граммофон. Хотя принцип устройства граммофона и фонографа был один и тот же, граммофон имел ряд существенных отличий, которые и обеспечили ему широчайшее распространение. Прежде всего, игла в записывающем аппарате Берлинера располагалась параллельно плоскости диафрагмы и чертила извилистые линии (а не борозды, как у Эдисона). Кроме того, вместо громоздкого и неудобного валика Берлинер избрал круглую пластинку.

Запись происходила следующим образом. На диск большого диаметра с бортиком устанавливали предназначенный для записи звука полированный цинковый диск. Сверху на него наливали раствор воска в бензине. Диск‑ванна получал вращение от ручки через фрикционную передачу, а система шестерней и ходового винта связывала вращение диска с радиальным ходом записывающей мембраны, укрепленной на стойке. Этим достигалось движение записывающего устройства по спиралеобразной линии. Когда бензин испарялся, на диске оставался очень тонкий слой воска, и диск был готов к записи. Нанесение звуковой канавки Берлинер производил почти так же, как Эдисон, при помощи записывающей мембраны, снабженной трубкой с небольшим рупором и передававшей свои колебания иридиевому острию.

Главное достоинство записи по способу Берлинера состояло в том, что с диска можно было легко получать копии. Для этого записанный диск прежде всего погружали в водный раствор хромовой кислоты. Там, где поверхность диска была покрыта воском, кислота не оказывала на него никакого воздействия. Только в звуковых канавках, поскольку записывающее острие срезало воск до самой поверхности диска, цинк растворялся под действием кислоты. При этом звуковая канавка протравливалась до глубины около 0, 1 мм. Затем диск промывали и удаляли воск. В таком виде он уже мог служить для воспроизведения звука, но фактически являлся лишь оригиналом для изготовления медных гальванических копий.

Принцип гальванопластики был открыт в 1838 году русским электротехником Якоби. Выше уже упоминались электролиты — жидкости, проводящие через себя электрический ток. Особенностью электролитов является то, что в растворах (или расплавах) их молекулы распадаются на положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому становится возможным электролиз — химическая реакция, которая протекает под воздействием электрического тока. Для проведения электролиза в ванну помещают металлические или угольные стержни, которые соединяют с постоянным источником тока. (Электрод, подключенный к отрицательному полюсу батареи, называют катодом, а электрод, соединенный с положительным полюсом — анодом.) Электрический ток в электролите представляет процесс движения ионов к электродам. Положительно заряженные ионы движутся к катоду, а отрицательно заряженные — к аноду. На электродах происходит реакция нейтрализации ионов, которые, отдавая лишние электроны или получая недостающие, превращаются в атомы и молекулы. К примеру, каждый ион меди получает на катод два недостающих электрона и осаждается на нем в виде металлической меди. При этом осадок дает точное рельефное изображение катода. Это последнее свойство как раз и используется при гальванопластике. С копируемых предметов снимается копия (матрица), представляющая их обратное негативное изображение. Затем копия подвешивается в качестве катода (отрицательного полюса) в гальваническую ванну. В качестве анода (положительного полюса) берется тот металл, из которого изготовлялась копия. Раствор ванны должен содержать в себе ионы того же металла.

Точно так же действовал Берлинер — он погружал цинковый диск в ванну с раствором медной соли и подключал к нему отрицательный полюс батареи. В процессе электролиза на диске осаждался слой меди толщиной в 3‑4 мм, в точности повторявший все детали диска, но с обратным рельефом (то есть на месте канавок получались бугорки, но в точности повторяющие все их извивы). Затем полученную медную копию отделяли от цинкового диска. Она служила матрицей, с которой можно было отпрессовывать диски‑пластинки из какого‑нибудь пластического материала. В начале для этой цели применяли целлулоид, эбонит, всевозможные восковые массы и тому подобные вещества. Самая первая в истории граммофонная пластинка была изготовлена Берлинером в 1888 году из целлулоида. Граммофонные пластинки, поступившие в начале 90‑х годов в продажу, были выполнены из эбонита. Оба эти материала не годились для назначенной цели, так как плохо подавались прессовке и потому недостаточно точно воспроизводили рельеф матрицы. Проделав множество опытов, Берлинер в 1896 году создал специальную шеллачную массу (в состав ее входили шеллак — смола органического происхождения, тяжелый шпат, зола и некоторые другие вещества), которая оставалась потом на протяжении многих десятилетий основным материалом для изготовления пластинок.

Проигрывание пластинок происходило на специальном устройстве — граммофоне. Главной частью звукоснимающего прибора здесь была слюдяная пластинка, сцепленная рычагом с зажимом, в который вставлялись сменные стальные иглы. Между зажимом и корпусом мембраны помещались резиновые прокладки. Первоначально граммофон приводился в движение от руки, а затем стал устанавливаться на ящик с часовым механизмом.

Как записывающее устройство, так и первые граммофоны Берлинера были весьма несовершенны. Шипение, треск и искажения были их постоянными спутниками. Тем не менее это изобретение имело огромный коммерческий успех — за какие‑нибудь десять лет граммофоны распространились по всему миру и проникли во все слои общества. К 1901 году было выпущено уже около четырех миллионов пластинок. Фонографы не могли выдержать конкуренции с творением Берлинера, и Эдисону пришлось свернуть их производство.

62. ЭЛЕКТРОЛИЗ АЛЮМИНИЯ

Современную жизнь невозможно представить без алюминия. Этот блестящий легкий металл, прекрасный проводник электричества, получил в последние десятилетия самое широкое применение в различных отраслях производства. Между тем известно, что в свободном виде алюминий не встречается в природе, и вплоть до XIX века наука даже не знала о его существовании. Только в последней четверти XIX века была разрешена проблема промышленного производства металлического алюминия в свободном виде. Это стало одним из крупнейших завоеваний науки и техники этого периода, значение которого мы, может быть, еще не оценили до конца.

По содержанию в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов и третье среди других элементов (после кислорода и кремния). Земная кора на 8, 8% состоит из алюминия (отметим для сравнения, что содержание железа в ней — 4, 2%, меди — 0, 003%, а золота — 0, 000005%). Однако этот химически активный металл не может существовать в свободном состоянии и встречается только в виде различных и очень разнообразных по своему составу соединений. Основная их масса приходится на оксид алюминия (Al2O3). Это соединение каждый из нас встречал не один раз — в обиходе оно называется глиноземом, или просто глиной. Глина примерно на треть состоит из оксида алюминия и является потенциальным сырьем для его производства. Вся трудность состоит в том, чтобы восстановить алюминий (отнять у него кислород). Химическим путем добиться этого чрезвычайно сложно, так как связь двух элементов здесь очень прочная. Уже первое знакомство с алюминием наглядно продемонстрировало все сложности, которые ожидали ученых на этом пути.

В 1825 году датскому физику Гансу Эрстеду впервые удалось получить металлический алюминий в свободном состоянии из его оксида. Для этого Эрстед прежде всего смешал глинозем с углем, раскалил эту смесь и пропустил через нее хлор. В результате получился хлористый алюминий (AlCl3). В то время уже было известно, что химически более активные металлы способны вытеснять менее активные из их солей. Эрстед подверг хлористый алюминий действию калия, растворенного в ртути (амальгамой калия) и получил амальгаму алюминия (при быстром нагревании хлористого алюминия с амальгамой калия образовался хлористый калий, алюминий же ушел в раствор). Подвергнув эту смесь дистилляции, Эрстед выделил небольшие слитки алюминия. Несколько другим способом алюминий получил в 1827 году немецкий химик Велер, который пропускал пары хлористого алюминия над металлическим калием (при этом, как и в реакции Эрстеда химически, более активный калий вытеснял алюминий и сам соединялся с хлором). Но оба способа не могли применяться в промышленности, так как для восстановления алюминия здесь использовался очень дорогой калий.

Позже французский физик Сен‑Клер‑Девилль разработал другой химический процесс получения алюминия, заменив калий более дешевым, но все же достаточно дорогим натрием. (Суть этого способа заключалась в том, что хлористый алюминий нагревали с натрием, который вытеснял алюминий из соли, заставляя его выделяться в виде небольших корольков.) На протяжении нескольких десятилетий алюминий получали именно таким образом. Исследуя свойства алюминия, Девилль пришел к заключению, что тот может в будущем иметь огромное значение для техники. В своем докладе Французской академии наук он писал: «Этот металл, белый и блестящий, как серебро, не чернеющий на воздухе, поддающийся переплавке, ковке и протяжке, обладающий к тому же замечательной легкостью, может оказаться очень полезным, если удастся найти простой способ его получения. Если далее вспомнить, что этот металл чрезвычайно распространен, что его рудой является глина, то можно лишь пожелать, чтобы он нашел широкое применение». Первые слитки алюминия, полученные Девиллем, демонстрировались на всемирной Парижской выставке в 1855 году и вызвали к себе живейший интерес.

В 1856 году на заводе братьев Тисье в Руане Девилль организовал первое промышленное предприятие по выпуску алюминия. При этом стоимость 1 кг алюминия сначала равнялась 300 франкам. Через несколько лет удалось снизить продажную цену до 200 франков за 1 кг, но все равно она оставалась исключительно высокой. Алюминий в это время употребляли как полудрагоценный металл для производства различных безделушек, причем он приобрел в этом виде даже некоторую популярность из‑за своего белого цвета и приятного блеска. Впрочем, по мере совершенствования химических методов выделения алюминия цена на него с годами падала. Например, завод в Олбери (Англия) в середине 80х гг. выпускал до 250 кг алюминия в день и продавал его по цене 30 шиллингов за кг, иными словами, цена его за 30 лет снизилась в 25 раз.

Уже в середине XIX века некоторые химики указывали на то, что алюминий можно получать путем электролиза. В 1854 году Бунзен получил алюминий путем электролиза расплава хлористого алюминия.

Почти одновременно с Бунзеном получил электролитическим путем алюминий Девилль. Аппарат Девилля состоял из фарфорового тигля P, вставленного в пористый глиняный тигель H и снабженного крышкой D, в которой имелась щель для ввода платинового электрода K и большое отверстие для пористого глиняного сосуда R. В последнем был помещен угольный стержень A, являвшийся положительным электродом. Тигель и глиняный сосуд заполнялись до одного уровня расплавленным двойным хлоридом алюминия и натрия (двойной хлорид получали путем смешивания двух частей сухого хлорида алюминия и поваренной соли). После погружения электродов уже при небольшом токе в расплаве начиналось разложение двойного хлорида, и на платиновой пластинке выделялся металлический алюминий. Однако в то время нельзя было и думать о том, чтобы поддерживать соединения в расплавленном состоянии, пользуясь только нагреванием при прохождении тока. Приходилось поддерживать необходимую температуру другим способом извне. Это обстоятельство, а также то, что электроэнергия в те годы стоила очень дорого, помешало распространению данного способа производства алюминия. Условия для его распространения возникли только после появления мощных генераторов постоянного тока.

В 1878 году Сименс изобрел электрическую дуговую печь, применявшуюся прежде всего при плавке железа. Она состояла из угольного или графитового тигля, являвшегося одним полюсом. Вторым полюсом служил расположенный сверху угольный электрод, который перемещался внутри тигля в вертикальной плоскости для регулирования электрического режима. При заполнении тигля шихтой она нагревалась и расплавлялась или электрической дугой или за счет сопротивления самой шихты при прохождении через нее тока. Никаких внешних источников тепла для печи Сименса не требовалось. Создание этой печи стало важным событием не только для черной, но и для цветной металлургии.

Теперь все условия для электролитического способа производства алюминия были налицо. Дело оставалось за разработкой технологии процесса. Вообще говоря, алюминий можно получать непосредственно из глинозема, но трудность заключалась в том, что оксид алюминия очень тугоплавкое соединение, которое переходит в жидкое состояние при температуре около 2050 градусов. Для того чтобы нагреть глинозем до такой температуры и затем поддерживать ее во время реакции, требовалось огромное количество электроэнергии. В то время этот способ казался неоправданно дорогим. Химики искали иной путь, пытаясь выделить алюминий из какого‑нибудь другого менее тугоплавкого вещества. В 1885 году эту задачу независимо друг от друга разрешили француз Эру и американец Холл.

Любопытно, что обоим в момент, когда они совершили свое выдающееся открытие, было по 22 года (и тот и другой родились в 1863 г.). Эру еще с 15 лет, после того как познакомился с книгой Девилля, постоянно думал об алюминии. Основные принципы электролиза он разработал, еще будучи студентом, в 20 лет. В 1885 году после смерти отца Эру унаследовал небольшую кожевенную фабрику близ Парижа и немедленно принялся за опыты. Он приобрел электрогенератор Грамма и сначала попробовал разложить электрическим током водные растворы солей алюминия. Потерпев на этом пути неудачу, он решил подвергнуть электролизу расплавленный криолит — минерал, в состав которого входит алюминий (химическая формула криолита Na3AlF6). Опыты Эру начал в железном тигле, который служил катодом, а анодом являлся опущенный в расплав угольный стержень. Поначалу ничего не обещало успеха. При пропускании тока железо тигля вступило в реакцию с криолитом, образовав легкоплавкий сплав. Тигель расплавился, и содержимое его вылилось наружу. Никакого алюминия Эру таким путем не получил. Однако криолит представлял собой очень заманчивое сырье, поскольку плавился при температуре всего 950 градусов. Эру пришла мысль, что расплав этого минерала можно использовать для растворения более тугоплавких солей алюминия. Это была очень плодотворная идея. Но какую соль избрать для опытов? Эру решил начать с той, которая давно уже служила сырьем для химического производства алюминия — с двойного хлорида алюминия и натрия. И тут при проведении эксперимента произошла ошибка, которая и привела его к замечательному открытию. Расплавив криолит и добавив к нему двойной хлорид алюминия и натрия, Эру неожиданно заметил, что угольный анод начал быстро обгорать. Объяснение этому могло быть только одно — в ходе электролиза на аноде стал выделяться кислород, вступавший в реакцию с углеродом. Но откуда мог взяться кислород? Эру внимательно изучил все купленные реактивы и тут обнаружил, что двойной хлорид разложился под действием влаги и превратился в глинозем. Тогда все происшедшее стало ему понятно: оксид алюминия (глинозем) растворился в расплавленном криолите и молекула Al2O3 распалась на ионы алюминия и кислорода. Далее в ходе электролиза отрицательно заряженные ионы кислорода отдавали аноду свои электроны и восстанавливались в химический кислород. Но в таком случае, какое вещество восстанавливалось на катоде? Им мог быть только алюминий. Поняв это, Эру уже намеренно добавил глинозем к расплаву криолита и таким образом получил на дне тигля корольки металлического алюминия. Так был открыт применяющийся по сей день способ получения алюминия из глинозема, растворенного в криолите. (Криолит не участвует в химической реакции, его количество в ходе электролиза не уменьшается — он используется здесь только как растворитель. Процесс идет следующим образом: к расплаву криолита периодически добавляют порциями глинозем; в результате электролиза на аноде выделяется кислород, а на катоде — алюминий.) На два месяца позже точно такой же способ производства алюминия открыл американец Холл.

На свое изобретение Эру в апреле 1886 года получил первый патент. В нем он еще не отказался от внешнего нагревания ванны с электролитом для поддержания нужной температуры расплава. Но уже в следующем году он взял второй патент на способ получения алюминиевой бронзы, в котором отказался от внешнего нагрева и писал, что «электрический ток производит достаточное количества тепла для того, чтобы глинозем поддерживать в расплавленном состоянии».

Поскольку никто во Франции не заинтересовался его открытием, Эру уехал в Швейцарию. В 1887 году компания «Сыновья Негер» подписала с ним контракт о реализации его изобретения. Вскоре было основано Швейцарское металлургическое общество, которое на заводе в Нейгаузене развернуло производство сначала алюминиевой бронзы, а потом чистого алюминия.

Промышленную установку для электролиза алюминия, также как и всю технологию производства, разработал Эру. Печь представляла собой железный ящик, изолированно установленный на земле. Поверхность ванны изнутри была покрыта толстыми угольными пластинами, которые являлись отрицательным электродом (катодом). Сверху в ванну опускался положительный электрод (анод), который представлял собой пакет угольных стержней. Электролиз происходил при очень сильном токе (порядка 4000 ампер), но при небольшом напряжении (всего 12‑15 вольт). Большая сила тока, как уже говорилось в предыдущих главах, приводила к значительному повышению температуры. Криолит быстро плавился, и начиналась электрохимическая реакция восстановления, в ходе которой металлический алюминий собирался на угольном полу ванны.

Уже в 1890 году завод в Нейгаузене получил свыше 40 тонн алюминия, а вскоре стал выпускать по 450 тонн алюминия в год. Успехи швейцарцев вдохновили французских промышленников. В Париже образовалось электротехническое общество, которое в 1889 году предложило Эру стать директором вновь основанного алюминиевого завода. Через несколько лет Эру основал в разных частях Франции, где имелась дешевая электрическая энергия, еще несколько алюминиевых заводов. Цены на алюминий постепенно упали в десятки раз. Медленно, но неуклонно этот замечательный металл стал завоевывать свое место в человеческой жизни, сделавшись вскоре столь же необходимым, как известные с глубокой древности железо и медь.

63. БУРЕНИЕ НА НЕФТЬ

До появления керосина во многих странах основным средством освещения служили восковые свечи и китовый жир. Ради последнего были истреблены сотни тысяч китов. Вскоре киты стали редкостью, и появилась необходимость в замене китового жира каким‑нибудь другим маслом. Тогда прибегли к смеси скипидара со спиртом; делали также попытки добывать масло из угля посредством перегонки. В 1844 году американский химик Абрам Геснер получил из угля осветительное масло, которое он назвал «керосином». Но впоследствии название «керосин» закрепилось за очищенной нефтью. Способ получения керосина из нефти был открыт в 1857 году Феррисом. В отличие от сырой нефти (которую тоже пытались применять для освещения) керосин горел намного лучше, причем без копоти и чада, что и обеспечило успех новому изобретению. С этого времени темпы добычи нефти стали неуклонно возрастать.

Тогда же в Нью‑Йорке было основано общество для разработки нефтяных источников в штате Пенсильвания. Добыча поначалу велась самым примитивным колодезным способом, при котором рабочие‑нефтяники вырывали глубокую яму и черпали из нее нефть как воду ведрами. У одного из руководителей общества, Бисселя, вскоре явилась мысль добывать нефть при помощи буровых скважин. Идея эта кажется очень простой, однако прежде она никому не приходила в голову. Биссель узнал, что с помощью бурения уже много лет добывают воду из глубинных соляных источников (из этой воды потом выпаривали соль), причем многие из этих источников были брошены, потому что вместе с водой содержали нефть. Таким образом, можно было заключить, что нефть и вода находятся под землей поблизости друг от друга и ничего не мешает выкачивать из скважины нефть с помощью насосов точно так же, как это делали с водой. Многие, впрочем, отнеслись к этому предложению с недоверием.

Искусство бурения земли к середине XIX века прошло долгий путь развития, но в целом стояло еще на достаточно примитивном уровне. Преобладающим способом было так называемое ударное бурение, при котором скважина выдалбливалась в породе ударами клинообразного разрушающего инструмента — плоского долота или бура. Бурение происходило при этом следующим образом. Сначала выбирали место под скважину. Затем строили вышку и тщательно устанавливали направляющую трубу. Буровая вышка служила станком для подъема бура. Бурение осуществлялось ударами. На конце шеста укреплялась тяжелая головка с резцами: при помощи каната, перекинутого через блок, ее опускали, а затем снова поднимали. Силой своей тяжести она дробила породу. Чтобы скважина получила правильную форму, долото перед каждым ударом поворачивали на определенный угол. Когда бур углублялся в землю на всю свою длину, к нему прикручивали штангу длиной около 3 м. В пробуренную скважину для крепления стенок опускали железные трубы. Для извлечения раздробленных частиц породы их смачивали водой и превращали в грязь, которую периодически извлекали наверх при помощи желонки — длинного ведра с клапаном на конце. Понятно, что каждый раз для этого приходилось вынимать из скважины бурильный инструмент и развинчивать его на части. На эту работу (подъем, развинчивание и свинчивание ударного инструмента) уходило огромное количество рабочего времени. Если грунт был мягкий, за день можно было пройти до 18 м, но обычно успевали пробурить не более 3‑4 м. Чем большей глубины достигал бур, тем медленнее шла работа.

В 1846 году Фовель изобрел способ промывки скважин водяной струей. Он начал употреблять полые штанги и нагнетать в них воду, которую затем выкачивали между стенок бура и скважины вместе с обломками размельченной породы. Это изобретение составило эру в истории буровой техники. При таком устройстве бурения не могло быть никогда скопления грязи на дне скважин и не было надобности в постоянном подъеме инструмента. Этим изобретением Фовеля трудности бурения были уменьшены на 9/10, и оно сразу начало бурно развиваться. Стоимость буровых работ уменьшилась в 10 раз.

В таком положении находились дела, когда Биссель решил применить буровую технику для поиска и добычи нефти. Тогда он еще не подозревал, какой переворот в экономике совершит его идея. Проведение бурения было поручено инженеру Дрейку. В марте 1858 года близ города Тайтесвилла в Пенсильвании была вырыта глубокая открытая шахта, со дна которой приступили к бурению.

История этой первой нефтяной скважины полна драматических эпизодов, Дрейку с самого начала приходилось преодолевать множество затруднений из‑за недостатка нужных людей и инструментов. Никто не питал доверия к человеку, который хотел добывать нефть из водоподъемной шахты. Наконец Дрейк нашел опытного бурильщика, который занимался своим делом уже в течение 30 лет. Тот взялся довести скважину до конца. Но едва начав работу, бурильщики наткнулись на водяной пласт, причем вода хлынула из скважины с такой силой, что им пришлось в панике покинуть шахту — иначе они бы просто утонули. Чтобы поправить положение, Дрейк велел провести через водоносный слой и песок большую железную трубу, после чего бурение могло продолжаться дальше. В конце апреля 1859 года, когда бурильщики достигли глубины в 21 м, из скважины пошла нефть. Таким образом, опыт удался. Когда установили насос, он стал выкачивать по 8 бочек нефти в день. Спустя неделю это количество выросло до 20 бочек. В конце октября того же года на первой скважине случился пожар и весь пункт сгорел. Однако предприниматели не отчаялись и установили на том же месте новую вышку, которая с первого дня стала давать 30 бочек в день — количество, остававшееся в течение многих лет непревзойденным.

Удачный опыт Дрейка положил начало нефтяной промышленности США. Известие об успехе его нефтяных установок быстро распространилось по всей стране. Биссель арендовал новые нефтяные участки. Другие предприниматели последовали его примеру. Вскоре начался настоящий нефтяной бум. Нефтедобыча оказалась прибыльнейшим предприятием. Бывало, что земельные участки, стоившие накануне 30‑40 долларов, за несколько дней взлетали в цене до 10 тысяч долларов. Это привлекло в нефтяной бизнес множество спекулянтов и капиталистов. Огромная концентрация капиталов в этой сфере позволила творить чудеса. Со сказочной быстротой прокладывались нефтепроводы и железные дороги, как бы из‑под земли в пустыне возникали города, на нефтяных полях как грибы вырастали тысячи нефтяных вышек.

Техника нефтедобычи быстро совершенствовалась. С 1858 года при ударном бурении для вытаскивания бура стали употреблять паровую машину. Но еще большее значение имел переход к более производительному роторному (вращательному) бурению. При этом способе бурения цилиндрическое отверстие как бы высверливалось непрерывно вращающимся долотом, а раздробленные частицы в процессе бурения выносились на поверхность постоянно циркулирующей струей промывочной жидкости, беспрерывно закачиваемой в скважину специальным насосом. В 1889 году Чепмен изобрел установку для роторного бурения, устройство которой принципиально не изменилось до сегодняшнего дня. Ротор (вращающий механизм) получал здесь движение от мощного двигателя внутреннего сгорания и передавал его ведущей трубе, а через нее — бурильным трубам и долоту. Сначала установку Чепмена использовали для бурения на воду. В 1901 году на ней была пробурена первая нефтяная скважина.

64. КИНЕМАТОГРАФ

Кинематограф, в том виде, в каком он появился в конце XIX века, стал конечной точкой длинного пути исканий, по которому в разное время шли многие изобретатели. У них у всех была одна и та же мечта — создать такое устройство, которое могло бы запечатлеть, а потом воспроизвести движение. Задача эта оказалась очень непростой. Даже сегодня непосвященный человек встанет перед ней в тупик. Допустим, кто‑то поднимает руку. В своем движении снизу вверх рука проходит через бесконечное множество промежуточных положений. Неужели, для того чтобы показать это простое движение, надо зафиксировать их все? К счастью, в этом нет необходимости. Человеческий глаз обладает способностью схватывать и сохранять в течение некоторого времени (около 1/14 секунды) полученное им восприятие, даже после того когда вызвавшая это восприятие картина исчезла. Именно поэтому мы не видим при быстром вращении велосипедного колеса каждую его спицу (они сливаются перед нашим взором в сплошной круг). Или другой пример — если в темноте кто‑то быстро водит из стороны в сторону горящим угольком, мы не можем заметить, где в каждый данный момент находится этот уголек, потому что все его промежуточные положения сливаются в нашем восприятии в одну огненную полосу. Получается так, что при быстром движении какого‑либо объекта наш глаз не замечает всех промежуточных положений — на сетчатке успевает запечатлеться всего около 14 моментальных изображений в секунду, и эти изображения сливаются между собой в движущуюся картину. В определенном смысле, это недостаток нашего глаза, мешающий ему в некоторых случаях верно отражать действительность. Но именно благодаря этому недостатку нашему восприятию стали доступны такие зрелищные искусства, как мультипликация, кинематограф или телевидение. Итак, для того чтобы зафиксировать движение, вовсе нет необходимости отмечать каждое из промежуточных положений движущегося объекта. Достаточно делать каждую секунду всего 12‑14 таких запечатлений, а затем прокручивать их с такой же скоростью. Из сказанного видно, что искусство кинематографа фактически состоит из двух частей. Сначала надо запечатлеть движение (для чего необходимо сделать серию моментальных снимков отдельных его фаз), а потом надо суметь спроецировать эти моментальные картины на экран таким образом, чтобы зритель видел перед собой изображение движущегося объекта. И то и другое получилось не сразу. Понадобились усилия многих изобретателей, прежде чем были разрешены все возникшие на этом пути трудности.

Первые опыты по проецированию изображений были сделаны еще в древности. В 1646 году немецкий иезуит Афанасиус Кирхер обобщил в своей работе «Великие искусства света и теней» весь накопленный в этой области опыт и описал принцип действия магического фонаря. Волшебный фонарь служил для проецирования через систему линз на белую поверхность (экран) увеличенного изображения какого‑нибудь небольшого предмета, чаще всего прозрачной пластинки с нанесенным на ней рисунком. (Каждому хорошо известен принцип действия фильмоскопа — современной разновидности волшебного фонаря.) Магический фонарь можно считать первым прообразом кинематографа, в котором еще нет передачи движения.

Это искусство было освоено лишь в первой трети XIX века. В 1833 году профессор практической геометрии австриец Симон Штампфер изобрел занятную игрушку — стробоскоп. Этот прибор представлял собой два диска, вращавшихся на одной общей оси. На одном диске, как на циферблате часов, рисовались фигурки в различных фазах какого‑либо повторяющегося процесса, например, отдельные положения шагающего человека. Еще один диск, скрепленный с первым, имел радиальные щели, через которые можно было видеть расположенные за ними картинки. При быстром вращении дисков зритель, глядевший в смотровое окошко, видел последовательно на короткое мгновение каждую из картинок, но это разделенное по времени на отдельные фазы движение воспринималось им в виде слитного образа, совершающего непрерывное движение.

В 1853 году австрийский капитан‑артиллерист барон Франц фон Ухатиус придумал проекционный стробоскоп — аппарат для показа живых изображений, соединявший в себе стробоскопический круг Штампфера и волшебный фонарь Кирхера. Значение его изобретения состояло в том, что теперь можно было видеть движущиеся картины на экране. Созданный Ухатиусом стробоскоп имел до 100 изображений, мелькавших в течение 30 секунд, то есть за одну секунду сменялось три‑четыре изображения. Для каждого из них был устроен свой объектив. Источник света устанавливался таким образом, что пластинки с картинками, расположенные по краю колеса, одна задругой проходили перед ним. Этот прибор получил потом широкое распространение во многих странах под названием «живых картин». В 1869 году американский изобретатель Браун усовершенствовал проектор Ухатиуса, взяв в качестве источника света мощную дуговую электрическую лампу.

Большим недостатком проекционных стробоскопов была громоздкость. Места они занимали много, а на демонстрацию их изображений уходило меньше минуты. Тем не менее «живые картины» в течение нескольких десятилетий оставались любимым и популярным зрелищем. Лишь в последней четверти XIX столетия им на смену пришли более совершенные проекторы, в которых использовалась прозрачная целлулоидная пленка, намотанная на барабан. В 1888 году француз Эмиль Рейно создал «Оптический театр», представлявший собой аппарат для проекции непрерывно движущихся персонажей. Он имел следующее устройство. Персонажи были нарисованы на пленке. Демонстратор вращал барабан с помощью двух ручек. Изображения на пленке проходило мимо фонаря и проецировалось на наклонное зеркало, которое уже отражало его на просвечивающийся экран в театральном зале. Другой аппарат одновременно проецировал на экран рисованную декорацию, на фоне которой появлялись персонажи с изменяющимися позами, нарисованные на ленте. Длительность сеанса составляла от 15 до 20 минут.

«Оптический театр» Рейно демонстрировал уже не просто движение. Его герои разыгрывали пантомимы и сценки. Самая длинная его пленка длиной 36 м содержала 500 изображений, прокручивавшихся в течение 15 минут Комедия Рейно «Вокруг кабины», созданная в 1894 году, выдержала 10 тысяч сеансов, что говорит об огромном интересе современников к этому изобретению, которое можно считать прообразом современной мультипликации.

Итак, к концу 80‑х годов XIX века техника проецирования изображений достигла больших успехов в передаче движения. Однако показать изображение было проще, чем запечатлеть его. Теперь посмотрим, какие достижения имелись в этой второй области.

Впервые идею кинематографа развил Томас Дю Мон, который в 1859 году получил патент на многообъективную камеру, предназначенную для съемки отдельных фаз движения. Давая описание действия своего скоростного (или, как стали говорить позже, хронофотографического) аппарата, Дю Мон показал очень тонкое понимание сути происходящего процесса. Главная идея его конструкции заключалась в следующем: 12 светочувствительных пластин, прикрепленных к бесконечной ленте, последовательно проходили позади объектива, останавливаясь перед ним на очень короткое время. Одновременно с остановкой ленты затвор открывался и пропускал свет на фотографическую пластинку (задача затвора — открывать и закрывать окошечко объектива, оставляя его открытым лишь строго определенное время). Механизм ленты был связан с затвором, так что остановка пленки и открывание затвора совпадали с математической точностью.

Увы, в действительности аппарат Дю Мона далеко не соответствовал своему описанию и снимать им движение было совершенно невозможно. Но, несмотря на это, Дю Мона справедливо считают одним из предтеч кинематографа — соображения, высказанные в его патенте, были очень глубоки, и он совершенно правильно описал принцип действия киносъемочного аппарата будущего. Однако для того чтобы его камера стала реальностью, Дю Мону не хватало по крайней мере четырех вещей. Прежде всего, светочувствительность современных ему фотопластинок была явно недостаточной для скоростной съемки. Для получения хороших качественных снимков их надо было подвергать действию света в течение нескольких секунд, в то время как при съемке движения выдержка (то есть время, которое пластинка находится под воздействием света) должна была исчисляться десятыми и сотыми долями секунды. Во‑вторых, не было еще такого совершенно необходимого для хронофотографической съемки устройства, как моментальный автоматический затвор, который позволил бы делать снимки с очень короткой выдержкой (пока выдержка исчислялась секундами, открывать и закрывать объектив можно было вручную, но при съемке со скоростью 12‑14 кадров в секунду это совершенно невозможно). В третьих, сам способ съемки на фотопластинках явно не подходил для хронофотографии; необходим был новый носитель для светочувствительного слоя — фотопленка, которую можно было проматывать с необходимой скоростью. И, наконец, еще не был изобретен сам механизм движения этой пленки. Из описания Дю Мона видно, что пленка должна была не просто проходить позади объектива (что было бы несложно устроить), но делать короткие моментальные остановки, причем в строго определенное время, то есть двигаться скачкообразно. Изобретение этого скачкового механизма оказалось одной из самых трудных задач в истории создания кинематографа.

В последующие десятилетия все перечисленные проблемы были разрешены одна задругой. Ричард Мэддокс в 1871 году разработал сухобромжелатиновый фотографический процесс (усовершенствовав его в 1878 году), который давал возможность сократить выдержку при съемке до 1/200 секунды. Это открытие позволило приступить к фотографированию движения. Считается, что начало хронофотографии положили опыты американского фотографа Эдуарда Мюйбриджа. Поводом для этого послужила история одного пари. В 1872 году миллионер Стенфорд, большой любитель и знаток лошадей, поспорил со своими друзьями, которые не верили, что скаковая лошадь во время своего движения поднимает все четыре ноги. Чтобы уверить их в обратном, Стенфорд пригласил Мюйбриджа и поручил ему заснять все фазы движения лошади. Задача была далеко не простая. Чтобы исполнить поручение, Мюйбридж установил вдоль скаковой дорожки несколько фотокамер, затворы которых соединил с протянутыми поперек дорожки нитками. Пробегая мимо камеры, лошадь рвала нитки и делала снимок. В результате многих опытов Мюйбриджу удалось получить несколько удачных фотографий, на которых были сняты отдельные фазы движения лошади. Между прочим, оказалось, что Стенфорд совершенно прав — лошадь действительно при переходе в галоп отталкивалась от земли всеми ногами и как бы взлетала в воздух. Миллионер выиграл свое пари, а Мюйбридж продолжил начатое дело и вскоре прославился на весь мир своими замечательными снимками движущихся объектов. Позднее, сделав соответствующий подбор, Мюйбридж наклеивал фотографии на стробоскоп, вращая который можно было наблюдать, например, акробата, делающего прыжок через голову, бег оленя, скачку лошадей и тому подобные сюжеты.

Таковы были первые шаги моментальной фотографии. Несовершенство техники создавало для любителей этого вида фотоискусства множество затруднений, ведь снять само движение было нельзя. Тогдашние фотоаппараты давали возможность снимать только тот предмет, который находился непосредственно перед объективом, то есть двигавшийся по известной линии. Только в этом случае можно было расставить вдоль этой линии несколько фотокамер, как это делал Мюйбридж, использовавший иногда до нескольких десятков фотоаппаратов. Это обстоятельство чрезвычайно сужало возможности хронофотографии В 1882 году французский физиолог Этьен Марей, изучавший полет птиц и насекомых, придумал, как выйти из этого затруднения: он создал специальное фотографическое ружье, позволявшее со значительной быстротой снимать отдельные последовательные фазы непрерывного движения. В ружье помещался передвигающий механизм, похожий на часовой. При нажимании курка механизм начинал вращать пластинку, на которой за секунду делалось 12 снимков. Таким образом Марей снимал полет птиц. Он был первым, кто разрешил проблему запечатления движения одним аппаратом.

Съемка на пластинку была сложным и трудоемким делом. Поэтому крупным событием в истории фотографии и значительным шагом на пути к созданию кинематографа стало изобретение фотопленки. Еще в 1877 году выдающийся польский фотограф Лев Варнерке (большая часть его жизни прошла в России и Англии) изобрел первый в мире роликовый фотоаппарат с бромсеребряной коллоидной бумажной лентой. В 1886 году французский фотограф Огюстин Пренс собрал хронофотографический аппарат с 16‑ю объективами, приспособленный для съемки последовательных фаз движения. Здесь впервые в истории хронофотографии была применена светочувствительная бумажная лента, которая наматывалась на барабан точно так же, как это было в фотоаппарате с роликами, проходила позади объектива и наматывалась на другой барабан. 16 объективов располагались в четыре ряда, и каждый имел свой затвор. Пренсу также удалось осуществить проецирование заснятого изображения на экран. (В главе, посвященной фотографии, был подробно описан процесс получения позитивов и негативов, поэтому здесь мы не будем останавливаться на нем. Отметим только, что ленты для хронофотографических аппаратов (как позже и для киноаппаратов) приготовлялись точно так же, как в обыкновенной фотографии, то есть сначала получали негатив (изображение с обратным расположением света и тени), а потом с него на другую ленту печатали позитив. Но из‑за того, что лента имеет большую длину, сама технология обработки довольно сильно отличалась от обычной фотографии.) Пренс был первым, кто воплотил в жизнь идею кинематографа — он мог не только снимать движение, но и проецировать его на экран. Но вся его аппаратура была еще очень примитивной. Проекционный аппарат имел тоже 16 объективов. Для перематывания ленты Пренс придумал прорезать по ее краю специальные отверстия — перфорации, в которые попадали зубчики колеса лентопротяжного механизма. Однако бумага, как уже говорилось прежде, из‑за своей грубой непрозрачной структуры была неподходящим материалом для фотографии. К тому же при перемотке она часто рвалась. Для фотопленки нужен был гибкий, прочный и в то же время совершенно прозрачный материал. Именно такими свойствами обладал целлулоид — одна из первых в истории пластмасс, синтезированная в 1868 году американским химиком Хайетом. В 1884 году Джон Карбут стал изготовлять целлулоидные фотопластинки, а с 1889 года Джордж Истмэн стал применять в фотоаппаратах гибкую целлулоидную фотопленку.

После этого хронофотография стала развиваться быстрыми темпами. В 1888 году немецкий фотограф Оттомар Аншютц изобрел моментальный шторный затвор, который мог снимать с выдержкой до одной тысячной секунды. Введение в практику этого затвора чрезвычайно облегчило скоростную съемку. Теперь не было необходимости создавать сложные камеры с 12‑16 объективами, а можно было обойтись только одним. В 1888 году Пренс получил английский патент на аппарат с одним объективом и бумажной лентой (он вскоре заменил ее целлулоидной). Этот аппарат делал от 10 до 12 изображений в секунду. В том же году Марей отказался от подвижной жесткой пластинки и стал использовать длинную бумажную ленту со светочувствительным слоем, позволявшую снимать отдельные медленные движения. В 1889 году Пренс создал проекционный аппарат с одним объективом и дуговой лампой. Итак, в конце 80‑х годов почти все трудности, стоявшие в свое время перед Дю Моном, были благополучно разрешены. Оставалась последняя — создание скачкового механизма, поскольку равномерное движение ленты при съемке не давало качественного изображения движения.

Первый в истории примитивный скачковый механизм был придуман в Англии. Английский фотограф Уильям Фризе‑Грин работал над той же проблемой, что Марей и Пренс. Подобно им он сначала применял бумажную светочувствительную ленту, которую снабжал по краям перфорацией. Так как бумажная лента рвалась, то в своем хронофотографическом аппарате в 1889 году Фризе‑Грин впервые применил недавно появившуюся перфорированную целлулоидную пленку. Тогда же он включил в конструкцию аппарата скачковый механизм.

Пленка у Фризе‑Грина поступала с подающего барабана на приемный. Последний, с помощью рукоятки, вращаемой рукой, приводился в непрерывное движение. Плечо, несущее вращающийся ролик, получало движение посредством спирального кулачка и принимало положение, показанное пунктирными линиями; при своем движении оно тянуло вниз пленку, которая затем оставалась неподвижной, пока ролик отходил под действием пружины. Одновременно с отходом плеча затвор открывался посредством такого же спирального кулачка. Последний был сконструирован на валу, приводимом в движение рукой. Каждый оборот, таким образом, экспонировал отдельный кадр пленки. Уже в 1889 году Фризе‑Грин снял в Гайд‑парке свой первый фильм и продемонстрировал его на фотографическом съезде в Таунн‑холле. В 1890 году состоялась публичная демонстрация его фильмов в Королевском фотографическом обществе. Съемочная камера Фризе‑Грина с перфорированной целлулоидной лентой имела все элементы кинематографа, кроме технически совершенного скачкового механизма прерывистого движения пленки. Однако его аппараты были очень сложны и в этом виде не могли получить широкого распространения. Более того, за пределами Англии о его изобретении почти ничего не было известно.

В середине 90‑х годов сразу несколько изобретателей приблизились к созданию кинематографа. В 1893 году создал свой кинетоскоп Эдисон. Этот прибор представлял собой ящик с окуляром, через который смотрел зритель. В окуляр было видно матовое стекло, на которое снизу проецировалось заснятое на пленку изображение. В том же году Эдисон организовал свою студию, в которой были сняты первые на американском континенте фильмы — коротенькие, на 20‑30 секунд демонстрации. Длина ленты не превышала 15 м. В этой студии снимались известные танцовщицы, акробаты и дрессированные животные. В апреле 1894 года в Нью‑Йорке на Бродвее был открыт первый салон кинетоскопов. Заплатив 25 центов за вход, зрители шли вдоль ряда кинетоскопов и смотрели в окуляры, а служащий включал кинетоскопы один за другим. Вскоре Эдисон сделал кинетоскоп автоматическим — автомат начинал действовать после опускания в щель монеты достоинством в 5 центов. Без сомнения, кинетоскоп являлся выдающимся техническим достижением. Но все же это еще не был кинематограф. Скачкового механизма он не имел. Между тем главной частью кинематографа, «сердцем» киносъемочного и кинопроекционного аппарата являлся именно скачковый механизм для быстрой, прерывистой смены изображений. Изобретение совершенного скачкового механизма, который позволил с установленной частотой осуществлять одновременно быстрое прерывистое передвижение отдельных подвижных изображений и их мгновенную остановку, стало тем событием, которое и ознаменовало рождение кинематографа.

В 1893 году Марей создал новый хронофотографический аппарат с целлулоидной пленкой. Пленка здесь двигалась прерывисто, делая мгновенные остановки с частотой 20 отдельных снимков в секунду. Однако механизм прерывистого движения был крайне примитивным. Он состоял из электромагнита и прижимных валиков. В момент срабатывания затвора валик притягивался и останавливал пленку. Действие этого механизма было очень грубым, поэтому аппарат Муррея нельзя считать технически удовлетворительным. Тем не менее в том же году Марей снял несколько замечательных фильмов о движении живых существ.

В 1894 году Жорж Демени создал первый совершенный киноаппарат со скачковым механизмом. Этот скачковый механизм представлял собой диск с «пальцем», вращающимся по часовой стрелке.

В 1895 году свой кинопроектор и киноаппарат запатентовали братья Огюст и Луи Люмьеры, применившие в качестве скачкового механизма грейфер («вилку»). Летом и осенью того же года они сняли десять коротких фильмов по 16 м, которые явились основой для коммерческих сеансов конца 1895 — начала 1896 годов. В декабре 1895 года был открыт первый кинотеатр в подвале «Гран‑кафе» на бульваре Капуцинов в Париже. Если судить строго фактически, то грейфер — это единственное оригинальное изобретение Люмьеров, притом не самое удачное (уже в 1896 году грейфер был заменен другим, более совершенным скачковым механизмом — мальтийским крестом). Однако именно на их аппарат выпала самая громкая слава. В течение первой половины 1896 года кинематограф Люмьеров демонстрировался во всех европейских столицах и имел колоссальный успех.

В апреле 1896 года Виктор Контенсуза и Бюнцли первыми применили в киноаппаратах четырехлопастный мальтийский крест — тот тип скачкового механизма, который преобладает в современных киноаппаратах.

Контенсуза имел небольшое предприятие в Париже и был опытным механиком. Он сконструировал несколько киноаппаратов для знаменитой кинофирмы «Патэ». Четырехлопастная мальтийская система состоит из ведущего диска, который имеет один палец (эксцентрик), и ведомого диска, снабженного четырьмя прорезями. При движении палец ведущего диска входит в прорезь ведомого диска и поворачивает его на 90 градусов. При этом зубчатый барабан поворачивается на 1/4 оборота. Ведомый диск за время одного оборота делает четыре остановки, причем продолжительность остановки в три раза больше времени движения. Четырехлопастный крест связан со скачковым зубчатым барабаном, передвигающим пленку. Стояние кадра определяется временем, необходимым для поворота ведущего диска на 270 градусов. После этого палец снова входит в следующую прорезь четырехлопастного креста и снова поворачивает его на 1/4 оборота. Таким образом происходит прерывистое движение пленки.

С самого своего появления кинематограф приобрел огромную популярность. Сравнительная дешевизна билетов и стремительный рост сети кинотеатров выдвинули его на первое место среди всех общедоступных развлечений. Ранний кинематограф был еще весьма несовершенным: картины сильно мигали, изображение прыгало по экрану, часто оно было довольно темно, но все же публика приходила от этих фильмов в восторг и валом валила в кинотеатры. Коммерческий успех нового изобретения превзошел все ожидания. (Капитал одной из первых кинофирм «Патэ» всего за 14 лет вырос в 30 раз — с 1 млн до 30 млн франков.)

65. РАДИОТЕЛЕГРАФ

Беспроволочный радиотелеграф по праву считают величайшим изобретением конца XIX века, открывшим новую эру в истории человеческого прогресса. Точно так же, как старый электрический телеграф положил начало электротехнике, создание радиотелеграфа послужило исходным пунктом развития радиотехники, а затем и электроники, грандиозные успехи которых мы видим теперь повсюду. В истории двух этих изобретений можно отметить и другую интересную параллель: создатели телеграфа Земеринг и Шиллинг были первыми изобретателями, которые попытались использовать в интересах человека недавно обнаруженную диковинку — электрический ток, а в основе действия радиотелеграфов Попова и Маркони лежало только что открытое явление электромагнитного излучения. Как тогда, так и теперь техника связи первой востребовала и использовала новейшее достижение науки.

В электрическом телеграфе носителем сигнала является электрический ток. В радиотелеграфе в качестве этого носителя выступают электромагнитные волны, которые распространяются в пространстве с огромной скоростью и не требуют для себя никаких проводов. Открытие электрического тока и открытие электромагнитных волн отделяют друг от друга ровно сто лет, и на их примере можно видеть каких разительных успехов достигла за этот век физика. Если электрический ток, как мы помним, был обнаружен Гальвани совершенно случайно, то электромагнитные волны впервые проявили себя в результате совершенно целенаправленного эксперимента Герца, который прекрасно знал, что и как ему надо искать, потому что еще за двадцать лет до его замечательного открытия существование электромагнитных волн с математической точностью было предсказано великим английским физиком Максвеллом.

Чтобы понять принцип действия радиотелеграфа, вспомним, что такое электрическое поле и что такое магнитное поле. Возьмем пластмассовый шарик и потрем его шерстяной тряпочкой — шарик после этого обретет способность притягивать к себе мелкие бумажки и сор. Он, как это обычно говорят, наэлектризуется, то есть получит на свою поверхность определенный электрический заряд. В одной из предыдущих глав уже сообщалось, что этот заряд может быть отрицательным и положительным, причем два шарика заряженных одинаково будут отталкиваться друг от друга с определенной силой, а два шарика с противоположными зарядами будут притягиваться. Почему это происходит? В свое время Фарадей предположил, что каждый шарик создает вокруг себя некое невидимое возмущение, которое он назвал электрическим полем. Поле одного заряженного шарика действует на другой шарик, и наоборот. В настоящее время гипотеза Фарадея принята наукой, хотя о природе этого поля, о том, что оно из себя представляет как таковое, ничего не известно. Кроме того, что электрическое поле существует, очевидны только два его несомненных свойства: оно распространяется в пространстве вокруг всякого заряженного тела с огромной, хотя и конечной, скоростью 300000 км/с и воздействует на любое другое электрически заряженное тело, оказавшееся в этом поле, притягивая или отталкивая его с определенной силой. Разновидностью такого воздействия можно считать электрический ток. Как уже говорилось, любой электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц. Например, в металлах, это движение электронов, а в электролитах — движение ионов. Что же заставляет эти частицы двигаться упорядочение в одном направлении? Ответ известен: этой силой является электрическое поле. При замыкании цепи в проводнике по всей его длине от одного полюса источника питания до другого возникает электрическое поле, которое воздействует на заряженные частицы, заставляя их двигаться определенным образом (например, в электролите положительно заряженные ионы притягиваются к катоду, а отрицательно заряженные — к аноду).

Многое из сказанного об электрическом поле можно отнести к магнитному. Все имели дело с постоянными металлическими магнитами и знают об их свойстве притягиваться и отталкиваться друг от друга в зависимости от того, какими полюсами — одноименными или разноименными — они направлены друг к другу. Взаимодействие магнитов объясняется тем, что вокруг любого из них возникает магнитное поле, причем поле одного магнита действует на другой магнит, и наоборот. Уже отмечалось, что магнитное поле возникает в пространстве вокруг каждого движущегося заряда и любой электрический ток (который — еще раз повторим это — есть направленный поток заряженных частиц) порождает вокруг себя магнитное поле. Говорилось и об обратном явлении — явлении электромагнитной индукции, когда изменяющееся магнитное поле наводит в проводниках электрический ток. Но почему возникает этот ток и при этом возникает только тогда, когда магнитное поле меняется? Попробуем в этом разобраться. Возьмем уже рассмотренный выше трансформатор, представляющий собой две катушки, надетые на один сердечник. Включив первичную обмотку трансформатора в сеть, мы получим ток во вторичной обмотке. Это означает, что электроны во вторичной обмотке пришли в направленное движение, то есть какая‑то сила начала воздействовать на них. Какова же природа этой силы? Долгое время ученые и электротехники становились в тупик перед этим вопросом. Уже используя трансформаторы, они не могли полностью понять процессы, которые в них происходили. Очевидно было только, что это явление нельзя объяснить единственно воздействием магнитного поля.

Интересную гипотезу, объясняющую это и многие другие электрические явления, выдвинул в 1864 году известный английский физик Максвелл. Чтобы понять ее, заметим, что процесс, который происходит во вторичной обмотке трансформатора, очень похож на тот, что наблюдается в любом проводнике замкнутой электрической цепи — и там и здесь электроны приходят в направленное движение. Но в проводнике цепи это происходит под воздействием электрического поля. Быть может, и во вторичной обмотке трансформатора тоже возникает электрическое поле? Но откуда оно берется? В замкнутой цепи электрическое поле появляется вследствие включения в нее источника тока (батареи или генератора). Но во вторичной цепи трансформатора, как известно, нет никаких внешних источников тока. Максвелл предположил, что электрическое поле возникает здесь под влиянием изменяющегося магнитного поля. Он пошел дальше и стал утверждать, что два эти поля теснейшим образом связаны между собой, что любое изменяющееся магнитное поле порождает электрическое, а любое изменяющееся электрическое поле порождает магнитное и что они вообще не могут существовать друг без друга, представляя как бы единое электромагнитное поле.

Теорию Максвелла можно пояснить следующим простым примером. Представим себе, что на пружине подвешен заряженный шарик. Если мы оттянем его вниз, а потом отпустим, шарик начнет колебаться вокруг какой‑то точки равновесия. Предположим, что эти колебания происходят с очень большой частотой (то есть шарик успевает подняться и опуститься несколько сотен или даже тысяч раз за одну секунду). Теперь будем измерять величину напряженности электрического поля в какой‑то точке неподалеку от шарика. Очевидно, она не является величиной постоянной: когда шарик будет приближаться, напряженность увеличится, когда он будет удаляться — она уменьшится. Период этих изменений, очевидно, будет равен периоду колебаний шарика. Другими словами, в этой точке возникает переменное электрическое поле. Следуя гипотезе Максвелла, мы должны предположить, что это изменяющееся электрическое поле породит вокруг себя изменяющееся с той же периодичностью магнитное поле, а последнее вызовет появление переменного электрического поля уже на большем расстоянии от заряда и так далее. Таким образом, в окружающем шарик пространстве возникнет система периодически изменяющихся электрических и магнитных полей. Образуется так называемая электромагнитная волна, бегущая по всем направлениям от колеблющегося заряда со скоростью 300000 км/с. С каждым новым колебанием шарика в пространство излучается очередная электромагнитная волна. Сколько колебаний, столько и волн. Но сколько бы волн ни излучалось в единицу времени, скорость их распространения строго постоянна. Если предположить, что шарик совершает одно колебание в секунду, то за это время «головная» часть волны окажется на расстоянии 300000 км от источника излучения. Если частота составляет 1000000 колебаний в секунду, то все эти волны заполнят за 1 секунду пространство, считая по прямой линии в сторону от источника излучения 300000 км. На долю же каждой отдельной волны придется путь в 300 м. Таким образом длина каждой волны напрямую связана с частотой колебания сгенерировавшей ее системы.

Заметим, что эта волна как бы в самой себе имеет все условия для своего распространения. Хотя каждая плотная среда в той или иной степени ослабляет ее силу, электромагнитная волна в принципе может распространяться и в воздухе, и воде, проходить сквозь дерево, стекло, человеческую плоть. Однако наилучшей средой для нее является вакуум. Теперь посмотрим, что произойдет, если на пути распространения электромагнитной волны окажется проводник. Очевидно, электрическое поле волны будет воздействовать на электроны проводника, которые вследствие этого придут в направленное движение, то есть в проводнике возникнет переменный электрический ток, имеющий тот же период колебания и ту же частоту, что и породившее его электрическое поле. Таким образом, можно дать объяснение явлению электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.

Понятно, что наш пример несколько идеален. В реальных условиях электромагнитное поле, излучаемое колеблющимся заряженным шаром, будет очень слабым, и напряженность его на большом расстоянии практически равна нулю. Ток, наводимый во вторичном проводнике, будет настолько мал, что его не зарегистрируют никакие приборы. По этой причине при жизни Максвелла его теория не получила экспериментального подтверждения. Многие ученые разделяли его взгляды и искали способ, который помог бы обнаружить электромагнитные волны. Опыты в этом направлении стали исходной точкой для развития радиотехники.

Только в 1886 году немецкий физик Герц провел эксперимент, подтверждавший теорию Максвелла. Для возбуждения электромагнитных волн Герц применил прибор, названный им вибратором, а для обнаружения — другой прибор — резонатор.

Вибратор Герца состоял из двух стержней одинаковой длины, которые присоединялись к зажимам вторичной обмотки индукционной катушки. На обращенных друг к другу концах стержней укреплялись небольшие металлические шары. При прохождении индукционного тока через вторичную обмотку катушки между шарами проскакивала искра, и в окружающее пространство излучались электромагнитные волны. Резонатор Герца состоял из согнутой в кольцо проволоки, на обоих концах которой тоже укреплялись металлические шарики. Под действием переменного магнитного поля электромагнитной волны в резонаторе наводился переменный электрический ток, в результате чего между шариками происходил разряд. Таким образом, при разряде в вибраторе наблюдалось проскакивание искры между шариками резонатора. Объяснить это явление можно было только исходя из теории Максвелла, так что благодаря опыту Герца со всей очевидностью было доказано существование электромагнитных волн.

Герц был первым человеком, который сознательно управлял электромагнитными волнами, но он никогда не ставил перед собой задачи создать устройство, позволявшее наладить беспроволочную радиосвязь. Однако эксперименты Герца, описание которых появилось в 1888 году, заинтересовали физиков всего мира. Многие ученые стали искать пути усовершенствования излучателя и приемника электромагнитных волн. Резонатор Герца был прибором очень малой чувствительности и поэтому мог улавливать испускаемые вибратором электромагнитные волны лишь в пределах комнаты. Сначала Герцу удалось осуществить передачу на расстояние 5, а потом — 18 м.

В 1891 году французский физик Эдуард Бранли открыл, что металлические опилки, помещенные в стеклянную трубочку, при пропускании через них электрического тока не всегда обнаруживают одинаковое сопротивление. При возникновении вблизи трубочки электромагнитных волн, например, от искры, полученной посредством катушки Румкорфа, сопротивление опилок быстро падало и восстанавливалось лишь после их легкого встряхивания. Бранли указал, что это их свойство можно использовать для обнаружения электромагнитных волн.

В 1894 году английский физик Лодж впервые использовал трубку Бранли, которую он назвал «когерером» (от латинского coheare — сцепляться, связываться) для того, чтобы регистрировать прохождение электромагнитных волн. Это позволило увеличить дальность приема до нескольких десятков метров. Для восстановления чувствительности когерера после прохождения электромагнитных волн Лодж установил непрерывно действующий часовой механизм, который постоянно встряхивал его. Фактически Лоджу оставалось сделать только шаг, чтобы создать радиоприемник, но он этого шага не сделал.

Впервые мысль о возможности применения электромагнитных волн для нужд связи была изложена русским инженером Поповым. Он указал, что передаваемым сигналам можно придать определенную длительность (например, одни сигналы сделать более длинными, другие — более короткими) и с помощью азбуки Морзе передавать без проводов депеши. Впрочем, устройство это имело смысл только в том случае, если бы удалось добиться устойчивой радиопередачи на большое расстояние. Изучив трубки Бранли и Лоджа, Попов принялся за разработку еще более чувствительного когерера. В конце концов ему удалось создать очень чувствительный когерер с платиновыми электродами, заполненный железными опилками.

Следующей проблемой явилось усовершенствование процесса встряхивания опилок после их слипания, вызванного прохождением электромагнитной волны. Часовой механизм, применявшийся Лоджем для восстановления чувствительности когерера, не обеспечивал надежного действия схемы: такое встряхивание было беспорядочным и могло привести к пропуску сигналов. Попов искал автоматический метод, который бы позволил восстанавливать чувствительность когерера только после того, как сигнал принят. Проделав много опытов, Попов изобрел способ периодического встряхивания когерера с помощью молоточка электрического звонка и применил электрическое реле для включения цепи этого звонка. Схема, разработанная Поповым, обладала большой чувствительностью, и уже в 1894 году ему удалось с ее помощью принимать сигналы на расстоянии нескольких десятков метров. Во время этих опытов Попов обратил внимание на то, что дальность действия приемника заметно увеличивается, если присоединить к когереру вертикальный провод. Так была изобретена приемная антенна, использовав которую Попов внес существенные улучшения в условия работы приемника. К 1895 году он создал прибор, который представлял собой первый в истории радиоприемник.

Этот радиоприемник был устроен следующим образом. Чувствительная трубка с металлическими опилками (когерер) укреплялась в горизонтальном положении; к одному выводу трубки присоединялся отрезок проволоки, представлявший собой приемную антенну, а к другому концу — заземленный провод. Электрическая цепь батареи замыкалась через когерер и электромагнитное реле: вследствие большого сопротивления опилок в трубке (до 100000 Ом) ток в цепи батареи был недостаточен для притяжения якоря реле. Но как только трубка подвергалась действию электромагнитных волн, опилки слипались, и сопротивление трубки значительно уменьшалось. Ток в цепи возрастал, и якорь реле притягивался. При этом происходило замыкание второй цепи, и ток направлялся через обмотки звонкового реле, в результате чего звонок приходил в действие. Молоточек ударял по звонку, при этом цепь размыкалась. Молоточек возвращался в исходное положение под действием пружины и ударял по трубке, встряхивая опилки. Таким образом, трубка вновь делалась чувствительна к электромагнитным волнам.

7 мая 1895 года Попов демонстрировал работу своего радиоприемника во время доклада на заседании Русского физико‑химического общества. Источником электромагнитных колебаний в его опытах служил передающий вибратор Герца, только в передатчике Попова искровой разрядник включался между антенной и землей. В январе 1896 года в журнале этого общества была опубликована статья Попова с описанием его приемника.

Затем Попов присоединил к своей схеме телеграфный аппарат Морзе и ввел запись на ленту. В результате получился первый в мире радиотелеграф — передатчик и приемник с записью сигналов по азбуке Морзе.

Рассмотрим внимательно его устройство. Между батареей и первичной обмоткой катушки Румкорфа был включен телеграфный ключ Морзе. При замыкании этого ключа постоянный ток батареи шел через витки обмотки. Прерыватель с большой частотой замыкал и размыкал цепь, в результате чего (смотри главу «Трансформатор») постоянный ток преобразовывался в переменный. Благодаря электромагнитной индукции во вторичной обмотке катушки Румкорфа наводился переменный ток высокого напряжения. Эта обмотка замыкалась на разрядник. Таким образом, каждое замыкание телеграфного ключа порождало потоки искр в разряднике. Короткими или более продолжительными замыканиями производились короткие и долгие потоки искр, которые соответствовали точкам и тире азбуки Морзе. Один полюс разрядника был заземлен, а другой соединен с антенной, которая излучала порожденные разрядником электромагнитные волны в окружающее пространство.

Некоторая часть этих волн попадала в антенну приемника и индуцировала в ней слабый переменный ток. Причем длительность каждого принимаемого импульса тока точно соответствовала продолжительности сигнала разрядника. Устройство приемника было почти таким же, что в предыдущей модели: когерер соединялся с батареей и электромагнитом, реле которого при помощи местной батареи приводило в действие пишущий аппарат Морзе, включенный в цепь вместо звонка. Пока когерер не подвергался действию электромагнитных волн, его сопротивление было настолько велико, что ток в цепи когерера не протекал. Когда же на когерер оказывали действие электромагнитные волны, его сопротивление сильно уменьшалось, и сила тока в цепи возрастала настолько, что электромагнит притягивал свой якорь, включая цепь телеграфного аппарата. Это притяжение не прекращалось, пока электромагнитные волны действовали на когерер. Одновременно с замыканием цепи приходил в действие молоточек, который ударял по когереру. Сопротивление последнего увеличивалось. Однако если волны продолжали действовать, то сопротивление тотчас опять уменьшалось и состояние малого сопротивления продолжалось несмотря на сотрясения. Все это время телеграфный аппарат чертил линию на ленте. И только когда воздействие электромагнитных волн прекращалось, проявлялось действие сотрясения, и сопротивление увеличивалось до прежней величины — аппарат выключался до появления новой волны. Таким образом на телеграфной ленте вычерчивались точки и тире, соответствующие сигналам пересылаемой депеши. 24 марта 1896 года Попов демонстрировал свою аппаратуру на заседании Российского физико‑химического общества и произвел передачу сигналов на расстояние 250 м. Первая в мире радиограмма состояла из двух слов «Генрих Герц».

Одновременно с Поповым свою радиотелеграфную установку создал молодой итальянец Гульельмо Маркони. С детства он горячо интересовался электричеством, а потом увлекся идеей беспроволочного телеграфа. В 1896 году он собрал передатчик и приемник, очень похожие по своему устройству на те, которые изобрел Попов. В том же году Маркони привез свое изобретение в Англию. Мать его была англичанка, и благодаря ее связям он был хорошо принят на Британских островах. В 1896 году Маркони получил английский патент на свой радиотелеграф (это был первый патент, взятый на телеграфирование без проводов; таким образом, с формальной точки зрения, Маркони вполне справедливо считается изобретателем радио, так как первым сумел запатентовать свое изобретение). В июне 1897 года было организовано акционерное общество для применения изобретения Маркони. В свои 23 года он проявил удивительную изобретательность и предприимчивость. С первых же шагов его предприятие получило солидную финансовую основу. При любой возможности Маркони старался демонстрировать, какие выгоды давало новое средство беспроводной связи. Так, в июне 1898 года должны были состояться традиционные парусные гонки в районе Дублина. Эти гонки всегда привлекали к себе всеобщее внимание. Маркони отправился в Дублин и договорился с одной из крупных ирландских газет, что будет передавать ей по радио с парохода, находившегося в районе гонок, все сведения, которые могут интересовать публику для помещения их в экстренных выпусках газеты. Опыт удался полностью. В течение нескольких часов Маркони вел передачу, которая принималась редакцией. Полученные таким образом сведения опережали всякие другие, и газета значительно увеличила тираж. Для Маркони это тоже был большой успех: в короткий срок акционерный капитал его общества удвоился, достигнув 200 тысяч фунтов стерлингов. Это дало ему возможность быстро совершенствовать свой радиотелеграф. Через несколько лет он уже значительно опережал в своих разработках Попова.

Одним из главных элементов первых радиоприемников был когерер. Естественно поэтому, что основные усилия изобретателей, стремившихся усилить чувствительность приемных аппаратов, были направлены именно на его совершенствование. Маркони первый обратил внимание на важное свойство когерера, а именно — на зависимость его действия от величины приложенного к нему напряжения высокочастотных колебаний. Чтобы возможно полнее собрать энергию магнитного поля, создаваемого наведенным в антенне ничтожно малым током, необходимо было его усилить. Маркони нашел простой и остроумный способ решения этой проблемы. В 1898 году он включил в свой радиоприемник джиггер (что значит «сортировщик») — высокочастотный трансформатор, первичная обмотка которого включалась в одну цепь с антенной, а вторичная — подводилась к когереру. В том же году Маркони взял патент на эту схему.

Проводники a и b обозначают здесь цепь антенны, в которую была включена первичная обмотка джиггера c. В результате трансформации напряжение слабого антенного тока во вторичной цепи значительно возрастало. С джиггера d сигнал попадал на когерер j, к которому была подключена батарея b' и реле K, включавшее телеграфный аппарат, как это было в прежних схемах. Это простое нововведение позволило в несколько раз повысить чувствительность первых радиоприемных станций. Дальность передачи сразу повысилась с 30 до 85 миль. В том же году Маркони осуществил передачу через Ла‑Манш.

Другой чрезвычайно важный шаг в направлении увеличения чувствительности приемника был сделан в 1899 году ближайшим помощником Попова Рыбкиным. В одном из опытов, проводимых им, оказалось, что из‑за дальности расстояния приборы не действовали. Не будучи уверен в их полной исправности Рыбкин попробовал включить в цепь когерера вместо реле и телеграфного аппарата обыкновенную телефонную трубку и узнал, что каждый разряд на станции вызывает слабый треск в телефоне, так что можно было легко принять на слух любую депешу. Самым поразительным здесь было то, что когерер при таком включении не требовал встряхивания. Явление это, в то время не совсем понятное, было объяснено только несколькими годами позже. Дело в том, что если обычно когерер работал как переменное сопротивление, которое в результате спекания металлических зерен менялось почти от бесконечности до сравнительно небольшой величины, то в данной схеме он действовал на совершенно иной основе и представлял собой не что иное, как детектор в современном понимании этого слова, то есть устройство, пропускавшее ток только в одном направлении, имевшее одностороннюю проводимость и превращавшее (выпрямлявшее) переменный ток в пульсирующий постоянный. Выпрямленные детектором ничтожные антенные токи были совершенно недостаточны для приведения в действие телеграфного реле, но зато оказывались в состоянии действовать на весьма чувствительный прибор — мембрану телефонной трубки, порождая слабые звуковые волны точно так же, как это было в обыкновенном телефоне. Приложив телефон к уху, можно было слышать длинные и короткие потрескивания, соответствующие точкам и тире азбуки Морзе.

Приемное устройство с переходом на телефон сильно упростилось. Не стало механизма, записывающего телеграфные знаки, уменьшилась батарея, отпала необходимость в постоянном встряхивании металлического порошка. Если в прежнем приемнике, работавшем на записывающий аппарат, помехи от грозовых разрядов приводили часто к ложным срабатываниям реле и искажали записи, то прием на слух при известном навыке телеграфиста давал больше возможности для выделения правильно чередующихся телеграфных знаков на фоне хаотического треска помех. Но самым существенным преимуществом нового приемника была его более значительная чувствительность.

Следующий шаг в совершенствовании радиоприемников был связан с повышением их избирательности, так как первые же попытки перейти от опытов к практическому использованию электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние со всей остротой показали, что дальнейшее развитие этого нового вида связи и его широкое применение окажется возможным лишь в том случае, если будут найдены эффективные способы, позволяющие одновременно работать в эфире нескольким передающим станциям.

Для случая с проводной связью эта задача решалась тогда очень просто. Достаточно было каждый из приемных аппаратов, расположенных в каком‑либо пункте, соединить своими индивидуальными проводами с соответствующей передающей установкой. Но как следовало поступить в случае беспроволочной передачи? Опыты работы первых станций Попова и Маркони сразу же вскрыли все несовершенство в этом отношении применявшейся тогда аппаратуры. Прием сигналов в зоне действия двух одновременно работающих станций оказывался из‑за взаимных помех совершенно невозможным. Выход был найден в передаче радиотелеграфных сигналов волнами различной длины с использованием для их выделения в приемном устройстве явления резонанса.

Чтобы разобраться в сути этого способа, рассмотрим подробнее свойства индуктивной катушки и конденсатора. Представим себе катушку с большим количеством витков, по которой проходит переменный ток. Изменяющийся электрический ток, как уже говорилось прежде, порождает в окружающем пространстве изменяющееся магнитное поле, которое в свою очередь создает изменяющееся электрическое поле. Это электрическое поле индуцирует в витках катушки электрический ток, направленный навстречу основному — происходит явление, называемое самоиндукцией. Внешне этот эффект проявляется, в частности, в том, что при замыкании цепи ток в любой катушке достигает своего максимального значения не сразу, а с некоторым опозданием по сравнению, например, с обычным прямолинейным проводником. При размыкании сети изменяющееся электрическое поле индуцирует в катушке ток, совпадающей по направлению с основным, в связи с чем ток в катушке сохраняется еще некоторое время после отключения питания. Это свойство катушки задерживать и как бы сохранять в себе некоторое время ток без всякого внешнего воздействия характеризуется особой величиной, называемой индуктивностью. Каждая катушка имеет свою индуктивность, величина которой зависит от размеров проводника и его формы, но не зависит от протекающего тока.

Что касается конденсатора, то он обычно представляет собой две пластинки, расположенные очень близко друг напротив друга, но разделенные диэлектриком, то есть веществом, не пропускающим электрический ток. Пластинки конденсатора называются его обкладками. Если подключить обкладки конденсатора к полюсам источника постоянного тока (например, к электрической батарее), то на них будет накапливаться электрический заряд, который сохранится и после того, как батарея будет отключена. Способность конденсатора накапливать заряд определяется его электроемкостью. Каждый конденсатор имеет свою электроемкость, причем величина ее зависит от площади пластин, от расстояния между ними и от свойств диэлектрика, их разделяющего. Если обкладки конденсатора соединить кусочком проволоки, то произойдет его быстрая разрядка — электроны с той пластины, где они находились в избытке, перетекут на другую, где их не хватало, после чего заряд каждой из обкладок будет равен нулю.

Ну а если конденсатор разряжать не сам на себя, а через индукционную катушку? В этом случае наблюдается очень интересное явление. Представим себе заряженный конденсатор, к обкладкам которого присоединили катушку. Очевидно, конденсатор начнет разряжаться, и в цепи появится электрический ток, однако сила его не достигнет сразу максимального значения, а будет увеличиваться постепенно вследствие явления самоиндукции в катушке. В тот момент, когда конденсатор полностью разрядится, сила тока в катушке достигнет максимальной величины. Что же получится? Несмотря на то что обе пластины конденсатора уже будут иметь нулевой заряд, протекание тока через катушку продолжится, поскольку вследствие той же самоиндукции ток в катушке не может прекратиться мгновенно. Катушка словно превратится на несколько мгновений в источник тока и будет заряжать конденсатор точно так же, как это делала электрическая батарея. Только теперь заряды пластин меняются местами — та, которая, до этого была отрицательно заряженной, становится положительной, и наоборот. В результате, когда ток в катушке будет равен нулю, конденсатор окажется снова заряженным. Он, впрочем, в то же мгновение опять начнет разряжаться через катушку, и весь процесс повторится в обратном направлении. Если бы не было неизбежных потерь электроэнергии, такая перезарядка могла бы происходить сколь угодно долго.

Описанное явление называют электрическими колебаниями, а систему конденсатор — катушка, в которой происходят эти колебания, — колебательным контуром. В зависимости от того, сколько раз за одну секунду конденсатор успеет перезарядиться, говорят о той или иной частоте колебаний. Частота колебаний напрямую связана со свойствами колебательного контура, прежде всего, индуктивностью катушки и емкостью конденсатора. Замечено, что чем меньше эти величины, тем больше частота колебаний в контуре, то есть конденсатор успевает большее число раз перезарядиться за одну секунду.

Как и любые колебания (например, колебания маятника), колебания в системе конденсатор — катушка, если их не поддерживать извне, со временем прекратятся, так как первоначальная энергия будет расходоваться на нагрев проводов и электромагнитное излучение. Это означает, что с каждым колебанием максимальная величина тока в катушке и максимальное напряжение на обкладках конденсатора будут все меньше и меньше. Однако точно так же, как колебание маятника в механических часах, электрические колебания можно поддерживать, если, к примеру, подключить конденсатор к внешнему источнику переменного тока. Но переменный ток, как мы помним, тоже изменяет свою величину с определенной частотой, или, говоря другими словами, имеет собственную частоту колебаний. Любой колебательный контур не безразличен к тому, какую частоту колебания имеет питающий его ток. Если, к примеру, этот ток имеет слишком большую или слишком маленькую частоту колебания по сравнению с частотой колебания самого контура, то сила тока и его напряжение в колебательном контуре никогда не будут большими (поскольку это внешнее воздействие будет больше мешать его собственным колебаниям, чем помогать им). Однако в тех случаях, когда частота колебаний внешнего тока близка к собственной частоте колебаний контура, сила тока и напряжение контурного тока начинают возрастать и достигают своего максимума при полном совпадении этих частот. В этом случае говорят, что колебательный контур находится в резонансе. Особенно ярко проявляется резонанс в контурах с небольшим сопротивлением. В этом случае напряжение на конденсаторе и катушке может во много раз превосходить внешнее напряжение питающего тока. Происходит своего рода всплеск или бросок напряжения.

Явление электрического резонанса и было использовано для осуществления избирательной радиосвязи. Маркони одним из первых стал настраивать колебательные контуры передающей и принимающей станций на одну и ту же частоту. Для этого он, в частности, использовал свой джиггер, включая параллельно его вторичной обмотке конденсатор и получая таким образом колебательный контур. Схема передатчиков также была изменена включением в цепь антенны индуктивных катушек и конденсаторов, так что каждая передающая станция могла передавать сигналы с определенной частотой колебания волны. Поскольку теперь несколько радиостанций передавали сообщения каждая со своей частотой, то излучаемые ими волны возбуждали в приемной антенне переменные токи различных частот. Но приемник выбирал только те сигналы, частота которых совпадала с собственной частотой колебания его колебательного контура, ведь только в этом случае наблюдалось явление резонанса. Джиггер в этой схеме работал как фильтр и усиливал не любой антенный ток (как это было прежде), а выделял среди них ток той частоты, на которую был настроен данный приемник. С этого времени резонансные контуры стали неотъемлемой частью как приемных, так и передающих устройств.

В начале XX века уже несколько десятков ученых во многих странах с увлечением занимались беспроволочным телеграфом. Однако наибольшие успехи по‑прежнему были связаны с именем Маркони, который, несомненно, был одним из самых выдающихся радиотехников этого времени. После ряда опытов передачи на большие расстояния Маркони сделал поразительное открытие — оказалось, что выпуклость земного шара нисколько не мешает движению электромагнитных волн. Это подтолкнуло его к эксперименту по телеграфированию через океан. Уже в 1901 году состоялась первая в истории трансатлантическая радиопередача, во время которой помощник Маркони, Флеминг, передал с английской станции в Польдю кодом Морзе букву "S", а Маркони, находившийся на другом берегу Атлантического океана, на острове Ньюфаундленде, принял ее на расстоянии 1800 миль.

Следующим важным моментом в усовершенствовании приемников стало создание новых волноуловителей (детекторов). Когерер Бранли сыграл важную роль в первые годы развития радиосвязи. Однако он был слишком капризным и сложным в обращении. Кроме того, его приходилось постоянно встряхивать для восстановления способности отзываться на очередной радиосигнал. Одной из центральных задач стало создание «самонастраивающегося» когерера. Первая попытка в этом направлении была сделана в 1899 году Поповым с телефоном. Вторая Маркони, сконструировавшего в начале XX века свой магнитный детектор.

Принцип действия магнитного детектора основывался на явлении так называемого гистерезиса. Дело в том, что обычно железо намагничивается с некоторым опозданием во времени. Однако намагничивание можно усилить, если в момент воздействия внешнего магнитного поля вызвать заметное сотрясение молекул железа. Это можно сделать путем механического удара или коротким импульсом другого магнитного поля. Данное явление и было использовано Маркони.

В его магнитном детекторе на два роликовых диска натягивалась бесконечная лента из мягкой железной проволоки, двигавшаяся со скоростью пять дюймов в секунду и проходившая под полюсами двух постоянных магнитов внутри небольшой стеклянной трубки. На эту трубку наматывались первичная и вторичная обмотки, причем первичная обмотка включалась в цепь антенны, а вторичная присоединялась к телефону. Проходя под полюсами магнита, железная лента намагничивалась сначала в одном, а потом в противоположном направлении. Само перемагничивание происходило под средними сдвоенными одноименными полюсами, но не тотчас в момент прохождения под ними ленты, а несколько запаздывая (из‑за упомянутого выше свойства железа). Картина магнитных линий, исходивших из полюсов и замыкавшихся в железной проволоке, искажалась, и магнитные линии представлялись как бы увлекаемыми проволокой в сторону движения. Высокочастотное магнитное поле, образовавшееся внутри первичной обмотки во время прохождения принимаемого радиосигнала, мгновенно ослабляло явление гистерезиса в железной проволоке и производило в ней ударное перемагничивание. Конфигурация силовых линий резко изменялась, и они устанавливались в том положении, которое свойственно им при неподвижной проволоке. Это внезапное смещение силовых линий создавало мгновенный ток во вторичной обмотке, вызывавший звук в телефоне. Прибор не требовал встряхиваний и был всегда готов к приему очередного сигнала. В те же годы другими радиотехниками были предложены другие типы детекторов.

С этого времени началось бурное развитие радиотехники. В 1902 году, используя свой магнитный детектор, Маркони провел серию замечательных опытов на итальянском военном крейсере «Карло Альберто». Во время плавания из Италии в Англию и Россию он совершенно свободно вел прием на расстоянии 2000 км от Польдю, где находилась передающая станция. В ноябре того же 1902 года была устроена официальная радиосвязь между США и Англией. Президент Рузвельт и король Эдуард VIII обменялись приветственными радиограммами. А в октябре 1907 года фирма Маркони открыла для широкой публики первую в истории радиотелеграфную станцию, передающую сообщения из Европы в Америку. Интерес к этой новинке оказался огромным — в первый же день было передано 14 тысяч слов.

66. ДИЗЕЛЬ

Как известно, одним из основных показателей, по которому оценивается работа любого, в том числе теплового, двигателя, является его КПД. Чем больше энергии, выделившейся при сгорании топлива, превращается в полезную работу, чем меньше ее теряется при различных преобразованиях, тем лучше. Во всех существующих тепловых двигателях эти потери очень велики, так что более двух третей выделившейся в них энергии растрачивается попусту. В чем здесь причина? Происходит ли это из‑за неудачной конструкции, или же тепловой двигатель в принципе не может иметь высокий КПД по самой своей природе? Впервые над этим вопросом задумался французский инженер Карно, выпустивший в 1824 году классический труд «Размышление о движущей силе огня». Карно поставил перед собой задачу выяснить, каким образом должны протекать процессы в идеальном тепловом двигателе, чтобы КПД его был максимально возможным. Путем расчетов он в конце концов вывел понятие о круговом процессе в работе всех тепловых двигателей (его называют «циклом Карно»), при котором между двумя температурами T1 и T2 рабочего тела двигателя (рабочее тело — это тот газ, который двигает поршень; им может быть пар в паровой машине или взрывчатая смесь в газовом двигателе) можно получить максимум полезной работы, а следовательно, и самый высокий КПД. Работа этого гипотетического высокоэффективного двигателя, как доказал Карно, должна складываться из четырех циклов. На первом цикле к рабочему телу подводится тепло Q1 от верхнего уровня T1 при постоянной температуре этого уровня (то есть на этом цикле рабочее тело должно расширяться, сохраняя постоянную температуру, что и достигается за счет нагревания тела). Во время второго цикла происходит расширение рабочего тела, но уже без подвода тепла, до тех пор, пока температура его не опустится до нижнего уровня T2. На третьем цикле рабочее тело сжимается при постоянной температуре T2 (для этого было необходимо постоянно отводить тепло Q2). На четвертом этапе рабочее тело сжималось без отвода тепла до тех пор, пока его температура не поднимется вновь до T1. В случае соблюдения всех этих условий, по расчетам Карно, КПД двигателя определялся формулой 100•(1 — T2/T1) и достигал порядка 70‑80%.

На протяжении всего XIX века расчеты Карно будоражили творческую мысль изобретателей, которые старались найти ответ на вопрос: каким образом работу реальных тепловых двигателей приблизить к работе по «циклу Карно» и получить максимально возможный КПД. Но все попытки построить такой двигатель оказались безуспешны. Например, КПД паровой машины при мощности в 100 л.с. не превышал 13%, а в маломощных двигателях он был менее 10%. КПД бензиновых и газовых двигателей получался несколько выше, но тоже не превосходил 22‑24%.

Таково было положение дел, когда в начале 90‑х годов за создание «идеального двигателя» взялся молодой немецкий инженер Рудольф Дизель. Еще будучи студентом, он поставил перед собой цель разработать такой мотор, показатели которого были бы близки к «циклу Карно», причем этот двигатель должен был превосходить обычный бензиновый как по мощности, так и по экономичности.

После нескольких лет упорной работы проект двигателя был разработан. Суть идеи Дизеля сводилась к следующему. На первом этапе поршень сжимал воздух в цилиндре до высокого давления, за счет чего температура в цилиндре повышается до температуры воспламенения горючего (это соответствовало четвертому циклу Карно — сжатию без отвода тепла). Таким образом, в цилиндре достигалось давление порядка 90 атм и температура около 900 градусов. Горючее подавалось в цилиндр в конце цикла сжатия и вследствие высокой температуры воздуха воспламенялось от одного соприкосновения с ним без всякого внешнего зажигания. Нагнетание горючего осуществлялось равномерно, так что часть обратного движения поршня и расширение газов происходили при постоянной температуре (в соответствии с первым «циклом Карно»). Далее поршень двигался уже под влиянием высокого давления без горения топлива (второй «цикл Карно»). Третьему циклу соответствовали выхлоп и всасывание свежей порции атмосферного воздуха. Затем все циклы повторялись. Благодаря такому устройству Дизель думал повысить КПД своего мотора до неслыханной величины — 73%. Поначалу в качестве горючего он рассчитывал применить пары аммиака, но потом остановил свой выбор на угольном порошке. В 1892 году Дизель получил патент на описанный принцип работы двигателя, а в 1893 году выпустил брошюру «Теория и конструкция рационального теплового двигателя» с описанием мотора и своими математическими выкладками.

Брошюра привлекла к себе большое внимание. Впрочем, большинство инженеров считало идею Дизеля несбыточной. Крупнейший специалист по газовым двигателям того времени Келер предупреждал, что получить такой высокий КПД невозможно, поскольку в двигателе Дизеля очень высоки потери мощности на сжатие воздуха до температуры воспламенения, и при работе по «циклу Карно» вся полезная работа будет расходоваться только на поддержание его собственного движения. Тем не менее Дизель стал настойчиво предлагать свою модель различным немецким фирмам. Поначалу он повсеместно встречал отказ. Не отчаиваясь, он продолжал переписку, спорил, доказывал и наконец добился успеха: фирма Круппа в Эссене согласилась финансировать расходы, а руководство Аугсбургского завода — изготовить пробный образец.

Уже в июле 1893 года был изготовлен первый одноцилиндровый двигатель Дизеля. В соответствии с первоначальным проектом, сжатие в его цилиндре должно было достигать 90 атм, а температура перед началом впуска горючего — 900 градусов. Поскольку температура не должна была сильно превышать этот предел, никакой системы охлаждения для мотора не предусматривалось. Компрессор также не планировался — угольный порошок предполагалось вдувать насосом.

Но еще на стадии сборки Дизель, проверив свои расчеты, убедился, что Келер прав — затраты мощности двигателя на сжатие воздуха до 90 атмосфер оказались чрезмерно велики и «съедали» весь выигрыш в КПД за счет работы по «циклу Карно». Пришлось прямо на ходу переделывать задуманное. Чтобы снизить потери мощности на сжатие, Дизель решил уменьшить давление в цилиндре более чем вдвое — до 35‑40 атм. В связи с этим температура сжатого воздуха вместо 900 градусов должна была составлять всего 600. Это было очень мало — разность температур в формуле Карно оказывалась слишком незначительной для получения высокого КПД. Чтобы поправить дело и повысить мощность мотора, Дизелю пришлось отказаться и от второго важного момента своей конструкции — расширения рабочего тела при постоянной температуре. Он рассчитал, что температура при сгорании топлива должна возрастать до 1500 градусов. А это, в свою очередь, требовало, во‑первых, самого интенсивного охлаждения мотора, а во‑вторых, более калорийного горючего. Угольная пыль не могла дать такой высокой температуры, поэтому Дизель был принужден обратиться к жидкому топливу. Но при первой же попытке впрыснуть в цилиндр бензин, произошел взрыв, едва не унесший жизни изобретателя и его помощников.

Так закончилось первое испытание. Оно имело двоякий результат. Дизелю пришлось шаг за шагом довольно сильно отступить от первоначальной схемы своего «идеального мотора». Но, с другой стороны, некоторые принципиальные моменты его расчетов подтвердились — сильное сжатие рабочей смеси вело к повышению КПД и, кроме того (взрыв доказал это), оказалось, что топливо действительно можно воспламенять путем сжатия, не прибегая к дорогостоящей системе зажигания. Поэтому фирмы, финансировавшие проект, остались в целом удовлетворены достигнутым успехом, и Дизель получил возможность продолжать свои эксперименты.

В июне 1894 году был построен второй двигатель, для которого Дизель придумал форсунку, управлявшую впрыском керосина. В этой модели давление в цилиндре доводилось до 35‑40 атм, а температура в конце сжатия — до 500‑600 градусов. Мотор не только удалось запустить, но и заставить работать на холостом ходу с частотой до 80 оборотов в минуту. Это был большой успех — идея Дизеля оказалась жизнеспособной. В 1895 году был построен третий двигатель, который мог уже работать с небольшой нагрузкой. Для впрыскивания керосина здесь впервые был предусмотрен компрессор. Кроме того, пришлось разработать систему интенсивного охлаждения, чтобы предотвратить заклинивание цилиндра. Только после этого в 1896 году запуск нового опытного образца принес успех. При испытании с нагрузкой КПД мотора оказался 36%, а расход керосина составил около 200 г на лошадиную силу в час. Хотя эти показатели и были очень далеки от параметров «идеального мотора», они все же впечатляли: КПД нового двигателя оказался на 10‑12% выше, чем у бензиновых двигателей того времени, а по своей экономичности он превосходил их почти в два раза. Пусть Дизелю не удалось исполнить свою мечту, все же сделанное им имело огромное значение — благодаря его настойчивости была разработана принципиально новая конструкция двигателя внутреннего сгорания, которая была и остается лучшей на протяжении ста последних лет.

Работал новый мотор следующим образом. При первом ходе поршня за счет живой силы маховика, запасенного за предыдущую работу машины, воздух всасывался внутрь цилиндра. Во время второго хода, совершаемого также за счет живой силы маховика, запертый в цилиндре воздух сжимался до 35 атм. При этом теплота, выделявшаяся при сжатии, доводила его до температуры воспламенения горючего. В начале третьего хода при помощи насоса вводился керосин. Это впрыскивание продолжалось лишь незначительную часть хода. В течение остальной части хода газовая масса расширялась, и поршню сообщалась рабочая сила, которая и передавалась через шатун коленчатому валу двигателя. При четвертом ходе продукты сгорания извергались через выхлопную трубу в атмосферу.

Двигатель был снабжен компрессором, который в особом резервуаре сгущал воздух при давлении, несколько превышавшем самое высокое давление в цилиндре. Из этого резервуара воздух через трубку очень незначительного диаметра направлялся в маленькую камеру форсунки, то есть аппарата для распыления подаваемого горючего, куда одновременно подавался керосин. Эта камера сообщалась с внутренностью цилиндра при помощи маленького отверстия, запираемого иглой: когда эта игла приподнималась, керосин вгонялся в цилиндр благодаря избытку давления в камере. Горение в цилиндре регулировалось, смотря по силе, которую должен был развить двигатель, либо изменением продолжительности впуска горючего, либо изменением давления в компрессоре. Этот же сжатый воздух употреблялся и для начального пуска двигателя из холодного состояния. Наверху двигателя помещался распределительный вал с пятью кулачками один управлял клапаном, впускавшим воздух, другой — клапаном, впускавшим керосин, третий — клапаном, выпускавшим продукты сгорания. Два последних кулачка управляли клапанами, при помощи которых впускался сжатый воздух в цилиндр при первоначальном пуске двигателя.

Первые же официальные испытания нового двигателя произвели настоящую сенсацию среди инженеров. С этого времени началось победное шествие «дизелей» по всему миру. Многие фирмы, которые прежде не откликнулись на предложение Дизеля, спешили купить у него право строить изобретенные им моторы, и это право обходилось им теперь недешево (например, Эммануил Нобель, желая наладить производство дизелей в России, заплатил Дизелю около 500 тысяч долларов). Уже в 1898 году Дизель, совершенно неожиданно для себя, сделался миллионером. Впрочем, первые двигатели, пущенные в серийное производство, оказались неудовлетворительными, капризными и часто выходили из строя. Выпуск такой сложной и высокотехнологичной машины оказался не под силу многим заводам с устаревшим оборудованием. Как в свое время Уатту, Дизелю пришлось потратить много сил на то, чтобы довести до совершенства производственный процесс изготовления дизелей — разработать новые станки, найти подходящие сплавы, подготовить специалистов. В течение нескольких лет он кочевал по Европе и Америке, посещая заводы, на которых шло производство его моторов. К началу XX века основные трудности были преодолены, и дизели стали постепенно завоевывать все новые и новые сферы применения в промышленности и транспорте. В 1900 году на Всемирной выставке в Париже двигатели Дизеля получили гран при. Особенно подняло престиж новых моторов известие о том, что завод Нобеля в России наладил выпуск очень неплохих двигателей, работавших на сырой нефти.

67. АВТОМОБИЛЬ

Автомобиль принадлежит к числу тех величайших изобретений, которые, подобно колесу, пороху или электрическому току, имели колоссальное влияние не только на породившую их эпоху, но и на все последующие времена. Его многогранное воздействие далеко не ограничивается сферой транспорта. Автомобиль сформировал современную индустрию, породил новые отрасли промышленности, деспотически перестроил само производство, впервые придав ему массовый, серийный и поточный характер. Он преобразил внешний облик планеты, которая опоясалась миллионами километров шоссейных дорог, оказал давление на экологию и поменял даже психологию человека. Влияние автомобиля сейчас настолько многопланово, что ощущается во всех сферах человеческой жизни. Он сделался как бы зримым и наглядным воплощением технического прогресса вообще, со всеми его достоинствами и недостатками.

В истории автомобиля было много удивительных страниц, но, возможно, самая яркая из них относится к первым годам его существования. Не может не поражать стремительность, с которой это изобретение прошло путь от появления до зрелости. Понадобилась всего четверть века на то, чтобы автомобиль из капризной и еще ненадежной игрушки превратился в самое популярное и широко распространенное транспортное средство. Уже в начале XX века он был в главных чертах идентичен современному автомобилю.

Опишем в нескольких словах принцип действия и назначение основных узлов автомашины в том виде, в каком они сложились к 1901‑1902 годах. Источником движения служил бензиновый мотор. Бензин поступал из бака 3 в карбюратор, где он распылялся и смешивался с воздухом, так что образовывалась горючая газовая смесь. Водитель, управляя особым клапаном в карбюраторе, мог увеличить или уменьшить количество этой смеси в цилиндрах двигателя. С увеличением притока газа мотор начинал работать быстрее, так как сила взрыва возрастала, а с уменьшением ее подачи сила ослабевала, и скорость вращения мотора уменьшалась. Этим приемом водители пользуются по сей день, нажимая или отпуская педаль газа.

Газовая смесь, подготовленная в карбюраторе, поступала в двигатель 1, где при помощи запального или зажигательного приспособления 4 она взрывалась. Последовательные взрывы сильно нагревали цилиндры, так что двигатель нуждался в постоянном охлаждении. Обыкновенно охлаждение стенок рабочих цилиндров совершалось путем циркуляции воды. Циркуляция производилась за счет помпы (водяного насоса) 7, приводимого во вращение двигателем. Чтобы иметь возможность пользоваться для охлаждения одной и той же водой, последняя пропускалась через радиатор (холодильник) 8, в котором вода охлаждалась током воздуха. Отработанные газы выпускались в атмосферу через глушитель 5, ослаблявший шум выхлопа.

Поршни мотора вращали коленчатый вал. Далее работа двигателя передавалась задним ведущим колесам при посредстве механизма сцепления 9, через коробку передач 13 и 10 и кардан 11. Сцепление позволяло разобщать или передавать работу двигателя на механизм перемены скоростей. Коробка скоростей (передач) давала возможность изменять скорость автомобиля, не изменяя хода двигателя. Кардан представлял собой вал, выходящий из коробки скоростей и снабженный одним или двумя карданными соединениями. Он приводил в движение дифференциал, расположенный на задней оси.

Остановимся коротко на устройстве каждого из этих приспособлений. О работе бензинового двигателя и запального зажигания рассказывалось в одной из предыдущих глав. Электрическое зажигание, постепенно вытеснившее запальное, применялось уже на многих ранних моделях автомобилей. Источником тока здесь служили батарея или аккумулятор. Иногда искра получалась с помощью магнитоэлектрической машины (магнето). Цель системы зажигания состояла в том, чтобы в каждом цилиндре двигателя в момент наибольшего сжатия поршнем взрывчатой смеси проскакивала электрическая искра, воспламеняющая газ. Для того чтобы воспламенение сильно сжатой смеси происходило бесперебойно, ток для получения искры должен был составлять порядка 15 тысяч вольт. Поначалу прибор для зажигания состоял из двух частей источника тока и катушки Румкорфа. Особую роль в системе автомобильного зажигания играет прерыватель тока. Так как искра должна проскакивать в цилиндре в точно установленный момент, прерыватель помещается на распределительном валу двигателя таким образом, что сам двигатель управляет своим зажиганием. Известно, что первые автомобилисты имели много причин жаловаться на электрическое зажигание: оно долго оставалось капризным и ненадежным. Огромный шаг вперед был сделан с изобретением магнето, которое стало устанавливаться на автомобилях с 1902 года. В этой конструкции нашли исключительно надежный источник тока. В основе действия магнето лежал уже описанный принцип электромагнитной индукции. На валу, вращаемом двигателем, устанавливалась индукционная катушка, которая крутилась между полюсами постоянного магнита. На якоре катушки помещалась обмотка из толстой проволоки, а поверх нее — обмотка из тонкой проволоки. В силу электромагнитной индукции в этой вторичной обмотке индуцировался ток высокого напряжения. Концы катушки проводились в цилиндр и замыкались на электрическую свечу. Дважды за один оборот, проходя через максимумы тока, магнето давало разряд искры.

Так в общих чертах осуществлялась работа двигателя. Теперь о том, как происходила передача движения. При запуске двигателя рабочее усилие возникало в нем не мгновенно. Поэтому в момент запуска двигатель должен был отсоединяться от коробки передач, то есть работать вхолостую (в первых автомобилях это было особенно важно, так как запуск производился вручную, при помощи вращения специальной пусковой рукоятки; понятно, что человеку было не под силу это сделать, если бы двигатель находился под нагрузкой). Кроме того, отсоединять двигатель от нагрузки совершенно необходимо при переключении скоростей. Это разъединение происходило (и происходит) посредством механизма сцепления. В первые годы существования автомобиля сцепление и расцепление двигателя производили путем перемещения приводного ремня с рабочего шкива на шкив холостого хода (подробнее об устройстве такого сцепления будет сказано немного ниже). Но уже в последние годы XIX века ему на смену пришло более совершенное сцепление с помощью усеченного конуса. Для этого рабочий вал двигателя и приемный вал снабжались конусами, так что один конус входил в другой, причем меньший конус заклинивался в большем, соединяясь с ним в одно целое. Специальная пружина постоянно толкала внутренний конус в маховик, образующий наружный конус, чем и достигалось прочное сцепление. Чтобы прервать это сцепление, достаточно было нажать на специальную педаль. Приложенное при этом усилие приводило к рассоединению.

За сцеплением находилась коробка передач (или скоростей). Для чего она нужна? Бывают случаи, когда простого увеличения подачи газа недостаточно для того, чтобы автомобиль преодолел какое‑либо препятствие (например, подъем или просто плохую дорогу). Коробка передач (скоростей) как раз и служила для более кардинальной регулировки усилий двигателя. Назначение ее состоит в том, чтобы, не изменяя скорости вращения вала двигателя, менять скорость вращения передаточного вала (и, следовательно, ведущих колес). Первые автомобили имели только две передачи и осуществляли их при помощи ремней. Однако ременная передача недолго удержалась на практике. Понемногу пришли к выводу, что удовлетворительно разрешить проблему перемены скоростей можно лишь с помощью совокупности шестерней, которые могут дать три или четыре скорости для переднего хода и одну для заднего. Впервые такие коробки передач стали устанавливать на автомобилях фирмы «Панар и Левассор» в начале 90‑х годов XIX века. Рассмотрим действие этой еще очень простой по своему устройству коробки передач. Если бы не было коробки передач, то с рабочего вала мотора M усилие передавалось бы на вал P, а с него, при помощи конической зубчатой передачи, на зубчатку Q дифференциала, вращающую колесо R. В этом случае зубчатка Q совершала бы в минуту столько же оборотов, сколько совершает их рабочий вал мотора. Но тогда, когда между мотором и колесом помещается коробка передач, рабочий вал как бы разрезается на две части. При этом первичный вал P принимает движение с мотора, а вторичный вал S передает его на заднюю ось. Оба вала связываются между собой системой зубчатых колес (шестерен). Шестерни a и b на валу S закреплены неподвижно, а шестерни A и B на валу P надеты на подвижную каретку, которая может перемещаться с помощью рычага переключения передач. Допустим, водитель перемещает каретку AB так, чтобы шестерня A произвела зацепление с зубцами шестерни a. Что мы получим? Если мотор делает 1200 оборотов в минуту и если диаметр A равен 10 см, а диаметр a равен 20 см, то вал P будет делать 1200 об/мин, а вал S — вдвое меньше, то есть всего лишь 600. В этом случае, если окружность конической шестерни вчетверо меньше зубчатки Q, рабочие колеса будут делать всего 150 об/мин. Допустим, каретку передвигают так, что B зацепляется за b. Если диаметр B равен 8 см, а диаметр b — 12 см, то скорость вала S будет составлять 800 об/мин, а колеса будут делать 200 об/мин. Подобные же рассуждения приложимы еще к двум сочетаниям шестерен A‑b и B‑a, и таким образом мы получим весьма простое объяснение действия четырехскоростной коробки передач.

Далее следует кардан. Уже перед первыми изобретателями встала проблема передачи движения от мотора к колесам. Дело в том, что эта передача не может быть жесткой. В самом деле, двигатель прочно соединен с рамой, но рама соединена с колесами не жестко, а с помощью системы рессор. Так как автомобиль подскакивает на неровностях, то рабочий вал двигателя и задняя ось непрерывно поднимаются и опускаются друг относительно друга, и эти смещения тем больше, чем хуже дорога. Если бы рабочий вал был жестко соединен с задней осью, малейшее сотрясение привело бы к его поломке. Итак, передача должна быть гибкой, то есть такой, при которой задняя ось могла бы свободно перемещаться вверх и вниз, не теряя связи с двигателем. В первых автомобилях привод от двигателя к ведущим колесам осуществлялся при помощи цепной передачи, которая получила широкое распространение в велосипедах. Цепь давала необходимую гибкость и обладала многими достоинствами, но она очень быстро загрязнялась и требовала почти ежедневного ухода. Поэтому очень скоро ей на смену пришел карданный вал. (Эта передача между двумя валами была изобретена итальянцем Кардано еще в XVI веке).

Соединение задних колес с осью тоже представляет определенную трудность. В главе, посвященной колесу, уже говорилось, что при движении экипажа по неровной дороге или на поворотах его колеса проходят разные пути, то есть вращаются с разной частотой. Для ведомых колес, не связанных жестко с осью, это требование выполняется автоматически. Но ведущие колеса нельзя свободно посадить на ось, поскольку через ось к ним передается вращение мотора. Однако и жестко их соединить нельзя, так как в процессе движения будет происходить проскальзывание одного колеса или пробуксовка другого, что резко ухудшает управляемость машиной — она не слушается руля и на большой скорости может не вписаться в поворот. Для соединения задних колес с осью служит дифференциал, который и дает возможность ведущим колесам вращаться независимо, не теряя связи с мотором. Чтобы понять принцип действия дифференциала, мысленно разрежем заднюю ось на две полуоси. На внешние концы этих полуосей будут насажены колеса, а на внутренние — две конических шестерни, расположенные параллельно одна против другой. Эти шестерни соединены между собой двумя коническими шестернями‑сателлитами и заключены внутри прочного кольца, которое служит оболочкой всему прибору.

Движение от мотора M через сцепление V, передаточный вал A и коническую передачу P‑Q передается на коробку дифференциала K, которая прикручена болтами к шестерне Q и вращается вместе с ней. С внутренней стороны коробки насажены два конических зубчатых колеса‑сателлита EE, от которых приводятся в движение конические зубчатые колеса FF, наглухо насаженные на концы полуосей S и T, связанных с задними колесами G и D.

Когда автомобиль едет прямо, задние колеса вращаются с одной и той же скоростью, следовательно, сателлиты EE испытывают одинаковое давление и потому остаются неподвижными. При этом вся коробка дифференциала может рассматриваться как монолитная система, действующая так, как будто полуоси S и T жестко связаны между собой. Но если автомобиль делает поворот, то колесо, обращенное внутрь, оказывает большее сопротивление движущей силе. В этом случае одна шестерня F начинает вращаться медленнее, чем другая шестерня F, связанная с внешним колесом. Вследствие этого сателлиты начинают вращаться вокруг своей оси и передают усилие с внутреннего колеса на внешнее. К примеру, если шестерня Q (и связанная с ней коробка дифференциала) делает 100 об/мин, то колесо D начинает делать 80 об/мин, а колесо G 120 об/мин.

Все описанные устройства имели уже первые автомобили (точно так же, как и многие другие атрибуты современных автомашин: систему подвески, рулевые тяги, тормоза, шарикоподшипники и т.д.), из чего можно заключить, что бензиновый автомобиль, как транспортное средство, с самого начала обладал значительным совершенством. Это стало возможным благодаря тому, что в автомобилестроение был перенесен многолетний опыт использования других сухопутных транспортных средств: конного экипажа, паромобиля и велосипеда. Автомобиль очень многим обязан своим предшественникам, и наш дальнейший рассказ послужит тому подтверждением.

Так, например, подвески, рессоры, рулевое приспособление и тормоза достались автомобилю от карет и конных экипажей. Еще в 1640 году англичанин Блаунт построил первый экипаж со стальными С‑образными рессорами, а в 1804 году английский мастер Эллот изобрел так называемые эллиптические или «лежачие» рессоры. В 1818 году Акерман придумал устройство для управления экипажем. В конструкции Акермана передняя ось состояла из трех частей — средней, неподвижной, закрепленной с помощью рессор на раме или на корпусе экипажа, и двух крайних частей (цапф), связанных со средней частью шарнирами. При повороте колеса вместе с цапфами, на которых они вращались, поворачивались вокруг вертикальной оси шарниров. Точно так же устроена передняя ось автомобиля.

Монолитные резиновые шины также впервые были установлены на каретах их в 1847 году изобрел англичанин Хэнком.

Непосредственным предшественником бензинового автомобиля стал паромобиль. Первым практически действовавшим паровым автомобилем считается паровая телега, построенная французом Кюньо в 1769 году. Перевозя до 3 тонн груза, она передвигалась со скоростью всего 2‑4 км/ч. Были у нее и другие недостатки. Тяжелая машина очень плохо слушалась руля, постоянно наезжала на стены домов и заборы, производя разрушения и терпя немалый урон. Две лошадиные силы, которые развивал ее двигатель, давались с трудом. Несмотря на большой объем котла, давление быстро падало. Через каждые четверть часа для поддержания давления приходилось останавливаться и разжигать топку. Одна из поездок закончилась взрывом котла. К счастью, сам Кюньо остался жив.

Последователи Кюньо оказались удачливее. В 1803 году уже известный нам Тривайтик построил первый в Великобритании паровой автомобиль. Машина имела огромные задние колеса около 2, 5 м в диаметре. Между колесами и задней частью рамы крепился котел, который обслуживал стоявший на запятках кочегар. Паромобиль был снабжен единственным горизонтальным цилиндром. От штока поршня через шатунно‑кривошипный механизм вращалось ведущее зубчатое колесо, которое находилось в зацеплении с другим зубчатым колесом, укрепленным на оси задних колес. Ось этих колес шарнирно соединялась с рамой и поворачивалась при помощи длинного рычага водителем, сидящим на высоком облучке. Кузов подвешивался на высоких С‑образных рессорах. С 8‑10 пассажирами автомобиль развивал скорость до 15 км/ч, что, несомненно, являлось очень неплохим для того времени достижением. Появление этой удивительной машины на улицах Лондона привлекало массу зевак, не скрывавших своего восторга.

В дальнейшем паромобили совершенствовались. «Золотой век» паромобилей относится к 20‑30‑м годам XIX столетия. Несколько десятков паровых омнибусов сконструировали и построили в это время англичане Герни и Уолтер Хэнкок. Паровые омнибусы Хэнкок использовались на пригородных маршрутах вблизи Лондона. На хороших дорогах они развивали до 30 км/ч. Это было намного больше, чем скорость почтовых дилижансов. С развитием железных дорог паровые омнибусы постепенно исчезли, однако строительство паровых автомобилей продолжалось и позже. Усилиями многих изобретателей удалось в конце концов создать мощный и компактный паровой двигатель, позволявший развивать хорошую скорость. В 1888 году замечательный французский инженер Серполле придумал генератор с мгновенным парообразованием. Этот генератор представлял собой спираль стальной трубы, сплющенной настолько, что внутренний канал принимал форму узкой капиллярной щели. Спираль была окружена чугунным кожухом. Такая конструкция котла обеспечивала чрезвычайно быстрое парообразование. Причем спираль предварительно нагревалась, и вода, поступавшая в последнюю, испарялась почти моментально. С этим котлом паромобиль легко развивал скорость до 140 км/ч и мог долгое время успешно конкурировать с бензиновыми автомобилями. Однако слабым местом паромобилей был котел, делавший их очень неэкономичными. КПД даже очень хороших автомобильных паровых двигателей составлял всего 5‑7%. Это в конце концов и предопределило судьбу паромобилей — они уступили место автомобилям с двигателем внутреннего сгорания. Однако эра паровых автомашин не прошла бесследно. Некоторые важные элементы современных автомобилей возникли в эту эпоху. Самыми замечательными можно считать два изобретения: в 1834 году американский инженер Робертс изобрел дифференциал, а в 1843 году Хилль придумал коробку передач.

Колеса со спицами, легкие трубчатые рамы, шарикоподшипники и пневматические шины автомобиль получил от велосипеда.

Автомобиль в современном смысле этого слова появился только после создания компактного и экономичного двигателя внутреннего сгорания, который произвел подлинный переворот в транспортной технике.

Первый автомобиль с бензиновым двигателем построил в 1864 году австрийский изобретатель Зигфрид Маркус. Увлекаясь пиротехникой, Маркус однажды поджег электрической искрой смесь паров бензина и воздуха. Пораженный силой последовавшего взрыва, он решил создать двигатель, в котором бы этот эффект нашел применение. В конце концов ему удалось построить двухтактный бензиновый двигатель с электрическим зажиганием, который он и установил на обыкновенную повозку. В 1875 году Маркус создал более совершенный автомобиль.

Официальная слава изобретателей автомобиля принадлежит двум немецким инженерам — Бенцу и Даймлеру. Бенц конструировал двухтактные газовые двигатели и являлся хозяином небольшого завода по их производству. Двигатели имели хороший спрос, и предприятие Бенца процветало. Он имел достаточно средств и досуга для других разработок. Мечтой Бенца было создание самодвижущегося экипажа с двигателем внутреннего сгорания. Собственный двигатель Бенца, как и четырехтактный двигатель Отто, для этого не годился, поскольку они имели малую скорость хода (около 120 оборотов в минуту). При некотором понижении числа оборотов они глохли. Бенц понимал, что машина, снабженная таким мотором, будет останавливаться перед каждым бугорком. Нужен был быстроходный двигатель с хорошей системой зажигания и аппаратом для образования горючей смеси.

Конструкцию машины и двигателя к ней Бенц создавал и продумывал в течение 20 лет. Наконец ему удалось собрать подходящий четырехтактный одноцилиндровый двигатель мощностью 0, 75 л.с., снабженный тяжелым горизонтальным маховиком, со скоростью вращения вала порядка 300 об/мин. В качестве горючего Бенц использовал бензин, зажигание горючей смеси осуществлялось при помощи электрической искры, а источником питания служила батарея, с которой ток подавался на индукционную катушку Румкорфа. Впрочем, все это действовало очень плохо: из‑за неполадок в системе зажигания первые поездки Бенца оказались сплошным мучением и часто заканчивались тем, что заглохший автомобиль доставляла домой запряженная в него лошадь. Для получения горючей смеси Бенц создал один из первых в истории карбюраторов. Мотор был окружен металлическим кожухом со свободным пространством между ним и поверхностью цилиндра. Это пространство было заполнено для охлаждения водой. Полость под кожухом соединялась двумя трубками с особым баком для воды. По одной трубке нагретая вода стекала в бак, по другой более холодная поступала к цилиндру. Течение воды устанавливалось самотеком. Сделанный в «велосипедную эпоху», этот первый автомобиль очень напоминал трехколесный велосипед. Он имел трубчатую раму, тангентные колеса со спицами и цепную передачу. Скорость его достигала 13 км/ч.

Непосредственно соединить мотор с задней осью было нельзя из‑за очень большой скорости вращения моторного вала. Для того чтобы от большой скорости вращения перейти к умеренной, Бенц ввел на своем автомобиле простой механизм, позже известный под названием сцепления. Образцом для этого ему послужила широко распространенная в то время в производстве ременная передача. (Она была незаменима, когда требовалось передать усилие от общего источника движения к индивидуальному.) Эта передача состояла из двух колес с гладкими ободьями (их называют шкивами) и ремня, перекинутого между ними. Из этих двух колес одно является ведущим, а второе ведомым, ремень же служит для передачи движения. Точно такая же передача имелась на всех первых автомобилях. На валу мотора в автомобиле Бенца помещался шкив, ширина которого была вдвое больше ширины ремня. Поблизости находился промежуточный вал, на котором находилось два шкива одинакового диаметра, причем ширина каждого из них равнялась ширине ремня. С помощью вилки, охватывающей ремень сверху, можно было легко передвигать его с одного шкива на другой, вызывая этим сцепление и расцепление. Один из этих шкивов — рабочий — был накрепко скреплен с валом, другой — холостой — сидел свободно. С помощью бесконечного ремня вращение от этого вала передавалось второму дополнительному валу, на котором по концам были наглухо насажены два небольших зубчатых колеса (шестерни). Через эти шестерни перекидывались бесконечные цепи, соединенные с большими шестернями на задней оси. Эти последние шестерни были жестко связаны с задними колесами, свободно сидевшими на оси. Если во время работы мотора ремень находился на рабочем шкиве, то колеса автомобиля начинали вращаться. Чтобы остановить его, достаточно было при помощи вилки и свободного рычага перевести ремень на холостой шкив.

С 1885 по 1893 год Бенц реализовал 69 автомобилей этой модели, выпуск которых наладил на своем заводе. С 1894 года он начал производить четырехколесные автомобили «Вело», с двухцилиндровым двигателем и пневматическими шинами. После этого торговля пошла бойко. За один 1894 год было продано 67 машин. Дальше объемы производства нарастали: в 1896 году у Бенца купили 181 машину, а в 1900 году — уже 603.

Одновременно с Бенцем приступил к выпуску автомобилей Даймлер. В 1883 году он изготовил свой первый бензиновый двигатель, который предполагал использовать для транспорта. Так же как и Бенц, Даймлер считал показательной чертой «транспортного» двигателя значительную частоту вращения его вала, обеспечиваемую интенсивным воспламенением горючей смеси. Уже первые двигатели Даймлера имели частоту вращения до 900 оборотов в минуту, то есть в 4‑5 раз больше, чем у стационарных газовых двигателей Отто. Рассчитаны они были исключительно на жидкое топливо — бензин или керосин. Зажигание, как и в стационарных двигателях, происходило запальной трубкой. Благодаря большой частоте вращения «транспортные» двигатели оказались гораздо меньше и легче стационарных. Чтобы защитить двигатели от пыли и грязи их окружали специальными кожухами. Предусматривались водяная рубашка охлаждения и пластинчатый радиатор. Для пуска двигателя служила рукоятка.

В 1885 году Даймлер поставил свой бензиновый двигатель на велосипед, а в 1886 году — на четырехколесный экипаж. В 1889 году эта машина экспонировалась на выставке в Париже, где французские фабриканты Панар, Левассор и Пежо купили лицензии на двигатель Даймлера. Эта сделка оказалась очень важной для истории автомобилестроения.

Рене Панар и Этьен Левассор с 1886 года были совладельцами фирмы, изготовлявшей деревообрабатывающие станки. В 1891 году фирма выпустила свой первый автомобиль с V‑образным двигателем Даймлера (даймлеровским здесь был только мотор, вся остальная конструкция автомобиля — совершенно оригинальная). В том же году был изготовлен более совершенный автомобиль, который произвел настоящую сенсацию. В истории за ним закрепилось название первого «настоящего» автомобиля. Машина имела расположенный в передней части рамы под капотом двигатель и настоящую зубчатую коробку передач с задней и четырьмя передними скоростями. Успех, выпавший на долю первого «Панара», оказался не случайным. На протяжении десяти лет машины этой фирмы оставались наиболее совершенными автомобилями. Именно на них впервые были поставлены монолитные резиновые шины и самые совершенные двигатели Даймлера с карбюраторами. В 1896 году Левассор и Панар разработали систему сцепления усеченным конусом, которая пришла на смену старой ременной передаче.

В 1894 году состоялись первые в истории автомобильные гонки по трассе Париж — Руан (127 км). К участию в них допускались автомобили с любыми двигателями. Заявки подали 102 гонщика. Однако только 21 автомобиль сумел взять старт (14 из них имели двигатели внутреннего сгорания, 7 — паровые двигатели), а закончили гонку только 13 бензиновых и 2 паровых автомобиля. Первый приз поделили «Панар» Левассора (который сам вел машину) и «Пежо» с двигателями Даймлера. Они показали среднюю скорость 20, 5 км/ч. Эти две машины были признаны также наиболее экономичными, безопасными и удобными в обращении.

Автомобили быстро совершенствовались Еще в 1891 году Эдуард Мишлен, владелец завода резиновых изделий в Клермон‑Ферране, изобрел съемную пневматическую шину для велосипеда (камера Данлопа заливалась в покрышку и приклеивалась к ободу). В 1895 году начался выпуск съемных пневматических шин для автомашин. Впервые эти шины были опробованы в том же году на гонке Париж — Бордо — Париж. Оснащенный ими «Пежо» с трудом доехал до Руана, а потом был вынужден сойти с дистанции, так как шины беспрерывно прокалывались. Тем не менее специалисты и автолюбители были поражены плавностью хода машины и комфортностью езды на ней. С этого времени пневматические шины постепенно вошли в жизнь, и ими стали оснащаться все автомобили. Победителем же на этих гонках был опять Левассор. Когда он остановил машину на финише и ступил на землю, то сказал: «Это было безумие. Я делал 30 километров в час!» Сейчас на месте финиша стоит памятник в честь этой знаменательной победы. На нем выбиты слова Левассора, вошедшие в историю. К несчастью, этот замечательный конструктор и гонщик во время гонок 1896 года Париж — Марсель — Париж потерпел тяжелую аварию и вскоре скончался. После его смерти фирма «Панар» не смогла удержать первенствующего положения на рынке. Оно перешло к фирме Даймлера.

В 1890 году Даймлер, объединившись с богатым предпринимателем Дуттенхофнером, создал акционерную компанию «Даймлер Моторен». В 1891 году он выпустил первый четырехцилиндровый автомобильный двигатель. Дела фирмы сначала не ладились, но потом быстро пошли в гору. Новая эра в истории автомобиля началась в 1901 году, когда фирмой «Даймлер Моторен» был выпущен первый «Мерседес». (Готлиб Даймлер к этому времени уже умер, но его сын Пауль, замечательный конструктор и умный предприниматель, достойно продолжил его дело.)

Первый «мерседес» имел уже все черты современного автомобиля: раму из прессованных стальных профилей, сотовый бронзовый радиатор, настоящую коробку передач и четырехцилиндровый двигатель мощностью 35 л.с., позволявший развивать скорость в 70 км/ч. Эта красивая, элегантная и надежная машина имела невероятный успех. Она выиграла множество гонок и породила массу подражаний. Можно сказать, что с появлением первого «мерседеса» закончилось детство автомобиля и началось стремительное развитие автомобильной промышленности.

68. ТЕПЛОХОД

В начале XX века произошли значительные перемены в кораблестроении — на смену пароходам, широко использовавшимся в течение ста лет на всех водных транспортных путях, приходят более совершенные суда с дизельным приводом.

Начало этому важному перевороту было положено в России — именно здесь был создан первый реверсный судовой дизель и были построены первые в мире теплоходы и подводные лодки. Инициатором всех этих разработок выступила одна из крупнейших российских фирм «Товарищество братьев Нобель». Нобели одними из первых оценили важное значение изобретения Рудольфа Дизеля. Едва появились сообщения о его двигателе, Эммануил Нобель завязал переговоры о покупке лицензии. Главное, что подкупало Нобеля в новом двигателе, — это то, что он мог работать на тяжелом топливе. В 1898 году, заплатив огромные по тем временам деньги (около 500 тысяч рублей), Нобель получил чертежи 20‑сильного дизеля. После их тщательного изучения на Петербургском заводе фирмы многие детали двигателя были изменены как по конструктивным соображениям, так и, главным образом, потому, что первый двигатель решено было заставить работать на нефти, а не на керосине. Трудности использования нефтяного топлива тогда еще нигде в мире не были преодолены.

Первый в мире работающий на нефти двигатель Дизеля был пущен в ход в 1899 году. Он развивал 25 л.с. и затрачивал в час около четверти килограмма нефти на 1 л.с. Это был важный успех, но заветной мечтой Нобеля было применение дизеля в качестве судовой машины. В то время среди многих инженеров еще было распространено скептическое отношение к дизелям. Большинство считало, что эти двигатели не годятся в качестве привода для движения судов. Причины для этого были достаточно вескими. Во‑первых, дизели не имели заднего хода (реверса) и, установленные на корабле, могли вращать винт только в одну сторону. Во‑вторых, первые дизели было невозможно запустить при некоторых крайних положениях поршня. В третьих, работа дизелей с трудом поддавалась регулировке — было трудно поменять режим их работы, например, уменьшить или увеличить частоту вращения вала, увеличивая или уменьшая тем самым скорость движения судна. Эти недостатки, не имевшие большого значения при стационарной установке и небольших размерах дизеля, работавшего под постоянной нагрузкой, были весьма существенным изъяном для транспортного двигателя. Широко применявшаяся тогда паровая машина имела в этом смысле перед дизелем преимущество — реверс, изменение частоты вращения вала и пуск из любого положения достигались на ней без всякого труда. В таком случае, казалось бы, стоило ли вообще связываться с дизелем? Оказывается, стоило — в этом убеждали Нобеля элементарные расчеты.

Огромное достоинство дизеля заключается в его высоком КПД и, следовательно, в его экономичности. Поскольку дизели требовали в четыре раза меньше топлива по сравнению с паровыми машинами той же мощности, легко было представить себе, какие огромные перспективы открывало перед судоходством такое сокращение в весовом отношении расходов топлива, как в коммерческом, так и особенно в военном флоте. Сравнивая обычное паровое судно с тепловым, предназначенным для одинакового по дальности плавания, легко было рассчитать, что второе из них, снабженное дизелем, сможет взять вчетверо меньший по весу запас топлива, увеличив за этот счет свою грузоподъемность. Наоборот, если будет взято обоими одинаковое количество топлива, то, очевидно, теплоход сможет пройти в четыре раза большее расстояние, нежели пароход. Конечно, для малой дальности плавания разница между обоими типами судов была не так уж велика, но при повышении дальности плавания разница между теплоходом и пароходом увеличивалась исключительно. При рейсе в 10 тысяч миль с грузоподъемностью в 1000 т пароход фактически мог перевести в два раза больше груза, чем такой же пароход. Для условий русского судоходства это имело колоссальное значение, так как возникала возможность, не прибегая к погрузкам дополнительного топлива в пути, пройти с собственным запасом большее расстояние. Были и другие немаловажные преимущества. Например, загрузка теплохода нефтью осуществлялась наливом, в то время как уголь приходилось грузить вручную. Правда, невыгодность парохода компенсировалась дешевизной угольного топлива, но для Нобеля, одного из крупнейших нефтяных магнатов того времени, эта сторона не имела существенного значения.

Невзирая на все сложности, Нобель велел своим инженерам приступить к проектированию первого теплохода. Для того чтобы новое судно могло маневрировать, он распорядился связать дизель с гребным валом не непосредственно, а через передачу, позволявшую изменять как направление вращения винта, так и число его оборотов. В 1903 году на наливной барже «Вандал», изготовленной на Сормовском заводе и привезенной в Петербург, были установлены три дизеля по 120 л.с. В паре с этими дизелями работали три электрогенератора, вырабатывавшие ток для трех электродвигателей, вращавших гребные винты. За счет переключения обмоток на «Вандале» можно было менять режим и направление вращения. Испытания нового судна дали обнадеживающие результаты, но в целом такая система привода едва ли могла считаться удачной и таила в себе много неудобств — прежде всего она была дорогой и неэкономичной в смысле затрат энергии.

В том же году Нобель купил лицензию на двигательную установку Дель‑Пропосто, позволявшую более экономично использовать дизель в качестве судовой машины. Принцип ее действия заключался в том, что на переднем ходу дизель непосредственно связывался с гребным винтом, а электрическая передача применялась лишь для заднего хода и маневрирования. Это значительно снижало потери энергии, ведь большую часть времени винты получали вращение непосредственно от дизеля, а для маневрирования и заднего хода не требовалось полной мощности. В 1904 году по этой системе было оборудовано нефтеналивное судно «Сармат». Оно было снабжено двумя дизелями по 180 л.с. и двумя электрогенераторами. Каждый дизель соединялся с электрогенератором, а потом через муфту с гребным винтом, на котором располагался электромотор. При переднем ходе дизель работал прямо на винт, а генератор и электродвигатель вращались, не давая и не получая тока, как маховики. При заднем ходе двигатель начинал работать на электрогенератор, который посылал ток на электромотор и давал гребному винту обратное вращение.

Результаты первых же рейсов «Сармата» показали все преимущества дизельных установок на судах. Расходы нефти против однотипных пароходов (которые работали на нефти, а не на угле) оказались в пять раз меньшими. В то же время маневрирование и управление нисколько не ухудшились. О технических испытаниях теплохода печатались отчеты, и не только в России — «Сармат» сделался знаменитостью. Однако отсутствие реверса все еще мешало широкому распространению теплоходов. Только в 1908 году многолетние поиски увенчались созданием реверсного двигателя. Как уже отмечалось, в реверсном двигателе необходимо было иметь, во‑первых, механизм, переключающий органы распределения переднего и заднего хода, вводящий в действие одни и одновременно выключающий другие, и, во‑вторых, устройство для пуска в ход двигателя при любом положении коленчатого вала. Из этих двух элементов реверса первый, то есть механизм для перестановки распределения, был создан довольно легко: на распределительном валу разместили две системы кулачков (смотри выше описание устройства дизеля) — одну для переднего, а другую для заднего хода. Передвижением всей системы в одну сторону двигатель получал распределение для переднего хода, передвижением в обратную — для заднего. Реверсировка двигателя (переход от «полного вперед» до «полного назад») занимала 10‑12 секунд. Устройство для пуска в ход, наоборот, составляло главную и более трудную задачу, но и она была очень удачно разрешена русскими инженерами на заводе Нобеля. Правда, эти дизельные машины были изготовлены не для теплохода, а для подводной лодки «Минога», спущенной в 1908 году, которая, таким образом, стала первой в мире дизельной подводной лодкой.

Дизели на «Миноге» были трехцилиндровые. Задача выхода из мертвого хода была разрешена следующим образом: переход от работы системы воздухом на работу нефтью происходил не сразу, а постепенно — сначала все цилиндры работали воздухом, затем один переключался на нефть, после того как он давал рабочий ход, на нефть переводился второй цилиндр и так далее. Разновременность и последовательность вспышек в цилиндре выводили коленчатый вал из любого положения. Одновременно путем уменьшения и увеличения подачи нефти было достигнуто регулирование числа оборотов. Таким образом, были разрешены все проблемы по созданию судовой дизельной машины. Второй реверсный двигатель установили на подводной лодке «Акула», а потом Нобель стал оснащать ими свои нефтеналивные суда.

После успешных испытаний в России дизель‑моторы в качестве судовых машин стали внедрятся по всему миру. Сначала дизели ставили только на небольшие суда, но во втором десятилетии XX века наступил перелом и в морском судостроении. В 1911 и 1912 годах на верфях Германии и Англии приступили к постройке нескольких крупных теплоходов. В 1912 году со стапелей в Дании сошел первый товарно‑пассажирский теплоход «Зеландия», водоизмещением 3200 т и грузоподъемностью 7400 т. За его первым плаванием из Копенгагена в Лондон следил весь мир. Вскоре было подсчитано, что эксплуатация «Зеландии» дает 160 тысяч марок экономии в год по сравнению с пароходами того же класса. Это решило судьбу нового вида транспорта.

69. АККУМУЛЯТОР

Открытие аккумулирующего эффекта относится к числу важнейших и значительнейших изобретений в области электротехники. Очень часто возникала и возникает необходимость питать электричеством приборы или механизмы в таком месте, где нет источников энергии. Долгое время для этих целей использовали гальваническую батарею, но она была слабым, дорогим и чрезмерно громоздким источником тока. Создание электрического аккумулятора значительно упростило эту задачу.

Еще в 1802 году Риттер открыл, что две медные пластины, опущенные в кислоту и соединенные с гальванической батареей, заряжаются и их потом можно в течение короткого времени использовать как постоянный источник тока. Это явление позже изучалось многими другими учеными. В 1854 году немецкий военный врач Вильгельм Зинстеден наблюдал следующий эффект: при пропускании тока через свинцовые электроды, погруженные в разведенную серную кислоту, положительный электрод покрывался двуокисью свинца PbO2, в то время как отрицательный электрод не подвергался никаким изменениям. Если такой элемент замыкали потом накоротко, прекратив пропускание через него тока от постоянного источника, то в нем появлялся постоянный ток, который обнаруживался до тех пор, пока вся двуокись свинца не растворялась в кислоте. Таким образом, Зинстеден вплотную приблизился к созданию аккумулятора, однако он не сделал никаких практических выводов из своего наблюдения.

Только пять лет спустя, в 1859 году, французский инженер Гастон Планте случайно сделал то же самое открытие и построил первый в истории свинцовый аккумулятор. Этим было положено начало аккумуляторной техники.

Аккумулятор Планте состоял из двух одинаковых свинцовых пластин, навитых на деревянный цилиндр. Друг от друга они отделялись тканевой прокладкой. Устроенный таким образом прибор помещали в сосуд с подкисленной водой и соединяли с электрической батареей. Спустя несколько часов, отключив батарею, можно было снимать с аккумулятора достаточно сильный ток, который сохранял в течение некоторого времени свое постоянное значение.

Чем объясняются процессы, протекающие в аккумуляторе? Как и в гальваническом элементе, электрический ток здесь — следствие химической реакции, которая может протекать многократно в обе стороны. Представим себе, что мы начинаем зарядку разрядившегося аккумулятора, присоединив его к источнику постоянного тока. Обычно еще не заряженная масса положительной свинцовой пластинки содержит на себе остатки предыдущего цикла — окись свинца PbO и сернокислый свинец PbSO4, а отрицательная — только окись свинца PbO. Под действием электрического тока электролит — подкисленная вода — начинает разлагаться: на положительном электроде выделяется кислород, который тут же окисляет окись свинца и сернокислый свинец до перекиси PbO2 (причем кислотный остаток SO4 уходит в раствор), а на отрицательной пластине выделяется водород. Последний соединяется с кислородом окиси, образуя металлический свинец и воду. Затем газ начинает накапливаться в порах свинцовой пластины.

Если заряженный аккумулятор включить в цепь, то ток, проходивший через аккумулятор во время зарядки, меняет свое направление. Вследствие этого на той пластинке, где раньше выделялся кислород, начинает выделяться водород, который вступает в реакцию с кислородом перекиси свинца. На другой пластинке происходит выделение кислорода. Серная кислота из жидкости переходит на положительный электрод и опять образует сернокислый свинец, тогда как водород и свинец на отрицательной пластине окисляются, первый — в воду, второй — в окись свинца. В несколько упрощенном виде (без учета параллельных процессов) химическая реакция разрядки имеет вид:

PbO2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O.

При зарядке явления идут в противоположную сторону. Эта реакция, сопровождаемая выделением электрического тока, продолжается до тех пор, пока количество окиси свинца на обеих пластинках не уравновешивается. Та же реакция идет в разомкнутом аккумуляторе, но намного медленнее. При заряжении (вследствие выделения кислотного остатка в раствор) удельный вес жидкости в аккумуляторе увеличивается, а при разряжении — уменьшается (поскольку при разряжении серная кислота соединяется с окисью свинца и образует на электродах сернокислый свинец). Во время разрядки энергия химических реакций превращается в электрическую, а во время зарядки — наоборот.

Существенным недостатком аккумулятора Планте была его небольшая емкость — он слишком быстро разряжался. Вскоре Планте заметил, что емкость можно увеличить специальной подготовкой поверхности свинцовых пластин, которые должны быть по возможности более пористыми. Чтобы добиться этого, Планте разряжал заряженный аккумулятор, а затем опять пропускал через него ток, но в противоположном направлении. Этот процесс формовки пластин повторялся многократно в течение приблизительно 500 часов и имел целью увеличить на обеих пластинках слой окиси свинца.

До тех пор, пока не была изобретена динамо‑машина, аккумуляторы представляли для электротехников мало интереса, но когда появилась возможность легко и быстро заряжать их с помощью генератора, аккумуляторы получили широчайшее распространение. В 1882 году Камилл Фор значительно усовершенствовал технику изготовления аккумуляторных пластин. Если аккумулятор Планте начинал хорошо работать лишь после многократной зарядки и разрядки (пока пластины не делались пористыми), в аккумуляторе Фора формирование пластин происходило гораздо быстрее. Суть усовершенствования Фора заключалась в том, что он придумал покрывать каждую пластинку суриком или другим окислом свинца. При заряжении слой этого вещества на одной из пластин превращался в перекись, тогда как на другой пластинке вследствие реакции получалась низкая степень окисла. Во время этих процессов на обеих пластинах образовывался слой окислов с пористым строением, что способствовало скоплению выделяющихся газов на электродах. Чтобы масса окислов, образующаяся на пластинах, не отваливалась, их покрывали тканью. Аккумулятор Фора не только заряжался быстрее аккумулятора Планте, но имел также значительно большую емкость и мог давать очень сильный ток. Он состоял из параллельных свинцовых пластин, помещенных близко одна от другой и соединенных через одну, так что каждый электрод одного знака помещался между двумя электродами противоположного.

Изобретение Фора сразу обратило на себя внимание электротехников. Немецкий банкир Фолькмар, который взялся за производство аккумуляторов Фора, вскоре еще более усовершенствовал их. В прежних аккумуляторах слой окислов, как уже говорилось, плохо держался на решетке и при тряске легко отваливался. Это было серьезным изъяном конструкции, поскольку мешало применять аккумуляторы на транспорте. Чтобы поправить дело, Фолькмар предложил делать свинцовые пластинки не сплошными, а в виде решеток, отверстия которых набивали губчатым свинцом. На таких решетках активная масса уже не просто налипала к свинцу, а прочно держалась в ячейках.

В начале XX века усовершенствованием аккумулятора занялся Эдисон, который хотел сделать его более приспособленным для нужд транспорта. В связи с этой задачей требовалось облегчить вес аккумуляторов, увеличить их емкость, избавиться от ядовитого свинца и едкой серной кислоты, которая быстро разъедала свинцовые пластины, после чего их приходилось заменять.

Как обычно, Эдисон приступил к делу с большим размахом: он создал специальную лабораторию с большим штатом специалистов‑химиков и поручил им исследования по всем перечисленным направлениям. По существу, речь шла о создании совершенно нового типа аккумулятора, в котором электролитом служила щелочь, а отрицательным электродом — измельченное железо с некоторыми примесями. Долгое время не удавалось выбрать материал для положительного электрода. Поскольку химические процессы в щелочном аккумуляторе были очень сложны и не до конца понятны, приходилось идти буквально ощупью. В экспериментальных моделях положительный электрод делали из угля, поры которого заполняли различными веществами: испробовали множество металлов и их соединений, но все они давали недостаточно хороший результат. Наконец, остановились на никеле, который оказался наиболее подходящим. Так Эдисон пришел к железно‑никелевому аккумулятору с электролитом в виде едкого кали. (Химическая реакция, протекающая при разряде в щелочном аккумуляторе, в несколько упрощенном виде описывается уравнением:

2NiOOH + Fe + 2H2O = 2Ni(OH)2 + Fe(OH)2;

при зарядке процесс идет в обратном направлении; электролит KOH, хотя и создает необходимую среду, в реакции участия не принимает.)

Было изготовлено несколько таких аккумуляторов для всесторонних испытаний, и тут исследователей постигло разочарование — емкость аккумуляторов оказалась очень маленькой. Эдисон обратил внимание, что чистота материала имеет большое значение для увеличения емкости. Он заказал для проб высокосортный канадский никель, после чего емкость аккумуляторов сразу возросла в три раза. В Вест‑Орендже была построена небольшая фабрика для рафинирования (очистки) железа и никеля. Емкость нового аккумулятора оказалась в 2, 5 раза больше, чем у старого свинцового. Эдисон утверждал, что это самый большой прогресс в аккумуляторной технике со времен ее зарождения.

Дальнейшие опыты оказались настолько успешными, что в 1903 году Эдисон решил приступить к промышленному производству своих аккумуляторов на специально построенном для этого заводе. Однако первые щелочные аккумуляторы, поступившие в продажу, оказались весьма далеки от совершенства: они плохо держали заданную величину напряжения, часто давали течь и имели много других мелких дефектов. От распространителей стали поступать многочисленные рекламации. Эдисону пришлось остановить завод и вновь заняться усовершенствованием своего изобретения. Несмотря на неудачи, он продолжал твердо верить в успех дела. Доводка была поручена сразу нескольким группам: одна работала над усовершенствованием сварки аккумуляторных сосудов, другая — над рафинированием железа, третья занималась никелем и присадками к нему. К 1905 году было проведено более 10 тысяч дополнительных опытов, а в 1910 году значительно усовершенствованный аккумулятор вновь поступил в производство. В первый же год было выпущено продукции на 1 миллион долларов, и вся она нашла хороший сбыт. Вскоре новый портативный аккумулятор получил широкое распространение в транспорте, на электростанциях, в небольших судах и на подводных лодках.

70. ТРАКТОР

Трактор — это универсальная машина, предназначенная перемещать и приводить в действие прицепляемые к ней разнообразные сельскохозяйственные механизмы. Из этого видно, что функции трактора двоякие: он, во‑первых, работает как тягач, а во‑вторых, как привод, что позволяет использовать его при выполнении самых разнообразных сельскохозяйственных работ. Выгоды трактора очевидны — скорость, экономия времени, производительность. Поэтому появление его составило революцию в сельском хозяйстве, быть может, самую важную со времен появления плуга. С этого времени механическая тяга стала постепенно вытеснять из сельскохозяйственного производства мускульную силу животных.

Первые тракторы были паровыми. Еще в 1850 году английский изобретатель Уильям Говард применял для пахоты паровой автомобиль (локомобиль). Изобретение получило распространение, и паровые плуги широко использовались во второй половине XIX века в некоторых европейских странах (особенно в Англии, где их насчитывалось более 2 тысяч). Первые тракторы с двигателями внутреннего сгорания, сконструированные инженерами Хартом и Парром, были собраны в США в 1901 году. Их появление было встречено с восторгом, и американские фермеры возлагали на них большие надежды. Но быстро наступило разочарование, так как тракторы из‑за своего огромного веса больше разрушали почву, чем помогали обрабатывать ее. К тому же они были чрезмерно велики для средней фермы. В ходе их использования обнаружилось множество конструкционных недостатков. Тракторы часто ломались, ремонт их требовал массу времени и больших затрат.

Однако постепенно эти машины совершенствовались. В 1907 году на рынок поступили уже вполне работоспособные тракторы. Их вес, размеры и мощность уменьшились, зато повысилась надежность, что сделало применение трактора удобным в среднем по величине хозяйстве. Была создана сеть ремонтных мастерских, налажен выпуск запчастей, благодаря чему отрицательное отношение фермеров к этой машине было преодолено за несколько лет, и в Америке начался рост тракторной промышленности. В 1920 году в США было продано уже около 200 тысяч тракторов различных конструкций. В 1912 году фирма «Холт» впервые начала выпуск гусеничных тракторов.

Вскоре трактор взял на себя приблизительно 80‑90% всех пахотных работ на ферме. Помимо этого тракторный двигатель использовался для приведения в действие различных сельскохозяйственных машин (для этого он снабжался специальным шкивом). К нему могли подключаться молотилки, косилки, мельницы, лесопилки, маслобойки, соломорезки и другие вспомогательные механизмы. Трактор также брал на себя около половины работ, связанных с уборкой урожая. В дальнейшем благодаря созданию различных прицепных машин сфера применения трактора расширилась в несколько раз.

71. АЭРОПЛАН

Идея авиации — одна из самых древних в истории человечества. В мифах, преданиях, исторических хрониках можно найти свидетельства о множестве предпринятых в разные века попытках человека осуществить свою давнюю мечту подняться в воздух и лететь подобно птице. Но все это были дилетантские предприятия, в которых видно больше энтузиазма, чем расчета, и потому они неизменно кончались неудачей. Только в последней четверти XIX века появились первые свидетельства того, что полет на аппаратах тяжелее воздуха может когда‑нибудь стать реальностью. Почему же это искусство так долго оставалось для человека недостижимой мечтой? Дело в том, что в отличие от аэростата аэроплан не плывет по воздуху, а опирается на него при полете, подчиняясь сложным аэродинамическим законам.

Правильное объяснение феномена полета было дано уже в XVIII‑XIX веках, но наука об искусстве летать — аэродинамика — возникла только в первые десятилетия XX века. Отчего птицы, хотя они и тяжелее воздуха, не падают на землю? Дело в том, что в воздухе на нижнюю поверхность их крыльев оказывает действие так называемая подъемная сила, которая превосходит силу тяжести, действующую в противоположном направлении. Откуда берется эта сила, объяснил еще в первой половине XVIII века известный математик и физик Бернулли. В 1738 году в своем капитальном труде «Гидродинамика» он вывел закон, носящий теперь его имя. Суть закона Бернулли (сформулированного им для жидкостей, но справедливого также для газов) заключается в том, что с увеличением скорости потока давление его на стенки сосуда уменьшается. Действие закона Бернулли очень легко наблюдать на опыте Возьмем, например, листок бумаги и будем дуть на него — дальний край листка немедленно поднимется вверх, словно что‑то толкает его снизу. Это «что‑то» и есть уже упомянутая подъемная сила. Она возникла вследствие того, что воздух над поверхностью листка движется много быстрее того, что находится под ним. Следовательно, давление на лист сверху оказывается заметно меньше того атмосферного давления, что давит на него снизу. Если подъемная сила больше силы тяжести, листок поднимается.

Однако ситуацию нашего опыта не так легко повторить в реальной обстановке. Чтобы приподнять край листка, мы намеренно обдували его так, как нам это было удобно. А как заставить подняться вверх какой‑нибудь крылатый аппарат, который находится в реальном воздушном потоке? Очевидно, крыло этого аппарата должно быть не плоским, как лист, а иметь такую форму, чтобы скорость обтекания его сверху и снизу была неодинаковой — снизу медленнее, чем сверху. Тогда давление на поверхность крыла сверху будет меньше, чем снизу. Подъемную силу можно регулировать, изменяя угол атаки крыла (так называется угол между плоскостью крыла и потоком воздуха). Чем больше угол атаки — тем больше подъемная сила.

Но взлететь мало — надо уметь удержать аэроплан в воздухе. Ведь подъемная сила сохраняется лишь до тех пор, пока несущая поверхность крыла правильно ориентирована относительно воздушного потока. Нарушится ориентация — пропадет подъемная сила, и аэроплан рухнет на землю, словно провалится в яму. Устойчивость — эта главная проблема для любого летающего аппарата тяжелее воздуха. Если он не имеет механизма, обеспечивающего устойчивость, то превращается в игрушку коварного ветра. Опасности подстерегают такую машину на каждом шагу. Любой порыв ветра или неверный маневр пилота может привести к тому, что аэроплан завалится на бок или нос, перевернется и упадет.

К счастью, первые авиаторы имели хотя и смутное, но верное представление об ожидающих их опасностях и сумели до некоторой степени приготовиться к ним. Первый шаг в небо был сделан с помощью моделей. Прямыми предшественниками всех современных самолетов следует, видимо, считать игрушечные аэропланы Пено, которые он строил с 1871 года и запускал с помощью резиновых моторчиков. При весе в несколько граммов они летали по несколько десятков секунд. Эти модели, можно сказать, были первым зримым доказательством того, что аппараты тяжелее воздуха вообще способны летать. В 1872 году Пено пришел к чрезвычайно важному выводу, что для устойчивого полета аэроплана ему необходимо хвостовое оперение. Вскоре ему удалось придать своим аппаратам хорошую устойчивость относительно всех трех осей.

Впрочем, это было только начало. Прошло тридцать лет, прежде чем удалось создать самолет, способный поднять в небо человека. В конце XIX века в разных странах было сделано несколько попыток сооружения больших аэропланов с мощными двигателями. В 1894 году огромный самолет с размахом крыльев) 31, 5 м и весом около 3, 5 т попытался поднять в воздух известный изобретатель Хайрам Максим. Но при первой же попытке машина разбилась. Максим, потративший на свой опыт 20 тысяч фунтов стерлингов, более не возвращался к сооружению самолетов. Известный американский астроном Самюэль Лэнгли, получив от правительства США 50 тысяч долларов, в начале 1900‑х годов построил несколько больших летательных аппаратов, которые неизменно разбивались при каждой попытке подняться в воздух. Во Франции подобными экспериментами и с тем же успехом занимался в конце 90‑х годов инженер Клеман Адер. Истратив на его аппараты около 500 тысяч франков, французское правительства отказало изобретателю в дальнейших субсидиях.

В целом путь, избранный Максимом, Лэнгли, Адером, а также некоторыми другими изобретателями, оказался тупиковым. Развитие авиации пошло по другой дороге, которую указал немецкий изобретатель Отто Лилиенталь. В то время как другие уделяли все свое внимание «моторному полету», Лилиенталь поставил перед собой другую цель — постигнуть прежде всего секрет безмоторного парящего полета. Вместо дорогостоящих машин он строил легкие планеры и упорно работал над их совершенствованием. Кажется, идея планера это первое, о чем должны были подумать авиаторы, но в действительности все было по‑другому. Вплоть до XIX века изобретатели при своих попытках оторваться от земли подражали гребному полету птицы. Из‑за этого упорного старания следовать природе человек сравнительно поздно освоил планирующий полет. Между тем технические возможности для осуществления такого полета имелись уже в древности. Общее заблуждение состояло в том, что для полета, кроме крыльев, предполагали еще и наличие какой‑то механической силы. Именно на этом пункте и сосредоточивались все усилия изобретателей.

Впервые внимание к парящему полету привлекла моментальная фотография. Известный немецкий фотограф Оттомар Аншютц, о котором уже говорилось в одной из предыдущих глав, сделал серию снимков полета аиста. Говорят, эти снимки попали в 1890 году на глаза Отто Лилиенталю и подтолкнули его к мысли построить планер. Действительно, фотографии Аншютца неоспоримо свидетельствовали, что в воздухе возможен такой полет, при котором работа, необходимая для передвижения и подъема летательного аппарата, осуществляется не им самим, а воздухом. Несколько фотографий изображали парящих аистов, которых поднимал вверх порыв ветра.

Первый планер Лилиенталя состоял из ивового, обтянутого материей каркаса, образующего округлые, вогнутые наподобие птичьих крылья в два яруса с небольшим хвостом сзади. Весь аппарат весил всего 20 кг. Лилиенталь подвешивался к нему, продев руки в два прикрепленных под крыльями ремня, и сбегал с холма навстречу ветру. Сначала он держал крылья наклоненными передним краем вниз, а затем подставлял ветру нижнюю их поверхность и, поднимая крылья, скользил по восходящему потоку. Равновесие поддерживалось балансированием тела вперед, назад и в сторону. Первоначально полеты были очень короткие — метров на 15 и производились с небольшого песчаного холма. Потом они стали более продолжительными и происходили с холма высотой 30 м. С 1891 по 1896 год Лилиенталь совершил более 2000 удачных скользящих полетов. В конце концов он мог пролетать более 100 м, находясь в воздухе до 30 секунд. Таким образом, Лилиенталь первый доказал возможность планирующего полета и первый правильно подошел к изучению аэродинамических сил, воздействующих на крыло. Эксперименты Лилиенталя привлекли к себе внимание во многих странах. Вскоре у него появились последователи. Но в августе 1896 года, во время одного из своих полетов, подхваченный резким порывом ветра, Лилиенталь упал с высоты 15 м и сломал позвоночник. В тот же день он умер.

В дальнейшем большое влияние на развитие летательных аппаратов оказали опыты американца Октава Шанюта. Первые его планеры были построены по образцу планеров Лилиенталя. Затем Шанют стал вносить в них различные изменения и в конце концов создал биплан с ровным крылом. Он также уделил большое внимание оформлению хвостового оперения, поместив там подвижные рули высоты и направления. Этот планер стал этапной конструкцией в истории авиации. Простой, рациональный, легкий, но в то же время прочный, он был лучшим летательным аппаратом своего времени. Наиболее яркая его особенность — конструкция крыла с горизонтальными очертаниями — стала в дальнейшем общепринятой. Шанют был первым, кто перестал рабски подражать форме птичьего крыла. Однако выравнивание планера оставалось таким же, как и у Лилиенталя — пилот повисал снизу на ремнях и, балансируя своим телом, поддерживал устойчивость аппарата. Однако и Шанют оставался в небе редким гостем. Длительность его полетов исчислялась секундами, а дальность — десятками метров.

Искусство полета в подлинном смысле этого слова впервые в истории освоили братья Уилбер и Орвилл Райт, владельцы велосипедной мастерской в небольшом американском городке Дейтоне. Они приступили к своим опытам в то время, когда в авиации установился глухой период затишья: летательные машины Адера и Максима, стоившие огромных денег, не полетели, смелый планерист Лилиенталь разбился. Ближайшей целью, которую поставили перед собой Райт, было добиться устойчивого и управляемого полета. В 1899 году они сделали свое первое (и как оказалось в дальнейшем, самое замечательное) открытие — они установили, что для обеспечения поперечной устойчивости аэроплана необходимо перекашивать концы его крыльев. Мысль эта пришла Уилберу Райту. Однажды, сгибая картонную коробку, он неожиданно подумал, что таким же образом можно изгибать концы крыльев аэроплана — одно вверх, другое вниз — и тем самым избавить его от заваливания в боковую сторону. После этого Райт стали продумывать устройство своего первого планера и выбрали схему, созданную Шанютом — биплан с двумя поддерживающими поверхностями, расположенными одна под другой.

Свой первый планер братья построили в 1900 году. Он точно воспроизводил аппараты Шанюта и только по своим размерам сильно превосходил их. Но были и некоторые отличия. Райт отказались от хвостового оперения, которое, по их словам, «скорее являлось источником неприятности, чем помощи». Они отказались также от регулирования устойчивости путем перемещения центра тяжести и снабдили свой аппарат настоящими рулями. Впереди планера они поместили горизонтальную поверхность — так называемый «руль высоты». Уклоняя эту поверхность вверх и вниз, можно было выравнивать все колебания аппарата в направлении полета (продольная устойчивость). Поперечная устойчивость обеспечивалась за счет перекашивания крыльев. Это был первый в истории планер, уверенно слушавшийся руля. Он прекрасно выдержал испытания — не только легко взмывал в воздух, но и поднимал человека. Пилот не подвешивался здесь на ремнях снизу аппарата, как это бывало прежде у других конструкторов, а лежал как на салазках. В 1901 году Райт построили второй планер по образцу первого, но только больших размеров.

Опробуя эти аппараты, они убедились, что им сильно не хватает теоретических знаний по аэродинамике. Впрочем, в то время эта наука находилась в самом зачаточном состоянии. Собрав все книги, посвященные описанию полета тел, какие они только смогли достать, Райт убедились, что не далеко смогут улететь на таком багаже. Недостающие таблицы они решили составить самостоятельно. Измерение сил сопротивления движущихся в воздухе тел можно производить двумя способами: или передвигать тело с определенной скоростью по спокойному воздуху, или обдувать неподвижное тело, направляя на него с определенной скоростью воздух. Лэнгли и Максим производили свои опыты исключительно первым способом, вращая предметы или модели рукой по воздуху. При этом способе очень трудно было измерить, под каким углом находилась вращаемая плоскость или модель в тот или иной момент. Кроме того, результаты испытаний искажались влиянием центробежной силы. Неудивительно, что они были противоречивыми и неточными. Райт избрали второй способ. В том же году они соорудили «ветряной туннель» — аэродинамическую трубу, в которую воздух нагнетался с помощью вентилятора. Для своего времени это было замечательное изобретение, которое сразу дало им огромное преимущество перед другими конструкторами и быстро продвинуло их к цели. В своей трубе братья испытали более 200 моделей, различных по форме профилей. Они изготовлялись из листового железа, чтобы их можно было изгибать различным образом. Такое систематическое измерение величин сопротивлений различных поверхностей и профилей крыльев при различных углах атаки в аэродинамической трубе никогда раньше до братьев Райт не производилось. Неудивительно, что и результаты этих упорных систематических опытов были решающими для их дальнейших успехов.

Главным результатом всех этих экспериментов стало определение так называемого центра давления, то есть равнодействующей всех сил давления на крыло при различных углах атаки. Значение положения равнодействующей, или центра давления, совершенно необходимо при конструировании аэропланов и при расчете их устойчивости. Другим важным результатом было определение подъемной силы крыльев и силы лобового сопротивления при разной скорости. Результаты своих исследований братья систематизировали в особых таблицах, которые потом служили для них карманным справочником. После этого, уже с учетом аэродинамических изысканий, они взялись за конструирование нового планера.

Третий планер 1902 года, в отличие от двух первых, имел вертикальный хвост. Пилот ложился здесь в особую колыбель между разрезом нижней плоскости и, приподнявшись на локтях, управлял руками передним рулем высоты, а движением тела вбок скашивал проволочными тросами концы крыльев. Запуская планер, два человека сбегали с ним с высокой горы против ветра.

Хвост был устроен вследствие того, что два предыдущих планера имели склонность к вращению вокруг горизонтальной оси и могли перевернуться во время перекашивания крыльев. Райт поняли, что одним только перекашиванием крыльев невозможно добиться хорошей управляемости планера. Сначала вертикальный руль был неподвижным, но потом, когда обнаружилось, что планер перестает слушаться руля при наклоне вбок, Орвилл Райт предложил сделать вертикальный руль подвижным. Тогда, поворачивая его в сторону противоположного крыла, можно было восстанавливать поперечное равновесие. Тем самым должна была компенсироваться разница в сопротивлении опущенного и поднятого крыльев. Уилбер согласился с братом и дополнил его идею существенным улучшением: раз вертикальный руль необходимо поворачивать в тот момент, когда перекашиваются концы крыльев, то лучше соединить руль и крылья проволочными тросами, чтобы действовать на них одновременно. После этого движением одного рычага стало возможно управлять поперечной устойчивостью. Таким образом, впервые в истории авиации братья Райт применили подвижный вертикальный руль. Это было их второе замечательное открытие на пути овладения воздушной стихией.

Когда Райт было нужно сделать поворот влево, он поворачивал поворотный рычаг; одновременно с этим посредством проволочных тяг задние кромки правого крыла (то есть снаружи виража) опускались. Тем самым правое крыло, загнутое до некоторой степени круче и загребающее больше воздуха, направлялось вверх. Одновременно левое крыло внутри виража опускалось вниз. В результате аэроплан в целом накренялся внутрь кривой. Правый рулевой рычаг a, служивший для поворота, обладал двойным движением. Направляя его вперед (нажимая от себя), пилот действовал на двуплечий рычаг K таким образом, что рулевые тяги тип перекладывали поворотный руль влево. Обратное оттягивание этого рулевого рычага (на себя) вызывало перекладывание руля вправо. С другой стороны, отклонение рычага а влево сообщало то же движение стержню C, перекашивая крылья посредством тяги e: правое — вниз, левое — вверх. Перекашивание несущих поверхностей путем уклонения рычага вправо и влево могло совершаться как независимо от перекашивания руля направления (посредством движения рычага вперед и назад), так и совместно с ним.

Перекашивание несущих поверхностей способствовало также сохранению боковой устойчивости при порывах ветра. Когда порыв ветра наклонял аэроплан в одну сторону, пилот немедленно подбирал круче опустившееся крыло, уменьшая одновременно угол встречи (угол несущей поверхности к направлению движения; чем он больше, тем больше сопротивление, а значит, и подъемная сила) в поднятом крыле. Таким образом, аэроплан выправлял крен, парируя порыв ветра. Для такого противодействия ветру требовалось только движение рычага а вправо или влево.

Подобное превращение крыльев из плоскости в винтообразную поверхность имело, правда, нежелательное последствие — весь планер при этом несколько поворачивался вокруг своей оси, подобно тому, как воздушный винт начинает вращаться при поступательном движении. С целью уравнять это нежелательное вращение применялись передние вертикальные серповидные поверхности v и w, укрепленные между поверхностями руля высоты, которые вращались в направлении обратном движению поворотного руля.

Второй рулевой рычаг управлял высотой полета. При отжимании его вперед рулевые поверхности становились площе, и планер опускал свой нос вниз.

Испытание планера с заново установленным вертикальным рулем сразу дало хорошие результаты. Планер хорошо слушался руля и парил в воздухе иногда по целой минуте. В то время никто в мире не мог похвастаться такими прекрасными результатами. Можно сказать, что уже тогда планер братьев Райт был самым совершенным летательным аппаратом на Земле. Он обладал уже всеми отличительными чертами аэроплана: у него было два аэродинамически правильно рассчитанных крыла, горизонтальный руль высоты спереди и вертикальный руль направления сзади, перекашивание концов крыльев для поперечной устойчивости (элероны). Планер был вполне управляем — поднимался вверх и опускался вниз, поворачивал направо и налево, не теряя устойчивости. Для того чтобы стать аэропланом, планеру не хватало только одного — мотора с пропеллером.

К созданию его Райт приступили в начале 1903 года. Они рассчитали, что для полета им необходим очень легкий и небольшой бензиновый двигатель с мощностью не менее 8 л.с. Несмотря на все усилия им не удалось купить готовый двигатель. Тогда они решили изготовить его сами и засели за расчеты. Вскоре был готов проект четырехцилиндрового двигателя весом около 90 кг с водяным охлаждением и электрическим зажиганием. Алюминиевый корпус был сделан в местной кузнице. Все остальные детали братья изготовили сами в своей мастерской. Несмотря на то что эта работа была для них совершенно в новинку, сразу после сборки двигатель заработал, и братья увидели в этом залог будущего успеха. Другая проблема заключалась в изготовлении пропеллеров. Разумеется, никаких теоретических расчетов для воздушного винта тогда не существовало. После долгих опытов и горячих споров Райт сделали два деревянных винта из кусков канадской сосны. Каждый имел по две лопасти и насаживался на железную ось. Вращались они навстречу друг другу и помещались позади (а не впереди, как это было принято позже) каждого крыла. Передача осуществлялась с помощью цепей. Когда двигатель, пропеллеры и передача были готовы, Райт приступили к строительству самого аэроплана. Конструкция его была точно такой же, как и у планера 1902 года, но он был сделан более прочным. Пилот, как и прежде, находился в лежачем положении.

Испытания первого аэроплана были проведены на берегу океана в Кити Хок (где братья испытывали все свои планеры). Здесь 14 декабря 1903 года Уилбер Райт совершил первый моторный полет — он продолжался 3, 5 секунды. Пролетев 32 м, аэроплан упал. После нескольких попыток 17 декабря Уилбер совершил более продолжительный полет: аэроплан находился в воздухе 59 секунд и пролетел 260 м. Из‑за сильных ветров дальнейшие полеты в этом году пришлось прекратить. Братья вернулись в Дейтон очень довольные достигнутыми результатами. На первый взгляд полет, продолжавшийся всего 59 секунд, может показаться ничтожным достижением, но для того времени это была огромная победа. До братьев Райт еще ни один аппарат тяжелее воздуха не смог не то что пролететь сотню‑другую метров, но и просто подняться в воздух.

Райт стали немедленно строить второй аэроплан, который был закончен в апреле 1904 года, и изготовили для него новый мотор в 16 л.с. Испытания аэроплана провели прямо в Дейтоне, используя в качестве аэродрома большое пастбище. Для подъема в воздух они придумали специальное устройство, представлявшее собой вышку, к вершине которой подвешивался груз весом около полутонны. Груз с помощью тросов соединялся с самолетом и во время своего падения создавал усилие, ускоряющее взлет. Братья учились летать, соблюдая исключительную осторожность. Как и поначалу, осваивая планер, они делали множество взлетов и посадок. При малейшем подозрении на опасность они сажали машину на поле. Полеты долгое время проходили по кругу на небольшой высоте (около 3 м). Постепенно длительность полета возрастала. В ноябре аэроплан уже мог продержаться в воздухе около 5 минут и пролетал до 5 км. Зимой 1905 года был построен третий аэроплан с 20‑сильным двигателем. Осенью, освоив все секреты управления, Райт приступили к длительным полетам. 5 октября аэроплан находился в воздухе до тех пор, пока не кончился бензин — 38 минут, и налетал за это время по кругу 39 км.

Однако эти рекорды не получили в США никакой оценки и остались почти неизвестны. Более того — все попытки изобретателей заинтересовать правительство своим аэропланом остались безуспешны. Объясняется это, впрочем, очень просто — внимание всех журналистов и чиновников было обращено в это время на опыты Лэнгли. После того как Лэнгли постигла полная неудача, создание аэроплана казалось несбыточной мечтой. Сообщения о том, что два механика‑самоучки собрали из подручных средств летательный аппарат, способный десятки минут находиться в воздухе, казались полным бредом. Выдача патента тоже затянулась на несколько лет. Только весной 1906 года после долгих проволочек патент был наконец получен. Между тем постройка аэропланов оказалась непосильным бременем для мастерской Райт. В 1905 году они были вынуждены из‑за финансовых затруднений прекратить свои полеты. Три года никто не вспоминал об их изобретении. Только в 1907 году шумиха, поднятая во Франции слухами об их успехах, обратила наконец на них внимание местных чиновников. В том же году они получили заказ на летательный аппарат от военного министерства США, которое выплатило им за это 100 тысяч долларов.

В аэроплане 1908 года было уже два сидячих места для пилота и пассажира. В связи с этим были переделаны рычаги управления. В том же году новый аэроплан демонстрировался во Франции и произвел настоящий фурор в Европе. Уилбер Райт шутя побил на нем все рекорды, которые успели установить к этому времени французские летчики и конструкторы. 21 октября он установил абсолютный рекорд, продержавшись в воздухе целых 1, 5 часа, а 31 декабря побил его с результатом 2 часа 20 минут. Это было временем триумфа Райт. Каждый их полет собирал тысячи зрителей. Затаив дыхание, люди готовы были часами следить за аэропланом, который описывал над полем один правильный круг за другим. Самые известные люди желали познакомиться с братьями. Заказы на аэропланы сыпались на них со всех сторон. В Нью‑Йорке была основана самолетостроительная компания «Райт» с капиталом в 1 миллион долларов. Уилбер Райт был избран ее председателем. Первую фабрику по производству аэропланов построили в Дейтоне.

Но влияние конструкторских идей Райт на европейском континенте оказалось не столь значительным, как можно было ожидать поначалу. Хотя «райты» и получили в первое время некоторое распространение, схема их устройства вскоре была признана недостаточно совершенной. Требовалось большое искусство, чтобы управлять ими. Из‑за отсутствия хвоста эти аэропланы имели опасную тенденцию «клевать носом». Несколько катастроф 1909 года на «райтах» наглядно показали это. Причина их была очевидна — самолеты Райт не имели того самого «хвоста Пено», которым обязательно снабжали свои машины французские авиаконструкторы. Роль этого хвоста играл в райтовском аэроплане передний руль высоты, управляемый от руки. Поэтому малейшее опоздание в действии этим рулем или неисправность в самом руле и приводах к нему всегда грозили потерей равновесия и катастрофой, тогда как «хвост Пено» действовал в этих случаях автоматически.

К тому времени, когда Райты появились во Франции, здесь уже существовала сложившаяся авиационная школа — было построено несколько десятков самолетов и установлено несколько громких рекордов. Правда, летать по‑настоящему эти машины еще не могли и скорее совершали длинные прыжки. Для того чтобы стать совершенными летательными аппаратами европейским аэропланам не хватало двух вещей — устройства для перекашивания крыльев и совершенного по форме пропеллера. Наибольшего успеха достиг французский конструктор Вуазен. Построенный им в 1907 году по заказу автогонщика Фармана аэроплан «Фарман‑1» до появления братьев Райт считался наилучшим. На этом самолете Фарман установил в том же году рекорд дальности полета — 771 м и впервые сумел выполнить полет по кругу. Биплан Фармана в отличие от аэроплана братьев Райт имел хвостовые поверхности для продольной устойчивости по системе Пено. Хвост значительно облегчал управление аэропланом. Кроме того, самолет Фармана был снабжен шасси, с помощью которого делал разбег против ветра.

После того как французы заимствовали у Райт систему перекашивания крыльев и форму винта, их самолеты стали по всем показателям превосходить своих заокеанских собратьев. Это сделалось очевидным уже на международных состязаниях 1909 года. Вообще этот год стал годом всеобщего триумфа аэропланов. Выдающийся французский авиатор Блерио на своем аэроплане «Блерио‑11» совершил перелет через Ла‑Манш. Тогда же Фарман создал свой замечательный аэроплан «Фарман‑3» — прочный, устойчивый, послушный в управлении. Этот самолет стал основной учебной машиной того времени — тысячи летчиков из многих стран прошли на нем курс обучения — и одним из первых аэропланов, который стал выпускаться серийно.

72. БУТЫЛОЧНЫЙ АВТОМАТ

Стекольное производство оставалось одной из тех областей промышленности, которая вплоть до начала XX века не была затронута механизацией. Изготовление стеклянных изделий, в частности бутылок, оставалось ручным и всецело зависело от мастерства и опыта стеклодува. Выдувание осуществлялось при помощи железной трубки длиной от 1 до 1, 5 м. Один конец трубки слегка расширялся конусом и служил для набирания стекла, противоположный (сосок) был закруглен. Его брали в рот для вдувания. Около одной трети трубки для предохранения рук от жара закрывалось деревянной оправой. Перед набором расплавленной стеклянной массы конусообразный конец трубки тщательно очищали и нагревали в огне печи. Окунув затем нагретый конец в расплавленное стекло, несколько раз поворачивали трубку, при этом масса легко приставала к ней и наворачивалась в вида кома. Остуживанием наборки при вращении трубки стекло доводилось до такой густоты, при которой возможно было сглаживание его формы. Затем сосок брали в рот, и с силой вдувая воздух через трубку, получали на другом конце ровный пузырь с желаемой толщиной стенок.

Разделка бутылки начиналась с баночки, которая превращалась в пульку посредством выдувания и одновременного оттягивания железной рогаткой в форме У (фулязкой). Для придания удлиненной формы пульку разогревали в огне печи, потом делали трубкой большой и довольно сильный размах по кругу сверху вниз, отчего пулька вытягивалась и принимала нужную форму. Затем она вкладывалась в деревянную или чугунную форму, которую плотно закрывали. При этом мастер сильно дул в бутылку, чтобы раздать еще мягкое стекло до полного приставания к стенкам формы. Последним отделывали горло бутылки: захватывали ее железными клещами с закругленными концами, освобождали горлышко от трубки, разогревали его и при помощи отделочных ножниц, имевших на концах соответствующие величине горлышка выступы, делали на горлышке утолщения прибавкою стекла.

Многочисленные попытки механизировать этот сложный производственный процесс оказались безуспешными. Положение кардинально изменилось только в 1905 году, когда американец Майкл Оуэнс взял патент на шестирукавную вакуумную машину — первый в истории бутылочный стеклодувный автомат.

Машина Оуэнса состояла из двух частей: самой машины и чаши с расплавленной до полужидкого состояния стекломассой. Машина и чаша вращались с помощью электродвигателей вокруг своих осей в разные стороны. Как и при ручном производстве выделка бутылки включала в себя несколько последовательных операций, но все они выполнялись автоматически. Набор нужной порции стекла осуществлялся с помощью специальных вакуумных головок (внутри них создавалось разряженное состояние). Машина имела по своей окружности шесть вакуумных наборных головок, на каждую из которых была надета черновая форма. Окончательная отделка происходила в чистовых формах. Их тоже было шесть. Всякий раз, когда было необходимо всосать очередную порцию стекломассы, машина опускалась; при этом наборная головка погружалась в расплавленное стекло. Это происходило шесть раз за один оборот машины, так что все вакуумные головки делали по одному всасыванию. При поднимании машины автоматический нож отрезал тянущийся за наборной головкой жгут стекломассы, который падал обратно во вращающуюся чашу.

Сначала Оуэнс, как и другие изобретатели, думал обойтись без вращающейся чаши и пытался брать стекло непосредственно из печи. Однако в результате погружения относительно холодной черновой формы и обратного падения в ванну холодного жгута стекломасса в месте всасывания значительно охлаждалась. Поэтому всасывать с него новую порцию было уже невозможно. Чтобы обойти эту трудность, Оуэнс добавил к своей конструкции вращающуюся чашу, которая представляла собой наполненный расплавленным стеклом и постоянно согреваемый резервуар. Таким путем удавалось постоянно подводить к черновым формам машины новый нетронутый участок поверхности стекломассы. Места, охлажденные погружением форм, нагревались благодаря отоплению вращающейся чаши, а также за счет отбора тепла от окружающей и притекающей свежей стекломассы.

Следующими рабочими операциями были предварительное выдувание, передача пульки, окончательное выдувание и съем изделия с машины.

Первая машина могла производить 10‑20 (в зависимости от веса) бутылок в минуту. Но это был не предел. Работа замедлялась из‑за того, что приходилось раскачивать тяжелый корпус машины. В более поздних конструкциях (с 1911 года — в десятирукавной машине) Оуэнс перешел к опусканию для всасывания лишь отдельных рукавов (секций) с наборными головками (всасывающими формами). Благодаря этому вращение машины стало более спокойным, и значительно снизилась потребляемая ею мощность. Кроме того, были исключены толчки, и стало возможным повышение скорости, так что в поздних моделях производительность доходила до 90 бутылок в минуту.

Бутылочный автомат Оуэнса произвел настоящий переворот в стеклодувном деле, быть может, самый значительный за всю пятитысячелетнюю историю стеклоделия. Однако внедрение этой машины натолкнулось на значительные трудности. В 1908 года немецкий союз фабрикантов бутылочного производства купил у Оуэнса его патент за 12 миллионов марок. Это, впрочем, было сделано не для того, чтобы начать применение его машины, а как раз с противоположной целью — воспрепятствовать механизации отрасли. Ручное производство бутылок было чрезвычайно выгодно союзу, так как позволяло ему поддерживать монопольные высокие цены на этот вид продукции. Однако замысел фабрикантов не прошел — вскоре бутылочные автоматы появились на многих стекольных заводах. В США образовался концерн «Либби — Оуэнс — Форд гласс», который вскоре стал контролировать производство бутылок в Америке и многих странах Европы.

73. ПОДВОДНАЯ ЛОДКА

Создание подводной лодки — замечательное достижение человеческого разума и значительное событие в истории военной техники. Подводный корабль, как известно, обладает способностью действовать скрытно, невидимо, а следовательно, внезапно. Скрытность достигается, прежде всего, способностью погружаться, плавать на определенной глубине, не выдавая своего присутствия, и неожиданно наносить удары противнику.

Как и всякое физическое тело, подводная лодка подчиняется закону Архимеда, который гласит, что на всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной телом жидкости. Можно для упрощения сформулировать этот закон так: «Тело, погруженное в воду, теряет в своем весе столько же, сколько весит вытесненный телом объем воды». Именно на этом законе основано одно из главных свойств любого корабля — его плавучесть, то есть способность удерживаться на поверхности воды. Это возможно тогда, когда вес воды, вытесненной погруженной в воду частью корпуса, равен весу судна. При таком положении корабль обладает положительной плавучестью. Если же вес вытесненной воды меньше веса корабля, то корабль будет тонуть. В этом случае считают, что корабль обладает отрицательной плавучестью.

Для подводной лодки плавучесть определяется ее способностью находиться как в подводном, так и в надводном положении. Очевидно, лодка будет находиться на поверхности, если она имеет положительную плавучесть. Получая отрицательную плавучесть, лодка будет погружаться, пока не ляжет на дно. Чтобы она не стремилась ни всплыть, ни тонуть, необходимо уравнять вес подводной лодки и вес вытесняемого ею объема воды. В этом случае лодка без хода займет в воде неустойчивое безразличное положение и будет «висеть» на любой глубине. Это значит, что лодка получила нулевую плавучесть.

Чтобы подводная лодка могла погружаться, всплывать или держаться под водой, она должна обладать способностью менять свою плавучесть. Это достигается очень простым способом — принятием на лодку водяного балласта: специальные цистерны, устроенные в корпусе лодки, то заполняются забортной водой, то вновь опорожняются. При их полном заполнении лодка обретает нулевую плавучесть. Чтобы подводная лодка всплыла, надо освободить цистерны от воды.

Однако регулировка погружения с помощью цистерн никогда не может быть точной. Маневрирование в вертикальной плоскости достигается при помощи перекладки горизонтальных рулей. Как самолет в воздухе способен менять высоту полета при помощи рулей высоты, так и подлодка действует горизонтальными рулями или рулями глубины, не меняя плавучести. Если передняя кромка пера руля выше задней, набегающий поток воды будет создавать подъемную силу, направленную вверх. И наоборот, если передняя кромка руля ниже задней, встречный поток будет давить на рабочую поверхность пера сверху вниз. Изменение направления движения подлодки в горизонтальном положении производится у подлодок, как и у надводных кораблей,, изменением угла поворота вертикального руля.

Первой подводной лодкой, получившей практическое применение, была «Тартю» («Черепаха») французского изобретателя Бюшнеля, построенная в 1776 году в США. Несмотря на свою примитивность она имела уже все элементы настоящей подводной лодки. Яйцеобразный корпус диаметром около 2, 5 м был изготовлен из меди, а в нижней части покрыт слоем свинца. Экипаж лодки состоял из одного человека. Погружение достигалось путем наполнения балластной водой специального бака (а), находившегося в самом низу. Погружение регулировалось при помощи вертикального винта (в). Всплытие осуществлялось путем откачки балластной воды двумя насосами (б), которые также приводились в действие вручную. Движение по горизонтальной линии происходило при помощи горизонтального винта (г). Для изменения направления имелся руль (е), расположенный позади места человека (ж). Вооружение этого судна, предназначенного для военных целей, состояло из мины (з) весом в 70 кг, помещавшейся в особом ящике под рулем. В момент атаки «Тортю», погрузившись, старалась подойти под киль вражеского корабля. Там мина освобождалась из ящика и, поскольку ей была придана некоторая плавучесть, всплывала, ударялась о киль судна и взрывалась. Такова была в общих чертах первая подводная лодка, создатель которой получил в США почетное имя «отца подводной лодки». Лодка Бюшнеля прославилась после удачной атаки, проведенной ею против английского 50‑пушечного фрегата «Орел» в августе 1776 года во время войны США за независимость. В общем это было неплохое начало истории подводного флота. Следующие ее страницы были связаны уже с Европой.

В 1800 году американец Фултон построил во Франции подводную лодку «Наутилус». Она имела обтекаемую сигарообразную форму при длине 6, 5 м и диаметре 2 м. В остальном «Наутилус» по своей конструкции очень напоминал «Тартю». Погружение достигалось путем наполнения балластной камеры (а), находившейся в нижней части корабля. Источником движения в погруженном состоянии была сила команды, состоявшей из трех человек. Вращение рукоятки (б) передавалось на двухлопастный винт (в), который и обеспечивал лодке поступательное движение. Для движения на поверхности использовался парус (г), крепившийся на складной мачте. Скорость хода на поверхности составляла 5‑7 км/ч, а в погруженном состоянии около 2, 5 км/ч. Вместо вертикального винта Бюшнеля Фултон впервые применил два горизонтальных руля, расположенных сзади корпуса, как и на современных подводных лодках. На борту «Наутилуса» имелся баллон со сжатым воздухом, позволявший находиться под водой в течение нескольких часов.

После нескольких предварительных испытаний судно Фултона спустилось по Сене до Гавра, где состоялся его первый выход в море. Испытания прошли удовлетворительно: в течение 5 часов лодка со всем экипажем находилась под водой на глубине 7 м. Неплохими были и другие показатели — расстояние в 450 м лодка преодолела под водой за 7 минут. В августе 1801 года Фултон продемонстрировал боевые возможности своего судна. Для этой цели на рейд был выведен старый бриг. «Наутилус» приблизился к нему под водой и взорвал при помощи мины. Впрочем, дальнейшая судьба «Наутилуса» не оправдала надежд, которые возлагались на него изобретателем. Во время перехода из Гавра в Шербур он был настигнут штормом и затонул. Все попытки Фултона построить новую подводную лодку (он предлагал свой проект не только французам, но и их врагам англичанам) не увенчались успехом.

Новый этап в развитии подводного корабля представляла собой подлодка «Подводник» Буржуа и Брюна, построенная в 1860 году. Своими размерами она значительно превосходила все подводные корабли, строившиеся до этого: длина 42, 5 м, ширина — 6 м, высота — 3 м, водоизмещение — 420 т. На этой лодке впервые был установлен мотор, работающий на сжатом воздухе, что позволяло ей в момент атаки развивать скорость около 9 км/ч на поверхности и 7 км/ч под водой. К другим особенностям этого корабля надо отнести его вооружение, более серьезное и практичное, чем у его предшественников. У «Подводника» мина укреплялась на конце стержня длиной в 10 м на носу корабля. Это давало серьезные преимущества, так как позволяло атаковать противника на ходу, что было совершенно невозможно для прежних лодок. Во‑первых, подводному кораблю ввиду его невысокой скорости было трудно подойти под днище атакуемого корабля, а во‑вторых, если бы это и удалось сделать, то за то время, которое необходимо для всплытия пущенной мины, противник успел бы уйти. «Подводник» имел возможность, идя наперерез двигавшемуся кораблю, ударить его в борт миной, подвешенной на конце стержня. От удара мина должна была взорваться. Однако сам «Подводник», находившийся на безопасном расстоянии 10 м, не должен был пострадать. Для погружения своего корабля Буржуа и Брюн применили комбинацию из нескольких способов. Подлодка имела цистерны для балластной воды, вертикальный винт и два горизонтальных руля. На «Подводнике» также впервые была предусмотрена продувка цистерн сжатым воздухом, что значительно уменьшало время всплытия.

Впервые подлодки получили применение во время гражданской войны в США 1861‑1865 годов. В это время на вооружении у южан находилось несколько подводных лодок «Давид». Эти лодки, правда, не погружались совершенно под воду — часть рубки выступала над поверхностью моря, но все же они могли скрытно подкрадываться к кораблям северян. Длина «Давида» составляла 20 м, ширина — 3 м. Лодка была оснащена паровым двигателем и рулем погружения, расположенным в передней части корпуса. В феврале 1864 года одна из таких подводных лодок под командованием лейтенанта Диксона пустила на дно корвет северян «Гузатаник», ударив его в борт своей миной. «Гузатаник» стал первой в истории жертвой подводной войны, а подводные лодки перестали после этого быть объектом чистого изобретательства и завоевали себе право на существование наравне с другими военными кораблями.

Следующим шагом в истории подводного кораблестроения стали лодки русского изобретателя Джевецкого. Первая модель, созданная им в 1879 году, имела педальный двигатель. Экипаж из четырех человек приводил во вращение винт. От ножного привода работали также водяной и пневматический насосы. Первый из них служил для очищения воздуха внутри судна. С его помощью воздух прогонялся через баллон с едким натрием, поглощавшим углекислый газ. Недостающее количество кислорода пополнялось из запасного баллона. С помощью водяного насоса откачивалась вода из балластных цистерн. Длина лодки была 4 м, ширина — 1, 5 м.

Лодка была снабжена перископом — устройством для наблюдения за поверхностью из подводного положения. Перископ простейшей конструкции представляет собой трубу, верхний конец которой выдвигался над поверхностью воды, а нижний находился внутри лодки. В трубе устанавливались два наклонных зеркала: одно у верхнего конца трубки, другое — у нижнего. Лучи света, отражаясь сначала от верхнего зеркала, попадали затем на нижнее и отражались от него в направление к глазу наблюдателя.

Вооружение лодки состояло из мины с особыми резиновыми присосками и запалом, воспламенявшимся током от гальванической батареи (мину прикрепляли к днищу стоявшего корабля; затем лодка отплывала, разматывая провод, на безопасное расстояние; в нужный момент цепь замыкалась, и происходил взрыв). На испытаниях лодка показала прекрасную маневренность. Она была первой серийной лодкой, взятой на вооружение русской армией (всего было изготовлено 50 таких лодок). В 1884 году Джевецкий впервые снабдил свою лодку электродвигателем, приводимым в действие от аккумулятора, который обеспечивал лодке движение в течение 10 часов со скоростью около 7 км/ч. Это было важное нововведение.

В том же году швед Норденфельд поставил на свою подлодку паровую машину. Перед погружением два котла наполнялись паром под высоким давлением, что позволяло подводному судну плыть четыре часа под водой со скоростью 7, 5 км/ч. Норденфельд также впервые установил на свою лодку торпеды. Торпеда (самодвижущаяся мина) представляла собой подводную лодку в миниатюре.

Первая самодвижущаяся мина была создана английским инженером Уайтхедом и его сотрудником австрийцем Люппи. Первые испытания прошли в городе Фиуме в 1864 году. Тогда мина прошла 650 м со скоростью 13 км/ч. Движение осуществлялось за счет пневматического двигателя, к которому поступал сжатый воздух из баллона. В дальнейшем, вплоть до Первой мировой войны конструкция торпед не претерпела больших изменений. Они имели сигарообразную форму. В передней части размещались детонатор и заряд. Далее — резервуар со сжатым воздухом, регулятор, двигатель, винт и руль.

Вооруженная торпедами подлодка сделалась исключительно грозным противником для всех надводных судов. Стрельба торпедами происходила с помощью торпедных аппаратов. Торпеда по рельсам подавалась к люку (а). Люк открывался, и торпеда закладывалась внутрь аппарата. После этого открывался наружный люк, и аппарат заполнялся водой. Сжатый воздух подавался из баллона (в) через соединение в ствол аппарата. Затем торпеда с работающим мотором, винтами и рулями выпускалась наружу. Внешний люк закрывался, и вода из него уходила по трубке (с).

В последующие годы подводные лодки стали снабжаться бензиновыми двигателями внутреннего сгорания для плавания в надводном положении и электродвигателями (с питанием от аккумулятора) для перемещения под водой. Подводные суда быстро совершенствовались. Они могли стремительно всплывать и исчезать под водой. Это достигалось за счет продуманной конструкции балластных цистерн, которые разделялись теперь по своему назначению на два основных вида: цистерны главного балласта и цистерны вспомогательного балласта. Первые цистерны предназначались для поглощения плавучести подводного корабля при переходе его из надводного положения в подводное (они делились на носовую, кормовую и среднюю). К цистернам вспомогательного балласта относились расположенные в противоположных оконечностях корпуса дифферентные цистерны (носовая и кормовая), уравнительная цистерна и цистерна быстрого погружения. Назначение у каждой из них было особое. С заполнением цистерны быстрого погружения подводная лодка обретала отрицательную плавучесть и стремительно уходила под воду. Дифферентные цистерны служили для выравнивания дифферента, то есть угла наклона корпуса подводного корабля и приведения его на «ровный киль». С их помощью можно было уравновесить нос и корму подлодки, так что корпус ее занимал строго горизонтальное положение. Такой подводный корабль мог легко управляться в подводном положении.

Важным событием для подводных кораблей стало изобретение судового дизеля. Дело в том, что плавать под водой с бензиновым мотором было очень опасно. Несмотря на все меры предосторожности, летучие пары бензина скапливались внутри лодки и могли воспламениться от малейшей искры. Вследствие этого довольно часто происходили взрывы, сопровождавшиеся человеческими жертвами.

Первая в мире дизельная подводная лодка «Минога» была построена в России. Спроектировал ее Иван Бубнов — главный конструктор на балтийском судостроительном заводе. Проект дизельной лодки был разработан Бубновым в начале 1905 года. В следующем году приступили к строительству. Два дизеля для «Миноги», как уже упоминалось выше, изготовили на заводе Нобеля в Петербурге. Строительство «Миноги» сопровождалось несколькими диверсионными актами (в марте 1908 г. случился пожар в аккумуляторном отсеке, в октябре 1909 г. кто‑то подсыпал наждак в подшипники главных двигателей). Однако найти виновных в этих преступлениях не удалось. Спуск на воду состоялся в 1908 году.

Энергетическая установка «Миноги» состояла из двух дизелей, электродвигателя и аккумуляторной батареи. Дизели и электродвигатель были установлены в одну линию и работали на один гребной винт. Все моторы соединялись с гребным валом с помощью разобщительных муфт, так что по желанию капитана вал мог быть подключен к одному‑двум дизелям или электромотору. Один из дизелей мог соединяться с электродвигателем и приводить его во вращение. В этом случае электродвигатель работал как генератор и заряжал аккумуляторы. Батарея состояла из двух групп по 33 аккумулятора в каждой с коридором между ними для технического обслуживания.

Длина «Миноги» — 32 м. Скорость в надводном положении — около 20 км/ч, под водой — 8, 5 км/ч. Вооружение — два носовых торпедных аппарата.

74. КРЕКИНГ‑ПРОЦЕСС

Нефть представляет собой маслянистую жидкость с характерным острым запахом и различным, в зависимости от места добычи, цветом. По своему химическому строению она является чрезвычайно сложной смесью различных химических соединений, прежде всего органических веществ — углеводородов. Углеводороды называются так потому, что представляют собой химические соединения простых элементов: углерода и водорода. Кроме них в состав нефти входят сера, азот, кислород и многие другие примеси (в том числе вода и песок). Несмотря на то что углеводороды включают в себя только два элемента, количество их огромно. Это объясняется тем, что углерод и водород могут соединяться между собой в самых различных сочетаниях и пропорциях. Поэтому свойства углеводородов очень различны, и их изучением занимается большой раздел химии — химия органических веществ.

Углеводороды могут быть жидкими, газообразными и твердыми. Одни из них легче воды и кипят при более низких температурах, другие тяжелее — и кипят при более высоких. Весьма различен у них удельный вес или плотность (напомним, что удельным весом называют число, показывающее, во сколько раз объем какого‑либо вещества тяжелее или легче такого же объема воды, взятой при 4 градусах). Важнейшим свойством нефти и ее продуктов, на котором основана первичная перегонка нефти, является их способность испаряться. В состав нефти входят такие углеводороды, которые начинают испаряться даже при обыкновенной температуре. Если нефть оставить стоять в открытом сосуде без подогрева более или менее продолжительное время, то часть ее испарится, а оставшаяся часть сделается плотнее и гуще.

Вследствие того, что в состав нефти входят различные углеводороды с различной температурой кипения, нефть не имеет постоянной точки кипения, как, например, вода. Если мы станем нагревать в сосуде воду, то заметим следующее явление: термометр, погруженный в воду, вначале будет показывать постоянное повышение температуры, но как только температура достигнет 100 градусов, повышение прекратится. И дальше, сколько бы мы ни нагревали сосуд, температура не будет расти, пока не испарится вся вода. Это объясняется однородностью воды, то есть тем, что вода состоит из одинаковых молекул.

Совершенно другую картину мы будем наблюдать при нагревании в сосуде нефти. В этом случае, сколько бы мы ни подводили тепло, рост температуры не остановится. Причем в начале нагревания будут испаряться самые легкие по удельному весу углеводороды, из смеси которых получается бензин, затем более тяжелые — образующие керосин, солярку и смазочные масла. На этом принципе была основана первичная перегонка нефти. До изобретения крекинга на крупных керосиновых заводах перегонка велась в больших перегонных кубах, в которые постоянно впускали в больших количествах перегретый водяной пар и одновременно подогревали нефть из топки под котлом, сжигая уголь или горючий газ. Проходя через нефть, пар увлекал за собой наиболее легкие из нефтяных соединений с низкой температурой кипения и небольшим удельным весом. Эта смесь керосина и бензина с водой направлялась затем в холодильник и отстаивалась. Поскольку продукты перегонки были намного легче воды, они легко отделялись от нее. Затем происходил слив. Сначала стекал верхний слой с удельной плотностью до 0, 77 — бензин, который направляли в отдельный бак. Потом сливали керосин, то есть более тяжелые углеводороды с плотностью до 0, 86. Полученный таким образом сырой керосин горел плохо. Требовалась его очистка. Для этого его сначала обрабатывали сильным (66%) раствором серной кислоты, а затем раствором едкого натра. В результате получался рафинированный керосин — совершенно бесцветный, не имевший резкого запаха и горевший ровным пламенем, без гари и копоти.

В состав нефти входят еще и такие тяжелые углеводороды, которые, прежде чем достичь своей точки кипения, начинают разлагаться, и чем более нагревать нефть, тем интенсивнее будет происходить разложение. Сущность этого явления сводится к тому, что из одной большой молекулы тяжелого углеводорода образуется несколько более мелких молекул с разной температурой кипения и разным удельным весом. Это разложение стали называть крекингом (от английского to crack — разламываться, раскалываться). Таким образом, под крекингом надо понимать разложение под влиянием высокой температуры (и не только температуры, разложение может наступать, к примеру, от высокого давления и по некоторым другим причинам) сложных и крупных частиц углеводородов на более простые и мелкие. Существенным отличием крекинг‑процесса от первичной перегонки является то, что при крекинге происходит химическое изменение ряда углеводородов, тогда как при первичной перегонке идет простое разделение отдельных частей, или, как говорят, фракций, нефти в зависимости от точек их кипения.

Явление разложения нефти было замечено давно, но при обыкновенной перегонке нефти такое разложение было нежелательным, поэтому здесь и использовался перегретый пар, который способствовал испарению нефти без разложения. Нефтеперерабатывающая промышленность прошла в своем развитии через несколько этапов. Вначале (с 60‑х гг. XIX в. и вплоть до начала XX в.) переработка нефти носила ярко выраженный керосиновый характер, то есть основным продуктом нефтепереработки являлся керосин, который оставался в течение полувека основным источником света. На русских нефтеперерабатывающих заводах, к примеру, образующиеся в ходе перегонки более легкие фракции рассматривались как отходы: их сжигали в ямах или сбрасывали в водоемы.

Однако интенсивное развитие автомобильного транспорта расставило другие акценты. Если в США в 1913 году насчитывалось 1 млн 250 тыс. автомобилей, то в 1917 году — около 5 млн, 1918 году — 6, 25 млн, а в 1922 году — уже 12 млн. Бензин, который в XIX веке очень мало находил применения и являлся почти что ненужным отбросом, постепенно сделался главной целью перегонки. С 1900 по 1912 год мировое потребление бензина возросло в 115 раз. Между тем при перегонке даже богатой легкими фракциями нефти на бензин приходилось всего около 1/5 от общего объема выхода. Тогда и возникла идея подвергать тяжелые фракции, выделившиеся после первичной перегонки, крекингу и получать из них тем самым более легкие бензиновые фракции. Вскоре было установлено, что исходным сырьем для крекинга могут служить не только тяжелые фракции (солярка или мазут), но и сырая нефть. Оказалось также, что крекинг‑бензин превосходит по качеству тот, что получен путем обычной перегонки, так как имеет в своем составе такие углеводороды, которые плавно сгорают в цилиндрах двигателя без взрывов (детонации). Двигатель, работающий на таком бензине, не стучит и служит дольше.

При жидкостном крекинге основными моментами, определяющими сущность всего процесса, являются: температура и время, в течение которого продукт находится под влиянием этой температуры. Нефть начинает разлагаться уже при 200 градусах. Далее, чем выше будет температура, тем интенсивнее идет разложение. Точно так же — чем дольше длится крекинг, тем больше выход легких фракций. Однако при слишком высокой температуре и большой длительности крекинга процесс идет совсем не так, как требуется — молекулы расщепляются не на равные части, а дробятся так, что с одной стороны получаются слишком легкие фракции, а с другой — слишком тяжелые. Или же вообще происходит полное разложение углеводородов на водород и углерод (кокс), что, конечно же, очень нежелательно.

Оптимальные условия для крекинга, дающие наибольший выход легких бензиновых фракций, были найдены в начале XX века английским химиком Бартоном. Еще в 1890 году Бартон занимался в Англии перегонкой под давлением русских тяжелых масел (мазута) для получения из них керосина, а в 1913 году он взял американский патент на первый в истории способ получения бензина из тяжелых нефтяных фракций. Впервые крекинг‑процесс по способу Бартона в промышленных условиях был осуществлен в 1916 году, а к 1920 году в производстве находилось уже более 800 его установок.

Наиболее благоприятная температура для крекинга — 425‑475 градусов. Однако если просто нагревать сырую нефть до такой высокой температуры, большая часть ее испарится. Крекинг продуктов в парообразном состоянии был связан с некоторыми трудностями, поэтому целью Бартона было не дать нефти испаряться. Но как добиться такого состояния, чтобы при нагревании нефть не закипала? Это возможно, если проводить весь процесс под высоким давлением. Известно, что под большим давлением любая жидкость закипает при более высокой, чем при нормальных условиях, температуре, и эта температура тем выше, чем больше давление.

Установка имела следующее устройство. Работающий под давлением котел (1) находился над топкою (1а), снабженной дымогарной трубой (4). Котел изготавливался из хорошего прочного железа с толщиной стенок около 2 см и был тщательно проклепан. Поднимающаяся вверх труба (5) вела к водяному холодильнику (6), откуда трубопровод (7) шел к сборному резервуару (8). После того как продукт крекинга проходил через счетный аппарат для жидкостей (10), находившаяся на днище этого резервуара труба (9) разветвлялась на две боковые трубки (10а и 10в). Каждая боковая трубка снабжалась контрольным краном; одна из них вела к трубе 11, а другая к трубе 12.

В начале крекинга котел (1) наполняли мазутом. Благодаря теплу печи (1а) содержимое котла медленно нагревалось приблизительно до 130 градусов. При этом из мазута испарялись остатки содержащейся в нем воды. Сгущаясь в холодильнике (6), вода стекала потом в резервуар (8), из которого через трубу (21) спускалась в канаву (22). Одновременно из мазута выходил воздух и другие газы. Они также попадали через холодильник в резервуар (8) и по трубе (14а) отводились в трубопровод (16).

После того как мазут избавлялся от воды, растворенного в нем воздуха и газов, он был готов к крекингу. Топку усиливали, и температура в котле медленно повышалась до 345 градусов. При этом начиналось испарение легких углеводородов, которые даже в холодильнике оставались в газообразном состоянии. Они попадали в резервуар (8), а затем через трубу 14а (выходной кран которой был закрыт) в трубопровод (17), трубу (14) и обратно в резервуар (8). Так как эти легкие газообразные фракции не находили выхода, давление внутри установки начинало повышаться. Когда оно достигало 5 атм, легкие углеводороды уже не могли улетучиваться из главного котла. Эти сжатые газы поддерживали одинаковое давление в котле (1), холодильнике (6) и резервуаре (8). Между тем под влиянием высокой температуры происходил процесс расщепления тяжелых углеводородов, которые превращались в более легкие, то есть в бензин. При температуре порядка 250 градусов они испарялись, попадали в холодильник и здесь конденсировались. Из холодильника бензин перетекал в резервуар (8) и по трубе 9, а потом 11 или 12 поступал в специальные уплотненные котлы. Здесь при пониженном давлении из бензина испарялись растворенные в нем легкие газообразные углеводороды. Эти газы постепенно удалялись из котлов, а полученный сырой бензин сливался в специальные баки.

По мере испарения легких фракций с повышением температуры содержимое в котле (1) становилось все более упорным по отношению к теплоте. Работа прерывалась как только более половины его содержимого превращалось в бензин и проходило через холодильник. (Это количество было легко рассчитать благодаря счетчику жидкости (10).) После этого соединение с трубопроводом (17) прерывалось, а кран трубопровода (14а), соединенный с компрессором, открывался, и газ медленно улетучивался в компрессор низкого давления (одновременно закрывался трубопровод (9), прерывая связь установки с полученным бензином). Топку гасили, и когда содержимое котла (1) остывало, его сливали. Затем котел очищали от коксового налета и приготавливали к следующему запуску.

Метод крекинга, разработанный Бартоном, положил начало новому этапу в нефтеперерабатывающей промышленности. Благодаря ему удалось повысить в несколько раз выход таких ценных нефтепродуктов, как бензин и ароматические углеводороды.

75. ПОТОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Большинство великих изобретений, рассмотренных нами выше, относятся к области техники. Испокон веков технические усовершенствования позволяли революционизировать производство, многократно повышая производительность труда. Но изобретение, о котором пойдет речь в этой главе, имеет совсем другую природу — оно не из области техники и является, по существу, тем, что принято называть научной организацией труда. Оказалось, что эта область отношений, на которую долгое время не обращали должного внимания, таит в себе колоссальные возможности и может произвести в производстве революцию, равную по своему значению внедрению паровой машины или электрических моторов. Впервые огромное значение правильной организации труда продемонстрировал на своих заводах выдающийся американский предприниматель и инженер Генри Форд. Сын небогатого фермера, он за несколько лет благодаря ясному уму, холодному расчету и гениальной интуиции приобрел многомиллионное состояние и сделался одним из богатейших людей мира. Форд был блестящим инженером, талантливым изобретателем, виртуозным бизнесменом и оригинальным философом. Но все же прославился он не своими изобретательскими талантами или деловыми качествами, а тем, что разработал, воплотил в жизнь и довел до совершенства идею массового поточного конвейерного производства. Нет сомнений, что организация поточного производства — одно из величайших изобретений XX века, благодаря которому человечество за последние восемьдесят лет получило невиданный прирост материальных благ. С его повсеместным внедрением промышленность развитых стран как бы вышла на новый, качественно другой уровень и оказалась через несколько десятилетий готовой к внедрению новых высоких технологий — всеобъемлющей механизации, автоматизации и роботизации производства, то есть всего того, что принесла научно‑техническая революция 50‑90‑х годов нашего века.

А начиналось все очень скромно. В 1893 году Генри Форд (работавший тогда механиком в электрической компании Детройта) собрал автомобиль на газовом двигателе. Это была первая автомашина в городе и одна из немногих в Америке. Через несколько лет Форду удалось организовать «Детройтскую автомобильную компанию», в которой он занял пост главного инженера. Компания наладила выпуск автомобилей конструкции Форда, но дела ее шли неважно, так как голос Форда не имел тогда большого веса, и многие вопросы решались вопреки его рекомендациям. В 1902 году Форд отказался от своего поста, ушел из компании и с головой погрузился в конструирование нового автомобиля. Когда машина была готова, он выступил на состязаниях и победил гоночного чемпиона Америки Александра Уинтона. В 1903 году он создал новый гоночный автомобиль «999» — настоящий монстр с двигателем в 80 л.с. На этой машине гонщик Барни Олдфилд выиграл гонки 1903 года, на целый километр опередив своих соперников.

Две эти замечательные победы привлекли внимание деловых кругов к машинам Форда. В том же году было основано «Общество автомобилей Форда», в котором Генри Форд был товарищем председателя, главным инженером и директором. В последующие годы Форд постепенно скупал акции компании. В 1906 году он имел уже контрольный пакет, а к 1919 году — 92% акций. Причем за каждую акцию, которая в 1903 году стоила всего 100 долларов, он платил в 1919 году по 12500 долларов, то есть акции за 15 лет подскочили в цене в 125 раз! Это говорило о редком даже по американским меркам коммерческом успехе предприятия. За первый год существования компании было реализовано 1700 автомобилей. По тем временам это считалось неплохим показателем. Акционеры были довольны, но сам Форд считал, что 1700 автомобилей в год — это смехотворно мало. Уже тогда он мечтал выпускать такое же количество машин в день. Эти планы могли показаться беспочвенными, между тем они основывались на точном расчете. Более того, Форд был уверен, что 1000‑2000 производимых в день машин — это далеко не предел и что для такой страны, как Америка; можно производить по 6‑8 тысяч и даже по 10 тысяч машин в день! И их не только можно выпускать, но и с успехом продавать, наживая хорошие деньги.

В начале XX века, когда автомобиль был еще в новинку, многие смотрели на него как на приятную, но чрезвычайно дорогую игрушку, доступную только для богачей. В самом деле, автомобили, выпускаемые в то время в Европе, были очень дорогими, так что немногие могли позволить себе удовольствие иметь их. Автомобильные фирмы не только не старались рассеять это мнение, но, напротив, всячески его обыгрывали. Весь автомобильный бизнес был ориентирован на высшие слои общества: автомобили были изысканы и выпускались небольшими сериями. Постоянно подчеркивалось, что автомашина — это предмет роскоши или спорта, необходимый элемент веселой, элегантной и аристократической жизни.

Между тем политика Форда имела совершенно противоположное направление. С самого начала он старался доказать, что автомобиль не роскошь, а необходимый предмет в обиходе современного человека. Чтобы сделать автомашину доступной самым широким слоям общества, он то и дело снижал цены на свои «форды», отказываясь от сиюминутной сверхприбыли, ради расширения сбыта. Он не хотел гнаться за модой и не желал выпускать новых моделей, так как считал, что лучше завоевать доверие покупателей беспрерывно совершенствуя одну и ту же модель. Он считал также, что коммерческий успех той или иной модели зависит в первую очередь не от внешнего вида автомобиля, а от того, насколько прочна и долговечна каждая его деталь и насколько всеобъемлющим окажется сервисное обслуживание фирмы‑производителя. В то время большинство фабрикантов после продажи автомобиля прекращали всякие дела с покупателем и были даже несколько заинтересованы в том, чтобы автомобиль, проданный ими, быстрее испортился. Форд ни в коей мере не придерживался таких взглядов и уделял большое внимание созданию сети ремонтных мастерских, производству запчастей и техническому обслуживанию уже реализованных машин. Всякий покупатель его автомобиля имел право на ряд услуг со стороны компании в отношении ремонта и помощи в эксплуатации.

Впрочем, Форду не сразу удалось воплотить свои планы в жизнь. Несколько лет, как уже говорилось, он не был полновластным хозяином предприятия. Совершенной модели автомобиля, на производстве которой можно было бы сосредоточить все свои усилия, тоже пока не было. Только получив в свои руки контрольный пакет, Форд смог развернуться во всю ширь. В 1908 году была разработана конструкция недорогого, но очень надежного автомобиля, получившего наименование модели "Т". Она не содержала ни одного нового узла, который в том или ином виде не был бы уже опробован в какой‑нибудь из предыдущих моделей. Новым являлся лишь материал, из которого была сделана большая часть деталей машины, — ванадиевая сталь, обладавшая удивительной легкостью и вместе с тем замечательной прочностью. Этот автомобиль сделал Форда миллионером, знаменитостью и одним из королей американской промышленности.

Создав свой совершенный автомобиль, Форд решил отныне не заниматься его модернизацией, а сосредоточиться на массовом выпуске этой единственной модели. Его планы вызвали переполох как среди акционеров, так и среди агентов по продаже. Все в один голос говорили, что рынок требует разнообразия, и единая модель оттолкнет значительную часть покупателей. На это Форд уверенно возражал, что 95% покупателей сами не знают, чего они хотят, и если им внушить доверие к новой марке, они не станут предъявлять особых претензий. Он потратил огромные деньги на рекламу, наводнив все газеты объявлениями, в которых доказывалось, что модель "Т" отвечает всем требованиям, какие только можно предъявить к совершенному автомобилю. Он постоянно подчеркивал, что его машина — не для богатых, что она предназначена для «среднего» американца, что это «семейная», «народная» машина и т.п. Все это были совершенно новые приемы в автомобильном бизнесе. До этого никто не верил, что можно изготовить недорогой, но хороший автомобиль и что вообще можно найти покупателей для автомобиля в широких кругах городской и деревенской буржуазии.

Форд первым доказал, что все это возможно. Его портативный, простой и дешевый автомобиль, доступный любому среднему американцу, как нельзя лучше отвечал требованиям времени. К 1910 году было продано уже 10 тысяч «фордов Т», а в 1911‑1912 годах — 34 тысячи. Производство стремительно набирало обороты. Форд купил в пригороде Детройта, в Хайленд‑Парке, большой участок земли и начал здесь постройку огромного завода, рассчитанного на выпуск уже не тысяч, а миллионов автомобилей. Это был совершенно новый тип массового поточного производства, ранее в таких масштабах никогда и нигде не применявшийся. Именно Форд впервые сделал конвейер главной осью сборочного процесса и совершенно по‑новому разработал систему разложения сложных трудоемких процессов на составные части. Он же первый осуществил идею максимально дешевого, но массового автомобиля. Это были три кита, на которых основывалось невиданное процветание его предприятия.

Сила Форда заключалась в организации труда. Все процессы на его предприятиях, от отливки деталей до завинчивания ничтожной гайки, были рационализированы с таким совершенством, какого до него никто и никогда не достигал. Производственный поток двигался от источников сырья к готовой машине, нигде не поворачивая назад. Первоначально на заводе в Хайленд‑Парке сборка автомобилей производилась при помощи рабочих бригад, которые передвигались по цеху с ручными тележками и подвозили к каждому автомобилю соответствующие части для сборки. Сборочные бригады переходили от одного автомобиля к другому и таким путем собирали весь автомобиль от начала до конца.

В усовершенствованной системе Форд оставил рабочих неподвижными, а материалы стал провозить мимо них вручную. Вскоре была устроена короткая линия для окончательной сборки машин, где части перемещались мимо рабочих с помощью механической силы. Эта система по мере дальнейшего усовершенствования превратилась в конвейер. Впервые опыт со сборочным путем был произведен в апреле 1913 года на сборке магнето. До этого один рабочий в течение девяти часов рабочего дня мог собрать от 35 до 40 магнето, то есть затрачивал на каждое около 20 минут. После введения конвейера время, затрачиваемое на сборку одного магнето, сократилось до 13 минут. Несколько дней Форд простоял возле работающего конвейера, наблюдая за каждым движением рабочих. Он заметил, что сборщикам приходится нагибаться во время работы из‑за того, что конвейер располагается слишком низко. Он остановил производство и велел поднять конвейер на 8 дюймов. После этого время сборки одного магнето сократилось до 7 минут. Новые усовершенствования довели его до 5 минут. Не затрачивая средств на новые машины или материалы, одним только разложением процесса сборки на 45 простейших операций и передвижением материала мимо стоявших в достаточно удобной позе и неподвижных рабочих Форд добился поразительных результатов, увеличив производительность труда почти в 4 раза.

Вскоре конвейер был применен при сборке шасси. По старому способу сборка одного шасси требовала 12 часов 8 минут. Когда попробовали разбить ее на несколько простых операций и устроили примитивный конвейер (с помощью каната и ворота шасси тянули мимо линии рабочих) сборка сократилась до 5 часов 50 минут. Форд продолжал совершенствовать конвейер. Приноравливаясь к среднему росту рабочих, он попробовал прокладывать сборные пути на разной высоте. Его инженеры трудились над раздроблением всех сложных процессов на составные части. Каждый рабочий должен был делать все меньше и меньше разнообразных движений руками. В результате всех этих усовершенствований время сборки одного шасси сократилось до 1 часа 33 минут. При этом процесс разделения труда был доведен буквально до предела: если один рабочий вгонял болт, то гайку ставил другой, а завинчивал ее третий.

Рабочий в фордовском производстве превратился в настоящий придаток машины. На конвейере во время работы он не мог сделать лишнего шага или движения. Инструменты его должны были располагаться так, чтобы ему не приходилось искать их или наклоняться за ними. Ритм сборки воздействовал сильнее самых свирепых надсмотрщиков. Благодаря ему Форд добивался максимальных темпов, каких только можно было достичь без ущерба для качества работы.

Однако, несмотря на это, безработные со всей Америки стремились попасть к Форду, привлеченные высокой заработной платой. Поскольку производственный процесс разбивался на простейшие операции, Форд почти не нуждался в квалифицированных рабочих. Он охотно принимал к себе людей совершенно неквалифицированных, невежественных, даже калек. Уже в 1915 году, едва ли не первым из крупных промышленников, Форд ввел 5‑дневную рабочую неделю и сократил рабочий день до 8 часов. Впрочем, интенсивность труда на его предприятиях была такой высокой, что стоила 10 часов работы на любом другом заводе. Каждая секунда требовала полнейшей самоотдачи. Семь часов рабочий бесчисленное количество раз повторял одно и то же движение. Разговаривать, курить или садиться во время работы строго запрещалось. Если кому‑то требовалось выйти, он поднимал палец и ждал, пока надсмотрщик не присылал на его место заместителя. Во время перерыва, который продолжался всего 15 минут, в цех с разных сторон въезжали тележки, нагруженные пакетиками со стандартными завтраками, включавшими три бутерброда, кусок сладкого пирога, яблоко или апельсин. Ели рабочие прямо у станка — выходить из цеха без особого разрешения запрещалось.

Успех конвейерной сборки был настолько очевиден, что через некоторое время эта система была перенесена на все цеха фордовского завода. Все предприятия, вовлеченные Фордом в его производство, также должны были переходить на поточный метод. Купив однажды стекольный завод, Форд предложил местным специалистам производить зеркальное стекло для автомобилей непрерывной широкой лентой, без помощи ручного труда, механизируя все процессы от начала до конца. Эксперты и специалисты категорически заявили, что изменить способ производства технически невозможно. Тогда Форд послал на завод людей, никогда ранее стекольным делом не занимавшихся. Через год его инженеры разработали блестящий метод полной механизации производства. По всему заводу были установлены конвейеры и новые машины. В результате завод стал выпускать 1 млн квадратных метров первоклассного зеркального стекла в год. Площадь его по сравнению с другими стекольными заводами была вдвое меньше, а производительность — вдвое больше. После проведенной реорганизации это предприятие стало сберегать Форду 3 млн долларов в год.

Перестроив все производство и непрерывно наращивая его объемы, Форд достиг через несколько лет своей вожделенной мечты — каждый день на всех его заводах производилось 10 тысяч автомобилей, и все они находили сбыт. Во многом благодаря Форду автомобиль стал национальной особенностью Америки. Если в 1900 году в США один автомобиль приходился на 9000 человек, то в 1929 году — один автомобиль на каждые 5 человек. Всего же к этому времени по дорогам Америки бегало 26 миллионов стандартных «фордов Т», отличавшихся только цветом и формой кузова. США имели в несколько раз больше автомобилей, чем все остальные страны мира вместе взятые, причем собственниками автомашин здесь были не только богачи, не только представители среднего класса, но также многие рабочие и фермеры. Это обстоятельство изменило облик самой страны. Если в 1893 году американские дороги считались чуть ли не самыми скверными в мире, то через каких‑нибудь 20‑30 лет повсюду были проложены прекрасные шоссе, по которым в обе стороны двигался поток автомобилей. Почти все автомобили были собраны на заводах Форда.

Производство такого масштаба поставило перед Фордом много сложных задач. Так, например, Форд должен был отказаться от мысли производить все свои машины в Детройте, поскольку это породило бы неразрешимые транспортные проблемы. Вместо этого он разбросал по всему миру свои сборочные заводы, которые производили из готовых деталей столько машин, сколько было возможно продать в этом месте. Перевозить машины в разобранном виде вообще оказалось выгоднее. Один товарный вагон мог, к примеру, вместить всего 7 готовых автомобилей. В разобранном же виде в него можно было погрузить 130 машин то есть вместо 18 вагонов использовался только один. Благодаря прекрасно отлаженной организации Форду удалось сократить цикл производства с 21 до 14 дней. (Производственный цикл — это период, во время которого деньги, вложенные в какое‑либо предприятие, остаются связанными, он включает в себя время от покупки сырья до продажи готового автомобиля.) Таким образом, Форд получил возможность поддерживать высокий уровень производства двумя третями прежнего капитала. При огромных масштабах его деятельности это означало десятки миллионов долларов экономии в год.

В течение двух десятилетий Форд безраздельно господствовал на рынке дешевых машин. Никто из его конкурентов не мог за ту же цену дать машину равного качества. «Форд Т» занял особое положение среди автомобилей других фирм.

Завоевав американский рынок, Форд двинул свои машины в Европу. Сначала европейские автомобильные фирмы свысока смотрели на его невзрачные и неброские машины, но они вскоре поняли, что сильно недооценили этого конкурента. На всех гонках и ралли «форды» демонстрировали поразительную надежность и прекрасные ходовые качества, цена же их была на порядок ниже, чем у европейских машин. Средний класс в Европе, так же как и в Америке, не устоял перед искушением иметь свою пусть не шикарную, но надежную и неприхотливую машину. Почти во всех странах мира вскоре появились фордовские отделения, представительства и сборочные мастерские. В Канаде и Манчестере были построены крупные автомобильные заводы, а в Корке — тракторный завод.

76. ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАМПА

Изобретение электронной лампы напрямую связано с развитием техники освещения. В начале 80‑х годов XIX века знаменитый американский изобретатель Эдисон занимался усовершенствованием лампы накаливания. Одним из ее недостатков было постепенное уменьшение световой отдачи из‑за потускнения баллона вследствие появления темного пятна на внутренней стороне стекла. Исследуя в 1883 году причины этого эффекта, Эдисон заметил, что часто на потускневшем стекле баллона в плоскости петли нити оставалась светлая, почти незатемненная полоса, причем эта полоса всегда оказывалась с той стороны лампы, где находился положительный ввод накальной цепи. Дело выглядело так, будто часть угольной нити накала, примыкающая к отрицательному вводу, испускала из себя мельчайшие материальные частицы. Пролетая мимо положительной стороны нити, они покрывали внутреннюю сторону стеклянного баллона всюду, за исключением той линии на поверхности стекла, которая как бы заслонялась положительной стороной нити. Картина этого явления стала более очевидна, когда Эдисон ввел внутрь стеклянного баллона небольшую металлическую пластину, расположив ее между вводами нити накала. Соединив эту пластинку через гальванометр с положительным электродом нити, можно было наблюдать текущий через пространство внутри баллона электрический ток.

Эдисон предположил, что поток угольных частичек, испускаемых отрицательной стороной нити, делает часть пути между нитью и введенной им пластинкой проводящим, и установил, что поток этот пропорционален степени накала нити, или, другими словами, световой мощи самой лампы. На этом, собственно, и заканчивается исследование Эдисона. Американский изобретатель не мог тогда и представить, на пороге какого величайшего научного открытия он стоял. Прошло почти 20 лет, прежде чем наблюдавшееся Эдисоном явление получило свое правильное всестороннее объяснение.

Оказалось, что при сильном нагревании нити лампы, помещенной в вакуум, она начинает испускать в окружающее пространство электроны. Этот процесс получил название термоэлектронной эмиссии, и его можно рассматривать как испарение электронов из материала нити. Мысль о возможности практического использования «эффекта Эдисона» впервые пришла в голову английскому ученому Флемингу, который в 1904 году создал основанный на этом принципе детектор, получивший название «двухэлектродной трубки», или «диода» Флеминга. Лампа Флеминга представляла собой обычный стеклянный баллон, заполненный разреженным газом. Внутри баллона помещалась нить накала вместе с охватывавшим ее металлическим цилиндром. Нагретый электрод лампы непрерывно испускал электроны, которые образовывали вокруг него «электронное облако». Чем выше была температура электрода, тем выше оказывалась плотность электронного облака. При подключении электродов лампы к источнику тока между ними возникало электрическое поле. Если положительный полюс источника соединяли с холодным электродом (анодом), а отрицательный — с нагретым (катодом), то под действием электрического поля электроны частично покидали электронное облако и устремлялись к холодному электроду. Таким образом между катодом и анодом устанавливался электрический ток. При противоположном включении источника отрицательно заряженный анод отталкивал от себя электроны, а положительно заряженный катод — притягивал. В этом случае электрического тока не возникало. То есть диод Флеминга обладал ярко выраженной односторонней проводимостью. Будучи включенной в приемную схему, лампа действовала подобно выпрямителю, пропуская ток в одном направлении и не пропуская в обратном, и могла служить таким образом волноуказателем — детектором. Для некоторого повышения чувствительности лампы подавался соответствующим образом подобранный положительный потенциал. В принципе приемная схема с лампой Флеминга почти ничем не отличалась от других радиосхем того времени. Она уступала в чувствительности схеме с детектором магнитного типа, но обладала несравненно большей надежностью.

Дальнейшим выдающимся достижением в области совершенствования и технического применения электронной лампы стало изобретение в 1907 году американским инженером Де Форестом лампы, содержащей дополнительный третий электрод. Этот третий электрод был назван изобретателем «сеткой», а сама лампа — «аудином», но в практике за ней закрепилось другое название — «триод». Третий электрод, как это видно уже из его названия, был не сплошным и мог пропускать электроны, летевшие от катода к аноду. Когда между сеткой и катодом включался источник напряжения, между этими электродами возникало электрическое поле, сильно влияющее на количество электронов, достигающих анода, то есть на силу тока, текущего через лампу (силу анодного тока). При уменьшении напряжения, подаваемого на сетку, сила анодного тока уменьшалась, при увеличении — возрастала. Если на сетку подавали отрицательное напряжение, анодный ток вообще прекращался — лампа оказывалась «запертой». Замечательное свойство триода состояло в том, что управляющий ток мог быть во много раз меньше основного — ничтожные изменения напряжения между сеткой и катодом вызывали довольно значительные изменения анодного тока. Последнее обстоятельство позволяло использовать лампу для усиления малых переменных напряжений и открывало перед ней необычайно широкие возможности для практического применения. Появление трехэлектродной лампы повлекло за собой быструю эволюцию радиоприемных схем, так как возникла возможность в десятки и сотни раз усиливать принимаемый сигнал. Многократно возросла чувствительность приемников. Одна из ранних схем лампового приемника была предложена уже в 1907 году тем же Де Форестом.

Между антенной и заземлением здесь включен контур LC, на зажимах которого возникает переменное напряжение высокой частоты, образовавшееся под действием энергии, полученной из антенны. Это напряжение подавалось на сетку лампы и управляло колебаниями анодного тока. Таким образом, в анодной цепи получались усиленные колебания принимаемого сигнала, которые могли приводить в движение мембрану телефона, включенного в ту же цепь.

Первая трехэлектродная лампа‑аудин Де Фореста имела множество недостатков. Расположение электродов в ней было таким, что большая часть электронного потока попадала не на анод, а на стеклянный баллон. Управляющее влияние сетки оказывалось недостаточным. Лампа была плохо откачана и содержала значительное число молекул газа. Они ионизировались и непрерывно бомбардировали нить накала, оказывая на нее разрушительное воздействие.

В 1910 году немецкий инженер Либен создал усовершенствованную электронную лампу‑триод, в которой сетка была выполнена в форме перфорированного листа алюминия и помещалась в центре баллона, деля его на две части. В нижней части лампы находилась нить накала, в верхней — анод. Такое расположение сетки позволяло усиливать ее управляющее действие, так как через нее проходил весь электронный поток. Анод в этой лампе имел форму прутика или спирали из алюминиевой проволоки, а катодом служила платиновая нить. Особое внимание Либен обратил на увеличение эмиссионных свойств лампы. В этих целях впервые было предложено покрывать нить накала тонким слоем окисла кальция или бария. Кроме того, в баллон вводились ртутные пары, которые создавали дополнительную ионизацию и увеличивали тем самым катодный ток.

Итак, электронная лампа сначала вошла в обиход в качестве детектора, потом — усилителя. Но ведущее место в радиотехнике она завоевала только после того, как была обнаружена возможность использовать ее для генерирования незатухающих электрических колебаний. Самый первый ламповый генератор создал в 1913 году замечательный немецкий радиотехник Мейсснер. На основе триода Либена он построил также первый в мире радиотелефонный передатчик и в июне 1913 года осуществил радиотелефонную связь между Науэном и Берлином на расстоянии 36 км.

Ламповый генератор содержал колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности L и конденсатора C. Уже говорилось, что если такой конденсатор зарядить, то в контуре возникают затухающие колебания. Чтобы колебания не затухали, нужно компенсировать потери энергии за каждый период.

Следовательно, энергия от источника постоянного напряжения должна периодически поступать в контур. С этой целью в электрическую цепь колебательного контура включали ламповый триод, так что колебания с контура подавались на его сетку. В анодную цепь лампы включалась катушка Lc, индуктивно связанная с катушкой L колебательного контура. В момент включения схемы ток от батареи, постепенно нарастая, движется через триод и катушку Lc. При этом по закону электромагнитной индукции в катушке L будет находиться электрический ток, который заряжает конденсатор C. Напряжение с пластин конденсатора, как это видно из схемы, подается на катод и сетку. При включении положительно заряженная пластина конденсатора соединяется с сеткой, то есть заряжает ее положительно, что способствует росту тока, проходящего через катушку Lc. Это будет продолжаться до тех пор, пока анодный ток не достигнет максимума (ведь ток в лампе определяется количеством электронов, испаряемых с катода, а их число не может быть беспредельно — возрастая до какого‑то максимума, этот ток уже больше не увеличивается при росте сеточного напряжения). Когда это произойдет, через катушку Lc потечет постоянный ток. Поскольку индуктивная связь осуществляется только при переменном токе, в катушке L тока не будет. В связи с этим конденсатор начнет разряжаться. Положительный заряд сетки, следовательно, будет уменьшаться, а это немедленно скажется на величине анодного тока — он тоже будет уменьшаться. Следовательно, и ток через катушку Lc будет убывающим, что создаст в катушке L ток противоположного направления. Поэтому, когда конденсатор C окажется разряженным, уменьшающийся ток через Lc будет по‑прежнему индуктировать ток в катушке L, вследствие чего пластины конденсатора будут заряжаться, но в противоположном направлении, так что на пластине, связанной с сеткой, будет накапливаться отрицательный заряд. Это вызовет в конце концов полное прекращение анодного тока — протекание тока через катушку L вновь прекратится, и конденсатор начнет разряжаться. Вследствие этого отрицательный заряд на сетке будет все меньше и меньше, снова появится анодный ток, который будет возрастать. Так весь процесс повторится сначала. Из этого описания видно, что через сетку лампы будет протекать переменный ток, частота которого равна собственной частоте колебательного контура LC. Но эти колебания будут не затухающими, а постоянными, поскольку они поддерживаются путем постоянного добавления энергии батареи через катушку Lc, индуктивно связанную с катушкой L.

Изобретение лампового генератора позволило сделать важный шаг в технике радиосвязи — кроме передачи телеграфных сигналов, состоявших из коротких и более продолжительных импульсов, стала возможна надежная и высококачественная радиотелефонная связь — то есть передача с помощью электромагнитных волн человеческой речи и музыки. Может показаться, что радиотелефонная связь не имеет в себе ничего сложного. В самом дела, звуковые колебания с помощью микрофона легко преобразуются в электрические. Почему бы, усилив их и подав в антенну, не передавать на расстояние речь и музыку точно так же, как передавался до этого код Морзе? Однако в действительности такой способ передачи неосуществим, так как через антенну хорошо излучаются только мощные колебания высокой частоты. А медленные колебания звуковой частоты возбуждают в пространстве настолько слабые электромагнитные волны, что принять их нет никакой возможности. Поэтому до создания ламповых генераторов, вырабатывающих колебания высокой частоты, радиотелефонная связь представлялась чрезвычайно сложным делом. Для передачи звука эти колебания изменяют или, как говорят, модулируют с помощью колебаний низкой (звуковой) частоты. Суть модуляции заключается в том, что высокочастотные колебания генератора и низкочастотные от микрофона накладываются друг на друга и таким образом подаются в антенну.

Модуляция может происходить разными способами. Например, микрофон включается в цепь антенны. Так как сопротивление микрофона меняется под действием звуковых волн, ток в антенне будет в свою очередь меняться; иначе говоря, вместо колебаний с постоянной амплитудой, мы будем иметь колебания с изменяющейся амплитудой — модулированный ток высокой частоты.

Принятый приемником модулированный высокочастотный сигнал даже после усиления не способен вызвать колебания мембраны телефона или рупора громкоговорителя со звуковой частотой. Он может вызвать только высокочастотные колебания, не воспринимаемые нашим ухом. Поэтому в приемнике необходимо произвести обратный процесс — из высокочастотных модулированных колебаний выделить сигнал звуковой частоты — или, говоря другими словами, произвести детектирование сигнала.

Детектирование осуществлялось с помощью вакуумного диода. Диод, как уже говорилось, пропускал ток только в одном направлении, превращая переменный ток в пульсирующий. Этот пульсирующий ток сглаживался с помощью фильтра. Простейшим фильтром мог быть конденсатор, подключенный параллельно с телефонной трубкой. Работа фильтра происходила так. В тот момент времени, когда диод пропускал ток, часть его ответвлялась в конденсатор и заряжала его. В промежутках между импульсами, когда диод оказывался заперт, конденсатор разряжался на трубку. Поэтому в интервале между импульсами ток протекал через трубку в ту же сторону, что и сам импульс. Каждый следующий импульс подзаряжал конденсатор. Благодаря этому через трубку протекал ток звуковой частоты, форма которого почти полностью воспроизводила форму низкочастотного сигнала на передающей станции. После усиления электрические колебания низкой частоты превращались в звук; Простейший детекторный приемник состоит из колебательного контура, связанного с антенной, и присоединенной к контуру цепи, состоящей из детектора и телефона.

Первые электронные лампы были еще очень несовершенны. Но в 1915 году Лэнгмюр и Гедэ предложили эффективный способ откачки ламп до очень малых давлений, благодаря чему на смену ионным лампам пришли вакуумные. Это подняло электронную технику на значительно более высокий уровень.

77. ТАНК

Технические предпосылки для создания танка появились еще в конце XIX столетия — к тому времени были изобретены гусеничный движитель, двигатель внутреннего сгорания, броня, скорострельные пушки и пулеметы. Первый гусеничный трактор на паровом ходу создал еще в 1888 году американец Бэтером. Накануне Первой мировой войны, как уже отмечалось, появился промышленный гусеничный трактор «Холт», который можно считать непосредственным предшественником танка.

Но одних предпосылок было мало — недоставало насущной потребности. Только начавшаяся в 1914 году Первая мировая война жестко определила эту необходимость. Когда противники бросили в наступление миллионные армии, они никак не предполагали, что пулеметы и пушки буквально сметут идущие в атаку полки и дивизии. Громадные потери заставили солдат в конце концов скрыться в окопах и блиндажах. На Западе фронт застыл и превратился в сплошную линию укреплений, протянувшуюся от Ла‑Манша до границы со Швейцарией. Война зашла в так называемый позиционный тупик. Выход из него пытались найти при помощи артиллерии — тысячи орудий в течение нескольких дней, а то и недель перепахивали снарядами каждый метр неприятельских позиций. Казалось, там не осталось ничего живого. Но как только атакующая пехота выбиралась из окопов, уцелевшие пушки и пулеметы обороняющихся вновь наносили ей чудовищные потери. Вот тогда‑то на поле боя и появились танки.

Мысль создать боевую гусеничную машину, способную передвигаться по пересеченной местности через окопы, рвы и проволочные заграждения, впервые высказал в 1914 году английский полковник Суинтон. После обсуждения в различных инстанциях военное министерство в целом приняло его идею и сформулировало основные требования, которым должна была отвечать боевая машина. Она должна была быть небольшой, иметь гусеничный ход, пуленепробиваемую броню, преодолевать воронки до 4 м и проволочные заграждения, развивать скорость не менее 4 км/ч, иметь пушку и два пулемета. Основным назначением танка было разрушение проволочных заграждений и подавление пулеметов противника. Вскоре фирма Фостера за сорок дней создала на базе гусеничного трактора «Холт» боевую машину, получившую название «Маленький Вилли». Его главными конструкторами были инженер Триттон и лейтенант Вильсон.

«Маленький Вилли» был испытан в 1915 году и показал неплохие ходовые качества. В ноябре фирма «Холт» приступила к изготовлению новой машины. Конструкторам предстояла трудная проблема не утяжеляя танка, увеличить его длину на 1 м, чтобы он мог преодолевать четырехметровые окопы. В конце концов это удалось достигнуть за счет того, что обводу гусеницы придали форму параллелограмма. Кроме того, оказалось, что танк с трудом берет вертикальные насыпи и крутые возвышения. Чтобы увеличить высоту зацепа, Вильсон и Триттон придумали пустить гусеницу поверх корпуса. Это значительно повысило проходимость машины, но одновременно породило ряд других затруднений, связанных, в частности, с размещением пушек и пулеметов. Вооружение пришлось распределить по бортам, а чтобы пулеметы могли стрелять по курсу в сторону и назад, их установили в боковых выступах — спонсонах. В феврале 1916 года новый танк, названный «Большой Вилли», с успехом прошел ходовые испытания. Он мог преодолевать широкие окопы, двигаться по вспаханному полю, перебираться через стенки и насыпи высотой до 1, 8 м. Окопы до 3, 6 м не представляли для него серьезного препятствия.

Корпус танка представлял собой коробку‑каркас из уголков, к которым на болтах крепились бронированные листы. Броней была закрыта и ходовая часть, которая состояла из малых неподрессоренных опорных катков (тряска в машине была ужасной). Внутри «сухопутный крейсер» напоминал машинное отделение небольшого корабля, по которому можно было ходить, даже не пригибаясь. Для водителя и командира в передней части имелась отдельная рубка. Большую часть остального пространства занимали мотор «Даймлер», коробка передач и трансмиссия. Для пуска двигателя 3‑4 человека команды должны были вращать огромную пусковую рукоять, пока мотор не заводился с оглушительным ревом. На машинах первых марок внутри размещались еще и топливные баки. С обеих сторон двигателя оставались узкие проходы. Боеприпасы находились на полках между верхней частью двигателя и крышей. На ходу в танке скапливались выхлопные газы и пары бензина. Вентиляция не предусматривалась. Между тем жар от работающего двигателя вскоре делался невыносимым — температура достигала 50 градусов. Кроме того, при каждом выстреле пушки танк наполнялся едкими пороховыми газами. Экипаж не мог подолгу оставаться на боевых местах, угорал и страдал от перегрева. Даже в бою танкисты иной раз выскакивали наружу, чтобы вдохнуть свежего воздуха, не обращая при этом внимания на свист пуль и осколков. Существенным недостатком «Большого Вилли» оказались узкие гусеницы, которые вязли в мягкой почве. При этом тяжелый танк садился на грунт, пни и камни. Плохо было с наблюдением и связью — смотровые щели в бортах не обеспечивали осмотра, зато брызги от пуль, попавших вблизи них в броню, поражали танкистов в лицо и глаза. Радиосвязи не было. Для дальней связи держали почтовых голубей, для ближней — специальные сигнальные флажки. Не было и внутреннего переговорного устройства.

Управление танком требовало значительных усилий водителей и командира (последний отвечал за тормоза гусениц правого и левого борта). Танк имел три коробки передач — одну основную и по одной на каждом борту (каждая из них управляла специальной трансмиссией). Поворот осуществлялся или торможением одной гусеницы, или переключением одной из бортовых коробок передач в нейтральное положение, в то время как на другом борту включали первую или вторую передачу. С остановленной гусеницей танк разворачивался почти на месте.

Впервые танки были применены в бою 15 сентября 1916 года у деревни Флер‑Курслет в ходе грандиозного сражения на Сомме. Наступление англичан, начатое в июле, дало ничтожные результаты и весьма ощутимые потери. Тогда‑то главнокомандующий генерал Хейг решил бросить в бой танки. Всего их было 49, но на исходные позиции вышло только 32, остальные из‑за поломок остались в тылу. В атаке участвовали всего 18, но за несколько часов они продвинулись вместе с пехотой в глубь немецких позиций на 5 км на фронте такой же ширины. Хейг был доволен — по его мнению, именно новое оружие сократило потери пехоты в 20 раз против «нормы». Он немедленно направил требование в Лондон сразу на 1000 боевых машин.

В последующие годы англичане выпустили несколько модификаций Mk (таково было официальное название «Большого Вилли»). Каждая следующая модель была совершеннее предыдущей. Например, первый серийный танк Mk‑1 имел вес 28 тонн, передвигался со скоростью 4, 5 км/ч, был вооружен двумя пушками и тремя пулеметами. Экипаж его составляли 8 человек. Более поздний танк MkA имел скорость 9, 6 км/ч, вес — 18 тонн, экипаж — 5 человек, вооружение — 6 пулеметов. MkC при весе 19, 5 тонн развивал скорость 13 км/ч. Экипаж на этом танке состоял из четырех человек, а вооружение — из четырех пулеметов. Последний, созданный уже в 1918 году, плавающий танк MkI имел вращающуюся башню, экипаж из четырех человек и вооружение из трех пулеметов. При весе в 13, 5 тонн он развивал на суше скорость 43 км/ч, а на воде — 5 км/ч. Всего англичане изготовили за годы войны 3000 танков 13 различных модификаций.

Постепенно танки были приняты на вооружение и другими воюющими армиями. Первые французские танки были разработаны и выпущены фирмой «Шнейдер» в октябре 1916 года. Внешне они мало походили на своих английских собратьев — гусеницы не охватывали корпус, а располагались по его бортам или под ним. Ходовая часть подрессоривалась специальными пружинами, что облегчало работу экипажа. Однако из‑за того, что верхняя часть танка сильно нависала над гусеницами, проходимость «Шнейдеров» была хуже, и они не могли преодолевать даже незначительные вертикальные преграды.

Самым лучшим танком Первой мировой войны стал «Рено» FT, выпущенный фирмой «Рено» и имевший вес всего 6 т, экипаж из двух человек, вооружение — пулемет (с 1917 г пушка), максимальную скорость — 9, 6 км/ч.

«Рено» FT стал прообразом танка будущего. На нем впервые нашла свое разрешение компоновка основных узлов, которая до сих пор остается классической: двигатель, трансмиссия, ведущее колесо — сзади, отделение управления — впереди, вращающаяся башня — в центре. На танки «Рено» впервые стали устанавливать бортовые радиостанции, что сразу повысило управляемость танковыми соединениями. Ведущее колесо большого диаметра помогало преодолевать вертикальные препятствия и выбираться из воронок. Танк имел хорошую проходимость и был прост в управлении. В течение 15 лет он служил образцом для многих конструкторов. В самой Франции «Рено» состоял на вооружении до конца 30‑х годов, а по лицензии его выпускали еще в 20‑ти странах.

Немцы также попробовали освоить новое оружие. С 1917 года фирма «Бремерваген» начала производство танка A7V, однако их массовый выпуск немцы так и не смогли наладить. Их танки участвовали в некоторых операциях, но в количествах, не превышавших нескольких десятков машин.

Напротив, страны Антанты (то есть собственно Англия и Франция) имели к концу войны около 7 тысяч танков. Здесь бронированные машины получили признание и прочно утвердились в системе вооружения. Ллойд‑Джордж, английский премьер в годы войны, говорил: «Танк был выдающимся и потрясающим новшеством в области механической помощи войне. Этот окончательный английский ответ на немецкие пулеметы и траншеи без сомнения сыграл очень важную роль в ускорении победы союзников». Танки широко применялись англичанами в боевых действиях. В ноябре 1917 года впервые была проведена массовая танковая атака. В ней участвовали 476 машин при поддержке шести пехотных дивизий. Это был огромный успех нового вида оружия. Стреляя из пушек и пулеметов, танки снесли проволочные заграждения и с ходу преодолели первую линию окопов. Всего за несколько часов англичане продвинулись в глубь фронта на 9 км, потеряв при этом всего 4 тысячи человек. (В предыдущее британское наступление под Ипром, продолжавшееся четыре месяца, англичане потеряли 400 тысяч человек и сумели вклиниться в немецкую оборону всего на 6‑10 км). Французы тоже несколько раз массированно использовали танки. Так, в июле 1918 года более 500 французских танков участвовало в бою под Суассоном.

78. СИНТЕТИЧЕСКИЙ КАУЧУК

Европа впервые узнала о каучуке в XVI веке. Христофор Колумб привез его из Америки вместе со многими другими диковинками. Во время стоянки кораблей у острова Гаити Колумб и его спутники наблюдали игры туземцев в мяч, сделанный из какого‑то упругого материала, совершенно неизвестного в Европе. Мячи легко подпрыгивали при ударе о землю, сжимались и снова восстанавливали первоначальную форму. Возвращаясь в Испанию, Колумб взял с собой образцы этого чудесного материала, который и был в дальнейшем известен в Старом Свете под названием «каучук». В переводе с индейского «каучук» означает «слезы дерева». Как стало известно позже, он представлял собой сок, собираемый из надрезов коры тропического дерева — бразильской гевеи. Его брали от дерева, когда гевее исполнялось семь лет: на высоте полметра делали надрез на коре, и когда из‑под нее начинал течь белый, как молоко, сок, собирали его в подвешенные чашечки, а потом сливали в большой сосуд. На воздухе сок сравнительно быстро свертывался и превращался в темный смолообразный продукт — каучук.

Европейцы не сразу оценили достоинства этого материала. В течение двух веков они относились к каучуку как к дикарской диковинке. Между тем путешественники, попадавшие в Южную Америку, продолжали доставлять в Европу все новые и новые предметы, изготовленные из каучука. Среди них были бутылки, непромокаемые сапоги и одежда от дождя. Все это было очень любопытно, но не имело практического значения. Только спустя долгое время европейцы нашли для каучука первое применение — стали использовать его в виде стиральных резинок, напоминающих современные школьные ластики.

В конце XVIII века английский химик Макинтош взял патент на изготовление непромокаемых плащей из каучука. Они получили название макинтошей. Плащи, однако, оказались недостаточно хороши для европейского климата при низких температурах они становились твердыми как жесть, а в жару — липкими. После многих опытов нашли способ избегать этих неприятных особенностей каучука путем его вулканизации. (Это важное открытие было сделано в 1839 году американским химиком Гудьиром.) Обнаружилось, что при нагревании каучука с серой он довольно сильно меняет свои свойства — становится более гибким, упругим и не таким чувствительным к изменению температуры. Этот новый вулканизированный каучук стали называть резиной. Он быстро завоевал популярность, так как оказался чрезвычайно удобен во многих отношениях. Спрос на него рос с каждым годом. Другого схожего с каучуком продукта в природе не существует — он водонепроницаем, обладает электрическими изоляционными свойствами, гибок и способен к очень большим изменениям формы. Под действием внешней силы он может растягиваться в несколько раз и снова сжиматься. Подобной эластичностью не обладает ни одно другое вещество. Вместе с тем он крепок, прочен, устойчив к истиранию и легко обрабатывается. Поэтому резина была и остается идеальным материалом для изготовления автомобильных покрышек, всевозможных приводных ремней, транспортных лент, рукавов, амортизаторов, уплотняющих прокладок, гибкой изоляции и многого другого. Без резины жизнь современного индустриального общества просто невозможна.

С середины XIX века развернулось массовое производство резиновых изделий. Это породило настоящую каучуковую лихорадку. Местности, где произрастали каучуконосные деревья, превратились в объект войн и спекуляций. Дикая гевея вскоре перестала удовлетворять потребности промышленности. Кроме того, добывать каучук в джунглях было тяжелым и дорогостоящим делом. Были сделаны удачные опыты по созданию каучуконосных плантаций. Гевея переселилась в тропики Явы, Суматры, Малайского архипелага. Производство каучука увеличилось в несколько раз, но спрос на него продолжал расти.

В течение ста лет ученый мир искал разгадку тайны каучука, чтобы научиться делать его искусственно химическим путем. Постепенно выяснилось, что натуральный каучук из сока гевеи представляет собой смесь нескольких веществ, однако 9/10 его массы приходится на углеводород полиизопрен с формулой (C5H8)n, где n весьма велико — больше тысячи. Вещества с подобным строением относят к группе высокомолекулярных продуктов — полимеров, которые образуются соединением нескольких, иногда очень многих, одинаковых молекул более простых веществ‑мономеров (в данном случае молекул изопрена C5H8). При благоприятных условиях отдельные молекулы‑мономеры соединяются друг с другом в длинные и гибкие линейные или разветвленные цепи‑нити. Эта реакция образования полимера называется полимеризацией. Она происходит только с органическими веществами, имеющими кратные связи (двойные или тройные). В результате разъединения этих связей и происходит (за счет освободившихся валентностей) соединение отдельных молекул между собой. Кроме полиизопрена в натуральный каучук входят смолоподобные белковые и минеральные вещества. Чистый полиизопрен, очищенный от смол и белков, весьма неустойчив и на воздухе быстро теряет свои ценные технические свойства: эластичность и прочность.

Таким образом, для того чтобы производить искусственный каучук, необходимо было научиться по крайней мере трем вещам: 1) получать изопрен из других веществ; 2) проводить реакцию полимеризации изопрена; 3) обрабатывать полученный каучук подходящими веществами, чтобы защитить его от разложения. Все эти задачи оказались чрезвычайно сложными. В 1860 году английский ученый Вильямс путем сухой перегонки каучука выделил из него изопрен, который оказался легкой подвижной бесцветной жидкостью со своеобразным запахом. В 1879 году французский химик Густав Бушарда, нагревая изопрен и действуя на него соляной кислотой, осуществил обратную реакцию — получил каучукоподобный продукт. В 1884 году английский химик Тилден получил изопрен путем высокотемпературного разложения скипидара. Хотя каждый из этих ученых внес свою лепту в изучение свойств каучука, тайна его синтеза так и осталась в XIX веке неразгаданной — все открытые способы оказались непригодны для промышленного использования или вследствие дороговизны сырья, или из‑за малых выходов изопрена, или из‑за сложности технических процессов, обеспечивающих протекание реакции.

Но действительно ли изопрен так необходим для производства каучука? Быть может, макромолекулу с подобными же свойствами возможно образовать из других углеводородов? В 1901 году русский химик Кондаков установил, что в каучукоподобное вещество превращается также диметилбутадиен, если оставить его около года стоять в темноте или на рассеянном свету. (Во время Первой мировой войны в Германии, отрезанной от источников натурального каучука, было налажено производство синтетического каучука из диметилбутадиена. Однако изделия из него выходили очень низкого качества, цена же их из‑за технических сложностей оказывалась непомерно высокой. После войны этот метил‑каучук больше никогда не производился.)

Позже было открыто, что в каучукоподобные вещества могут синтезироваться все углеводороды со скелетом молекулы

| |

— C=C — C=C ‑

| |

Первым членом этого ряда является бутадиен (или дивинил)

CH2=CH‑CH=CH2

Еще в 1914 году англичане Мэтьюс и Стрендж получили очень неплохой каучук из дивинила в присутствии металлического натрия. Но дальше лабораторных опытов их работа не пошла из‑за того, что, во‑первых, не был найден способ производства дивинила, а во‑вторых, не удалось создать установку, которая могла бы синтезировать каучук в заводских условиях. Обе эти проблемы спустя пятнадцать лет были разрешены русским химиком Сергеем Лебедевым.

До Первой мировой войны русские заводы вырабатывали из привозного каучука до 12 тысяч тонн резины. После революции, когда началась индустриализация промышленности, потребности Советского Союза в каучуке многократно возросли. Один корабль требовал 68 т резины, каждый танк — 800 кг, самолет 600 кг, автомобиль — 160 кг. С каждым годом приходилось закупать за границей все больше и больше каучука. Между тем в 1923‑1924 годах цена натурального каучука достигала 2400 золотых рублей за тонну. Необходимость платить такие большие деньги, а в еще большей степени зависимость, в которую таким образом попадало от поставщиков молодое Советское государство, ставили перед руководством страны серьезные проблемы. Решить их можно было только одним путем — разработав промышленный способ производства синтетического каучука.

В конце 1925 года ВСНХ объявил международный конкурс на лучший способ получения синтетического каучука. Условия конкурса были достаточно жесткими: каучук должен был быть изготовлен в СССР из продуктов, добываемых в СССР, цена искусственного каучука не могла превышать средней мировой цены за последнее пятилетие. К 1 января 1928 года требовалось доставить в Москву 2 кг готового образца.

Лебедев в то время возглавлял кафедру общей химии в Ленинградском университете. Еще до революции он несколько лет занимался проблемой синтетического каучука и хорошо представлял себе трудности, которые стояли перед всеми участниками конкурса. Тем не менее он решил принять в нем участие. Несколько учеников и студентов согласились помогать ему в работе. Время было очень трудное. Все помощники и сам Лебедев трудились совершенно безвозмездно во внеслужебное время, по вечерам и выходным дням. Чтобы поспеть к сроку, работали с величайшим напряжением. Сложные технологические эксперименты приходилось проводить в самых невыгодных условиях. Не хватало буквально всего. Как вспоминали позже участники этого удивительного предприятия, все необходимое они делали своими руками. Лебедеву приходилось работать не только химиком, но также стеклодувом, слесарем и электромонтером. Для охлаждения при химических процессах нужен был лед — его все вместе заготовляли на Неве. И все‑таки дело успешно продвигалось вперед.

В течение предыдущих многолетних исследований Лебедев убедился, что получить синтетический каучук, полностью воспроизводящий свойства натурального, — задача очень сложная и при тех обстоятельствах едва ли достижимая. Он сразу отказался от опытов с изопреном и в качестве исходного материала решил взять дивинил. После исследований Мэтьюса и Стренджа в процессе производства дивинилового (бутадиенового) каучука оставалось еще одно недостающее звено — необходимо было разработать способ производства дивинила из дешевого и легкодоступного сырья. Сначала в качестве такового Лебедев хотел взять нефть, но потом все внимание сосредоточил на спирте. Спирт тогда был самым реальным исходным сырьем. Если бы проблема синтеза дивинила была благополучно разрешена, появилась бы возможность сразу производить каучук в любом необходимом количестве, а это было как раз то, в чем нуждалась страна.

Суть реакции, при которой этиловый спирт разлагается на дивинил, воду и водород (она в общем виде описывается уравнением: 2CH3CH2OH = C4H6 + 2H2O + H2), была Лебедеву понятна. Но большая трудность состояла в подборе подходящего катализатора. Глубоко разобравшись в сути протекающих процессов, Лебедев предположил, что таким катализатором может служить одна из активных природных глин. Во время своего отпуска в Крыму и на Кавказе летом 1927 года он постоянно собирал и изучал образцы глин. В конце концов нужную глину он нашел на Коктебеле. Реакция в ее присутствии дала прекрасный результат. Так, в середине 1927 года был достигнут первый успех — реакция пошла в нужном направлении, и из спирта был получен дивинил.

Следующий процесс — полимеризацию дивинила — Лебедев решил проводить по способу Мэтьюса и Стренджа. Для этого натрий в специальной установке равномерно распределялся по дивинилу, после чего реакция продолжалась в течение 3‑5 дней. Однако конечный продукт ее еще не являлся товарным каучуком. Он был пропитан газами, в нем неравномерно распределялся натрий, смесь была нестойкой и на воздухе быстро окислялась, теряя эластичность. Поэтому полученный каучук обрабатывали в мешалке, где он разминался вместе с включенным в него натрием. Затем его смешивали с усилителями, сажей, каолином, магнезией и другими компонентами, которые должны были предохранять каучук от распадения.

Готовый каучук получали ничтожными порциями — всего по несколько грамм в день. Поэтому работа продолжалась буквально до последней минуты. В конце декабря, когда до срока оставались уже считанные дни, синтез 2 кг каучука был окончен, и его срочно отправили в Москву. В феврале 1928 года жюри, рассмотрев все присланные образцы (их, кстати, поступило совсем немного), признало каучук, выращенный в лаборатории Лебедева, наилучшим.

Однако это было только начало. Лабораторные методы часто оказываются неприемлемы в заводских условиях. Лебедеву поручили продолжать исследования и разработать промышленную технологию своего метода производства каучука. Вновь началась кропотливая работа. Правда, теперь средств и возможностей у Лебедева было намного больше. Хорошо понимая важность его работ, правительство предоставило ему все необходимое. Вскоре при Ленинградском университете была создана специальная лаборатория синтетического каучука. В течение года в этой лаборатории была сконструирована и построена опытная установка, которая выдавала по 2‑3 кг каучука в сутки. К концу 1929 года была разработана вся технология заводского процесса.

В феврале 1930 года в Ленинграде на Гутуевском острове началось строительство опытного завода. Летом была открыта заводская лаборатория. Оборудованная по личным указаниям Лебедева, она была одной из лучших химических лабораторий того времени и превратилась в настоящий научный центр синтетического каучука. Кроме лаборатории, Лебедев получил в свое распоряжение лучших специалистов, каких только смогли найти. По всем вопросам он мог обращаться лично к секретарю Ленинградского обкома партии Кирову.

Большая трудность заключалась в создании необходимого оборудования. Химическое машиностроение только зарождалось. Заказы распределялись по всем ленинградским заводам, но их выполнение продвигалось медленно, так как не хватало необходимого опыта. Даже сам Лебедев порой затруднялся дать точный технический совет. Тем не менее строительство опытного завода было завершено в январе 1931 года. В феврале на нем были получены первые 250 кг каучука. Это был первый в мире дешевый синтетический каучук, полученный заводским путем. В том же году были заложены три каучуковых завода‑гиганта — в Ярославле, Воронеже и Ефремове. Все они были объявлены ударными комсомольскими стройками и возводились с поразительной быстротой. В 1932 году Ярославский завод уже дал первый каучук. Поначалу синтез дивинила в заводских условиях проводился с большим трудом. Вместо простой смеси продуктов разложения спирта, состоящих из дивинила, воды и водорода, получался сложный «винегрет» из 30 компонентов, причем выход дивинила в этой массе не превышал 20‑25%. Лебедеву пришлось срочно ехать в Ярославль с группой своих сотрудников помогать налаживать производство. Потом такие же сложности возникли в Воронеже и Ефремове. Весной 1934 года во время поездки на завод в Ефремов Лебедев заразился сыпным тифом и умер вскоре после возвращения в Ленинград. Но дело, которому он положил такое важное основание, крепло и развивалось. Вслед за первыми тремя заводами синтетического каучука были построены несколько новых.

В 1934 году было выпущено 11 тысяч тонн синтетического каучука, в 1935 году — 25 тысяч, в 1936 году — 40 тысяч. В 1937 году доля синтетического каучука в общем объеме резинового производства уже составляла 73%. Сложнейшая в научном и техническом отношении задача была благополучно разрешена.

Впрочем, способ производства синтетического каучука, разработанный Лебедевым, не был единственно возможным. Он сам прекрасно понимал это и в последние годы много думал над тем, как заменить пищевое сырье (спирт производился из пищевых продуктов, причем на получение 1 тонны спирта расходовалось 12 тонн картофеля) другим, более дешевым, например, нефтью. Еще одним недостатком дивинилового каучука была его малая клейкость. При изготовлении из него резиновых изделий приходилось идти на дополнительные затраты. В дальнейшем было разработано еще несколько способов производства синтетического каучука, а в 1965 году в СССР в промышленных условиях был впервые получен синтетический каучук из изопрена.

79. ТЕЛЕВИДЕНИЕ

Телевидение является, быть может, одним из самых замечательных изобретений XX века и наравне с автомобилем, самолетом, компьютером, ядерным реактором заслуживает права на эпитеты «величайшее», «главнейшее», «чудесное» и «невероятное». Оно настолько глубоко проникло сейчас во все сферы нашего бытия, настолько тесно связано с жизнью каждого человека, что без телевизионного экрана уже невозможно представить себе ни современную технику, ни современную цивилизацию.

Как и любое сложное техническое творение, телевидение появилось и развилось в совершенную систему благодаря усилиям многих и многих изобретателей. В короткой главе, конечно, трудно рассказать обо всех, кто в той или иной мере приложил свои руки и ум к созданию телевизионной техники. Поэтому мы остановимся только на самых важных и значительных моментах истории ее возникновения.

Ранним предшественником телевидения следует считать копирующий телеграф Александра Бена, на который он получил патент в 1843 году. Основу отправляющего и принимающего аппаратов составляли здесь сургучно‑металлические пластины, устроенные особым образом. Для их изготовления Бен брал изолированную проволоку, резал ее на куски длиной 2, 5 см и плотно набивал ими прямоугольную раму, так чтобы отрезки проволоки были параллельны друг другу, а их торцы располагались в двух плоскостях. Затем он заливал рамку жидким сургучом, остужал и полировал ее с обеих сторон до получения гладких диэлектрических поверхностей с металлическими вкраплениями.

Аппарат Бена был пригоден для передачи изображений с металлических клише или с металлических типографских литер. Если металлическое клише или типографский шрифт прижимали к одной из сторон металлосургучной пластины передающего аппарата, то часть проволок оказывалась электрически замкнута между собой и получала контакт с участком цепи, подводимым к шрифту и к источнику тока. Этот контакт переходил и на концы тех же проволок с противоположной стороны пластины. Одновременно к аналогичной пластине приемного аппарата прикладывали лист влажной бумаги, предварительно пропитанной солями калия и натрия, которая была способна изменять свою окраску под действием электрического тока.

Действие аппарата состояло в том, что одновременно на передающей и приемной станциях приводили в движение маятники с закрепленными на них контактными перьями, которые скользили по отполированной поверхности обеих пластин (на передающем и принимающем конце). Теперь рассмотрим, что происходило в телеграфной линии при различных положениях контактного пера.

Когда перо скользило по диэлектрической сургучной части пластины и по металлическим вкраплениям, не имевшим контакта с выступами клише или литер шрифта, тогда цепь оставалась разомкнутой, и ток от батареи в линию не поступал. Касание контактным пером торца проволоки, соединенной со шрифтом, моментально замыкало цепь, и ток шел по линии связи до приемного аппарата, вызывая окраску участка бумаги. Совершив очередное колебание, маятники притягивались электромагнитами и ненадолго останавливались. За это время металлосургучные пластины с помощью часового механизма опускались на небольшое, но одинаковое расстояние вниз с тем, чтобы при очередном колебании маятника контактное перо перемещалось по торцам следующего ряда проволок. Таким образом, рельефное изображение, прижатое к пластине передающего аппарата, точка за точкой, строка за строкой преобразовывалось в элементарные сигналы, которые поступали на приемный пункт по телеграфной линии связи. Здесь благодаря электрохимическому действию тока изображение проявлялось на влажной пропитанной бумаге, прижатой к пластине приемного аппарата.

Это остроумное изобретение уже содержало в себе три существенных признака телевизионных систем: 1) разложение цельного оригинала на отдельные элементы (точки), которые передаются по очереди в строгой последовательности; 2) построчную развертку изображения; 3) синхронное движение коммутирующих устройств на передающей и принимающей станциях. Из‑за своей сложности и высокой цены копирующий телеграф не получил практического применения, но в его конструкции впервые была разрешена задача электрической передачи изображения на большое расстояние.

Аналогичный аппарат Бекуэла, созданный в 1848 году, имел более простое устройство. Специальной краской, не проводившей электрический ток, писали текст или рисовали картину на металлической фольге. Затем этой фольгой обтягивали цилиндр, вращавшийся с помощью часового механизма. Вдоль цилиндра перемещался один‑единственный ползунковый контакт, соединенный проводом с таким же ползунком приемного аппарата. При вращении цилиндра на станции отправления ползунок касался как открытой, так и изолированной поверхности фольги. В зависимости от этого в цепи присутствовал или отсутствовал электрический ток, на который реагировала химически обработанная бумага, уложенная на цилиндр в приемнике.

Новая эпоха в истории телевидения началась после открытия явления фотоэффекта. Прежде всего получил применение внутренний фотоэффект, суть которого состояла в том, что некоторые полупроводники при их освещении значительно меняли свое электрическое сопротивление. Первым эту интересную способность полупроводников отметил англичанин Смит. В 1873 году он сообщил о произведенных им опытах с кристаллическим селеном (открытым в 1817 г. шведским химиком Берцелиусом). В этих опытах полоски из селена были разложены в стеклянные запаянные трубки с платиновыми вводами. Трубки помещали в светонепроницаемый ящик с крышкой. В темноте сопротивление полосок селена было довольно высоким и оставалось весьма стабильным, но как только крышка ящика отодвигалась, проводимость возрастала на 15‑100%. Простое движение руки над трубками увеличивало сопротивление селена на 15‑20%. (Объяснение этому интересному явлению было найдено намного позже, когда была создана квантовая теория света. Способность того или иного вещества проводить или не проводить ток, как мы знаем, зависит от того, есть ли в нем свободные заряженные частицы. В обычном состоянии в кристалле селена нет таких заряженных частиц. Но при освещении фотоны света выбивают из атомов селена часть электронов. Эти электроны свободно перемещаются между узлами кристаллической решетки полупроводника точно так же, как электроны в металле. Таким образом, полупроводник приобретает свойства проводника и сопротивление его значительно уменьшается.)

Вскоре открытие Смита стало широко применяться в телевизионных системах. Известно, что каждый предмет становится видимым только в том случае, если он освещаем или если является источником света. Светлые или темные участки наблюдаемого предмета или его изображения отличаются друг от друга различной интенсивностью отраженного или излучаемого ими света. Телевидение как раз и базируется на том, что каждый предмет (если не учитывать его цветность) можно рассматривать как комбинацию большого числа более или менее светлых и темных точек. От каждой из этих точек к наблюдателю идет световой поток разной интенсивности — от светлых точек более сильный, от темных — слабый. Следовательно, если бы можно было создать такое устройство, которое на передающей станции преобразовывало световые сигналы падающего на него изображения в соответствующие электрические импульсы разной силы, а на принимающей вновь превращало эти импульсы в световые сигналы разной интенсивности, то проблема передачи изображения на расстояние была бы в общих чертах разрешена. После открытия внутреннего фотоэффекта стало очевидно, что таким преобразующим устройством может служить селеновая пластина.

В 1878 году португальский профессор физики Адриано де Пайва в одном из научных журналов изложил идею нового устройства для передачи изображений по проводам. Передающее устройство де Пайва представляло собой камеру‑обскуру, на задней стенке которой была установлена большая селеновая пластина. Различные участки этой пластины должны были по разному изменять свое сопротивление в зависимости от освещения. Впрочем, де Пайва признавал, что не знает, как произвести обратное действие — заставить светиться экран на приемной станции. В 1880 году Пайва выпустил брошюру «Электрическая телескопия» — первую в историю книгу, специально посвященную телевидению. Здесь было дано дальнейшее развитие идеи, изложенной за два года до этого. Итак, передаваемое изображение оптическим путем проецировалось на пластину из множества селеновых элементов. Ток от батареи подавался на металлический контакт, который быстро перемещался по пластине. Если какой‑то сегмент был освещен ярко, сопротивление его было небольшим и ток с него оказывался более сильным, чем тот, который снимался с плохо освещенного сегмента. В результате по проводам передавались электрические сигналы разной силы. В приемном устройстве движение этого контакта синхронно повторяла электрическая лампочка, перемещавшаяся за матовым стеклом, которая горела то ярко, то тускло в зависимости от силы импульса тока (то есть от освещенности каждого сегмента селеновой пластины). По мысли де Пайва, если бы удалось получить достаточно быстрое движение контакта и лампочки, то у зрителя, глядевшего на матовое стекло, должно было создаться зрительное представление о проецируемом предмете. Как этого добиться, де Пайва не знал. Однако для своего времени это была очень интересная идея.

В 1881 году французский адвокат Константин Сенлек в брошюре «Телектроскоп» описал проект телевизионного устройства, состоящего из двух панелей — передающей и принимающей — и из такого же количества газоразрядных лампочек. Изображение проецировалось на передающую матрицу из множества селеновых элементов, в результате чего с каждой из ячеек, в зависимости от ее освещения, снимался ток определенной величины. На передающей и принимающей станциях располагались соединенные между собой электрическим проводом механические коммутаторы, действовавшие совершенно синхронно. Передающий коммутатор с большой скоростью замыкался последовательно на все ячейки матрицы (как бы обегая их построчно) и передавал с каждой из них ток на приемный коммутатор. В результате на приемной панели вспыхивали лампочки, притом каждая горела более или менее интенсивно, в зависимости от величины передаваемого тока. Сенлек построил действующую модель своего телектроскопа, но не смог передать на нем ничего, кроме нескольких светящихся точек.

Слабым местом всех первых телевизионных систем оставался механический коммутатор. В самом деле, для того чтобы на сетчатке глаза наблюдателя создался образ передаваемого ему изображения, на экране приемной станции за одну секунду должно смениться около десятка мгновенных снимков. То есть развертка изображения (время, которое затрачивается на снятие сигнала со всех ячеек передающей селеновой пластины) должна была занимать около 0, 1 секунды. Развертка с помощью перемещающегося контакта, придуманная еще Беном, для этой цели явно не годилась.

Было предложено несколько способов разрешить эту трудность. Наконец, в 1884 году молодой немецкий студент Пауль Нипков нашел классическое решение проблемы развертки передаваемых картин. Главной деталью устройства Нипкова был светонепроницаемый диск с крошечными отверстиями около внешнего края. Расстояния между отверстиями были одинаковы, однако каждое следующее было смещено к центру диска на величину диаметра отверстия.

Передача изображения должна была осуществляться следующим образом. Объектив проецировал на диск уменьшенное действительное изображение предмета. По другую сторону диска помещалась селеновая пластинка. Диск приводили с помощью электродвигателя в очень быстрое вращение. При этом в каждый момент времени свет на элемент попадал только через одно какое‑то отверстие, перемещавшееся по дугообразной линии. Сначала между изображением и светочувствительной пластинкой проходило верхнее отверстие, через которое на фотоэлемент проецировалась последовательно только верхняя кромка изображения. Когда это отверстие уходило за рамку изображения, с другого края рамки подвигалось другое, расположенное несколько ниже, и проецировало на фотоэлемент следующую полоску (или, как стали говорить позже, — «строчку») изображения. Таким образом, за один оборот диска перед фотоэлементом проходили поочередно все участки изображения. (Этот процесс, получивший название «построчной развертки изображения», является одним из центральных в системе телевидения. «Диск Нипкова» стал первым простым устройством, позволившим осуществить такую развертку. В течение последующих пятидесяти лет он являлся неотъемлемой частью многих телевизионных устройств.) Далее сигналы от каждой ячейки фотоэлемента последовательно передавались по проводу на приемную станцию. Здесь этот ток подавался к неоновой лампе, которая, соответственно, горела то ярче, то слабее, в зависимости от силы передаваемого тока. Между наблюдателем и лампой помещался такой же перфорированный диск, как и на передающей станции, вращавшийся с ним в строгой синхронности. В каждый момент времени зритель мог наблюдать светящиеся строки, яркость элементов которых была пропорциональна яркости таких же элементов на диске передатчика. В целом в устройстве Нипкова были уже все основные узлы так называемого «механического» телевидения.

Первые изобретатели телевидения предполагали посылать электрические сигналы по проводам, но как только стало развиваться радио, явилась мысль, что эти сигналы можно передавать с помощью электромагнитных волн. Впервые эту идею выдвинул 15‑летний польский гимназист Мечислав Вольфке, который в 1898 году подал патентную заявку на первое телевизионное устройство без проводов. Передающее устройство Вольфке было таким же, как у Нипкова, только сигналы с фотоэлемента передавались здесь на первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого замыкалась на вибратор Герца, излучавший электромагнитные волны. В приемнике ток подавался на неоновую лампу, и проекция изображения происходила так же, как у Нипкова.

Несмотря на удачное разрешение проблемы развертки, ни Нипкову, ни его последователям не удалось осуществить передачу изображений. Простые фотоэлементы, преобразуя яркость передаваемой точки в электрический сигнал, давали очень слабые импульсы тока, который терялся в более или менее протяженной линии связи. Хотя отдельные изобретатели сумели построить действующие аппараты и передавали с их помощью элементарные изображения, имевшиеся в их распоряжении технические средства не позволяли вынести эксперименты за пределы лаборатории. Основным препятствием для дальнейшего развития телевидения было отсутствие существенного элемента связи — усилителя сигналов. Только после изобретения электронных ламп это препятствие было преодолено.

Развитию телевидения также способствовали новые открытия в области фотоэффекта. В 1888 году русский физик Ульянин обнаружил интересное явление — на границе металл‑селен при освещении ее светом источника начинал вырабатываться электрический ток. Ульянин поспешил использовать это свойство и изготовил первый селеновый фотоэлемент с тонкой золотой пленкой, вырабатывавший на свету слабый ток. (Этот эффект теперь широко используется в технике, например, в солнечных батареях.) Напомним, что до этого было известно только одно проявление светочувствительных свойств селена — изменение сопротивления. Поэтому в цепь селенового фотоэлемента надо было обязательно включать источник питания — внешнюю батарею. Теперь необходимость в этом отпала.

Первые практические телевизионные системы были созданы только в XX веке. В 1923 году Чарльз Дженкинс осуществил передачу неподвижного изображения по радио из Вашингтона в Филадельфию и Бостон, а в 1925 году ему удалось передать изображение движущихся фигур. Для развертки Дженкинс применил диск Нипкова, а для усиления видеосигнала — усилитель на электронных лампах. В приемнике использовалась неоновая лампа, на которую зритель смотрел через отверстия другого диска Нипкова и видел точки различной яркости, располагавшиеся точно в таком же порядке, как и на передаваемом изображении. Для этого приемный диск вращался с той же скоростью, что и передающий, делая 12, 5 оборотов в секунду (другими словами, перед зрителем в одну секунду сменялось 12, 5 кадров — достаточная скорость для того, чтобы передавать движение). Позже скорость была увеличена до 25 кадров в секунду. Успешные результаты были достигнуты также в Англии. В 1928 году шотландец Джон Бэрд основал первую в Европе акционерную телевизионную компанию и начал опытные передачи через радиостанцию, расположенную в Лондоне. Его же фирма наладила выпуск первых механических телевизоров. Изображение в них развертывалось на 30 строк.

Широкая публика поначалу с восторгом отнеслась к новому изобретению. Зрители были снисходительны даже к тому, что изображение в их телевизорах часто оказывалось темным, нечетким и расплывчатым. Впрочем, с годами энтузиазм поутих. Оказалось, что получить хорошее, четкое изображение в механическом телевидении вообще невозможно. (Подсчитано, что для этого диск Нипкова должен иметь развертку на 600 строк с диаметром отверстия около 0, 1 мм. При этом диаметр самого диска достигнет 28 м. При вращении с необходимой скоростью он неминуемо разлетится под действием центробежных сил.) Хотя во многих больших городах (в том числе в Москве и Ленинграде) существовали свои телевизионные студии, а десятки тысяч людей имели у себя дома телевизоры, широкого распространения механическое телевидение не получило и в конце концов повсеместно уступило первенство электронному телевидению, о котором теперь и пойдет речь.

Эпоха электронного телевидения началась с изобретения электронно‑лучевой трубки. Прообразом электронной трубки была газоразрядная лампа, изобретенная в 1856 году немецким стеклодувом Гейслером, который научился вплавлять в стеклянную колбу платиновые электроды и создал первые газонаполненные трубки. Сейчас газоразрядные лампы распространены повсюду, и устройство их хорошо известно: по обе стороны стеклянной трубки, наполненной каким‑нибудь газом, помещают два электрода. Когда на эти электроды подается напряжение от сильного источника тока, между ними возникает электрическое поле. В этом поле молекулы газа ионизируются (теряют свои электроны) и превращаются в заряженные частицы. В результате через трубку происходит электрический разряд, под действием которого газ начинает ярко светиться.

Это явление сразу заинтересовало многих ученых. К их числу относился и боннский профессор Плюккер, для которого Гейслер специально изготовлял запаянные трубки с различными смесями газов. В 1858 году Плюккер заметил, что при пропускании электрического тока стекло вблизи катода светится как‑то по особенному, не так, как в остальных частях лампы. Изучив этот эффект, Плюккер пришел к выводу, что вблизи катода при электрическом разряде возникает какое‑то излучение, которое он назвал «катодным». В 1869 году немецкий физик Гитторф открыл, что катодные лучи способны отклоняться под действием магнитного поля. В 1879 году английский физик Уильям Крукс провел фундаментальное исследование катодных лучей и пришел к выводу, что с поверхности катода при его нагревании испускается поток каких‑то частиц. (В 1897 г. английский физик Томсон доказал, что катодные лучи являются потоком заряженных частиц — электронов.) Для своих опытов Крукс создал специальную трубку, которая была первой в истории катодно‑лучевой трубкой.

Между прочим Крукс открыл, что некоторые вещества (они получили название люминофоров) начинают светиться при бомбардировке их катодными лучами. В 1894 году Ленард установил, что свечение люминофоров тем сильнее, чем сильнее катодный ток. В 1895 году профессор Страсбурского университета Карл Браун на основе трубки Крукса создал катодную (электронную) осциллографическую трубку, предназначенную для исследования различных электрических токов.

В трубке Брауна катод был покрыт диафрагмой — экраном с небольшим отверстием, в результате чего с катода испускался не широкий пучок, как в опытах Крукса, а узкий луч. Снаружи стеклянной колбы помещалась катушка, на которую подавался исследуемый ток. Этот ток, проходя через катушку, создавал вокруг переменное магнитное поле, которое отклоняло катодный луч в вертикальной плоскости. Экраном служила стеклянная пластинка, покрытая со стороны катода люминофором. Луч проходил через диафрагму и создавал на экране небольшое светящееся пятно. Под действием отклоняющего магнитного поля луч начинал колебаться и вычерчивал на экране вертикальную линию, которая отмечала максимальное и минимальное значение исследуемого тока. С помощью зеркальца эта светящаяся линия отбрасывалась на внешний экран. Несколько позже, в 1902 году, русский ученый Петровский усовершенствовал трубку Брауна, предложив использовать вторую катушку для отклонения электронного луча также в горизонтальной плоскости. Теперь, подавая соответствующие сигналы, можно было заставить луч обегать весь экран. В 1903 году немецкий физик Венельт сделал еще одно усовершенствование — он ввел в трубку цилиндрический электрод, заряженный отрицательно. Изменяя силу заряда на этом электроде, можно было усиливать или ослаблять электронный поток с катода, делая точку на экране то более яркой, то тусклой. В 1907 году Леонид Мандельштам предложил для управления лучом в трубке Брауна использовать две системы отклоняющих пластин, на которые подавалось пилообразное напряжение. Благодаря этому электронный луч стал вычерчивать на экране так называемый растр — светящиеся строки, которые располагались одна под другой от верхней кромки экрана до самой нижней. Происходило это следующим образом. На пути электронного луча в трубке помещались две вертикально расположенные пластины, на которые, как уже говорилось, подавалось переменное напряжение пилообразной формы, создаваемое специальным генератором. Когда это напряжение было равно 0, электронный луч занимал на экране некоторое начальное положение. Затем, после того как положительная пластина начинала с определенной скоростью заряжаться, электроны отклонялись к ней и конец луча двигался по экрану. Это передвижение продолжалось до тех пор, пока напряжение положительной пластинки не достигало максимума. После этого напряжение быстро уменьшалось, и электронный луч быстро возвращался в исходное положение. Затем все повторялось сначала. Одновременно луч совершал колебания в вертикальной плоскости. Для отклонения по вертикали предназначалась вторая пара пластин. Легко видеть, что если частота пилообразного напряжения, прилагаемого к вертикальным пластинам, была в 10 раз больше той, которая прилагалось к горизонтальным, то за время, соответствующее одному кадру, луч успевал образовать 10 строк. Вместо переменного электрического поля можно было использовать переменное магнитное, создаваемое двумя катушками. Все эти открытия и изобретения заложили фундаментальные основы электронного телевидения.

Первым, кто предложил применить электронно‑лучевую трубку для телевизионной передачи, был русский физик Борис Розинг. В 1907 году он получил патент на способ электрической передачи изображения на расстояние.

Для построчной развертки изображения Розинг использовал два зеркальных барабана, представлявших собой многогранные призмы с плоскими зеркалами. Каждое зеркало было слегка наклонено к оси призмы, и угол наклона равномерно возрастал от зеркала к зеркалу. При вращении барабанов световые лучи, идущие от разных элементов передаваемого изображения, отражались последовательно зеркальными гранями и поочередно (построчно) попадали на фотоэлемент. Ток с фотоэлемента передавался на пластины конденсатора. В зависимости от величины подаваемого тока между ними проходило большее или меньшее количество электронов, что позволяло изменять яркость освещения соответствующих точек люминесцентного экрана. (Электрическое поле внутри конденсатора при изменении напряжения сигнала отклоняло луч по вертикали, вследствие чего изменялось количество электронов, попадавших на экран через отверстие в диафрагме.) Таким образом, трубка заменяла сразу два узла прежних механических систем развертывающего устройства (например, диск Нипкова) и источник света (например, газосветную лампу). Две взаимно перпендикулярные катушки управляли движением луча таким образом, что он вычерчивал растр (начинал движение с верхнего левого угла экрана и оканчивал в правом углу, затем быстро возвращался на левый край, опускался немного вниз и делал развертку второй строчки). Движение луча и вращение зеркальных барабанов было строго синхронизировано между собой, так что прохождение каждой проецируемой грани мимо фотоэлемента соответствовало прохождению одной строчки проецирующего луча. На прохождение всего экрана луч затрачивал около 0, 1 секунды. Благодаря этому рисунок луча воспринимался глазом как цельное изображение.

После долгих и упорных опытов со своей несовершенной аппаратурой Розинг сумел получить первое изображение — ярко освещенной решетки — на экране своего приемника. Это изображение состояло из четырех полос. Когда закрывали одно из отверстий решетки, соответствующая ему полоса на экране исчезала. Телевизор мог передавать изображение простых геометрических фигур, а также движение руки. Сообщения об изобретении Розинга были напечатаны в технических журналах США, Японии и Германии и оказали большое влияние на дальнейшее развитие телевидения. Хотя Розингу принадлежит слава родоначальника электронного телевидения, его телевизионная система еще не была полностью электронной — съемка и передача изображения производились с помощью механического устройства — зеркальных барабанов. Электронной в его системе была только принимающая трубка, в устройстве которой уже можно видеть многие черты черно‑белого телевизора. Следующим шагом должно было стать создание электронно‑лучевой передающей трубки, действие которой основано на внешнем фотоэффекте.

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 году Генрихом Герцем и глубоко изучен в следующем году русским физиком Александром Столетовым. Суть этого явления заключается в том, что под действием света происходит выбивание электронов с поверхности заряженной пластины. Выбитые электроны образуют облако, которое притягивается к положительному электроду, образуя электрический ток в вакууме или разряженном газе. На этом принципе основана работа фотоэлемента, созданного в 1906 году немецким ученым Дембером. Катод и анод здесь помещены в стеклянной колбе, из которой выкачан воздух. К — катод, покрытый светочувствительным веществом (лучше всего цезием); А — анод, который представляет собой металлическую сетку и не мешает проходить свету на анод; С — источник света; Е — батарея. Свет, падающий на фотокатод фотоэлемента, освобождает из него электроны, которые устремляются к положительно заряженному аноду. Уменьшение или усиление освещения фотокатода соответственно увеличивает или уменьшает ток в его цепи.

В 1911 году английский инженер Ален Суинтон предложил проект телевизионного устройства, в котором электронно‑лучевая трубка использовалась не только как приемник, но и в качестве передатчика. В основе передающей трубки Суинтона — трубка Крукса, к катоду которой прикладывалось отрицательное напряжение в 100000 вольт относительно анода. Узкий пучок электронов проходил сквозь отверстие в аноде C и попадал на экран I, описывая на нем с помощью отклоняющих катушек E растр. Экран состоял из миниатюрных, изолированных друг от друга металлических рубидиевых кубиков. С противоположной стороны сквозь сетку L и отсек с парами натрия на экран I проецировалось изображение. Свет от каждой его точки попадал на отдельный рубидиевый кубик экрана, который действовал как независимый фотоэлемент, и выбивал с его поверхности электроны. В соответствии с законами внешнего фотоэффекта этих электронов было тем больше, чем интенсивнее оказывалось действие света. До тех пор пока на кубик не подавалось напряжение, выбитые электроны находились вблизи экрана. Но когда электронный луч, обегавший один за другим все кубики, попадал на какой‑то из них, тот получал отрицательный заряд. Тогда электроны, выбитые светом с поверхности кубика, устремлялись к сетке L, которая, следовательно, в каждый момент времени имела на себе заряд, соответствующий какой‑то точке экрана. Этот заряд снимался с сетки и передавался затем как видеосигнал на приемную трубку, устройство которой основывалось на тех же принципах, что и у Розинга. Электронный луч принимающей трубки был синхронизирован с лучом передающей трубки, а интенсивность его в каждой точке напрямую зависела от силы посылаемого видеосигнала. Практически действующей телевизионной установки Суинтон не создал, но в его проекте мы видим уже те основные элементы, которые входили потом в конструкцию всех последующих поколений передающих трубок: двустороннюю мозаику из множества отдельных фотоэлементов с внешним фотоэффектом, коллектор в виде сетки L и отклоняющие катушки E.

Следующий шаг на пути развития телевидения был сделан только в 20‑е годы. В 1923 году Владимир Зворыкин (в студенческие годы Зворыкин был одним из учеников Розинга и активно помогал ему при создании первого телевизора; в 1917 году он эмигрировал в США, где и работал до самой смерти) запатентовал полностью электронную систему телевидения с передающей и приемной электронно‑лучевыми трубками.

В передающей трубке Зворыкин применил трехслойную двухстороннюю мишень. Трубка состояла из сигнальной пластины 4 — тонкой алюминиевой пленки (прозрачной для электронов), покрытой с одной стороны диэлектриком 3 из окиси алюминия, на который был нанесен светочувствительный слой 2, обладающий внешним фотоэффектом. Рядом с этим слоем была установлена сетка 1. На алюминиевую пленку подавалось положительное (относительно сетки) напряжение. Изображение проецировалось на этот слой сквозь сетку 1. На другой стороне алюминиевой пленки электронный луч 5 из электронного прожектора 6 создавал растр. Сигнал снимался с нагрузки RН в цепи сетки. Мозаика передающей трубки содержала множество отдельных фотоэлементов. Эта трубка тоже не стала работающей моделью, но в 1929 году Зворыкин разработал высоковакуумную приемную электронно‑лучевую трубку, названную им кинескопом, которая в дальнейшем использовалась в первых телевизорах. Таким образом, принимающая электронно‑лучевая трубка была создана уже в начале 30‑х годов.

С передающими трубками дело обстояло сложнее. Все предложенные изобретателями к концу 20‑х годов электронные трубки отличались одним существенным недостатком — они имели очень низкую светочувствительность. Видеосигнал, снимаемый с них, был настолько слабым, что не мог обеспечить не только хорошего, но и сколько‑нибудь удовлетворительного изображения. Низкую светочувствительность справедливо объясняли неэффективным использованием светового потока. Действительно, предположим, что светочувствительная мозаичная пластина разделена на 10 тысяч ячеек, и электронный луч обегает их все за 0, 1 с. Это значит, что при разряжении передаваемого изображения свет действовал на каждый отдельный фотоэлемент в продолжение всего лишь 1/100000 секунды. Если бы удалось использовать энергию светового потока, бесполезно пропадавшую в течение остальных 99999/100000 секунды, чувствительность телевизионной системы должна была бы значительно возрасти.

Одним из первых попытался разрешить эту проблему уже известный нам американский инженер Чарльз Дженкинс. В 1928 году он предложил устройство для накопления заряда в телевизионной трубке. Суть идеи Дженкинса заключалась в том, что к каждому фотоэлементу светочувствительной панели подключался конденсатор C. Свет падал на фотоэлемент, и образующийся ток заряжал конденсатор в течение всего времени передачи кадра. Затем с помощью коммутатора конденсаторы поочередно разряжались через нагрузку RН, с которой снимался сигнал, то есть в качестве видеосигнала Дженкинс предполагал использовать разрядный ток.

Идея Дженкинса была очень плодотворна, но она нуждалась в дальнейшей доработке. Прежде всего приходилось думать о том, где и как разместить десятки, а то и сотни тысяч маленьких конденсаторов (ведь каждая отдельная ячейка экрана должна была иметь свой конденсатор), затем требовалось создать коммутатор, который бы с нужной быстротой и синхронностью мог производить разрядку всех этих конденсаторов. Никакое механическое устройство не могло справиться с этой задачей. Поэтому роль коммутатора стали поручать тому же электронному лучу. В течение пяти последующих лет в разных странах было предложено несколько вариантов передающих трубок, использующих принцип накопления заряда, однако все эти проекты не были реализованы. Успешно преодолеть многочисленные препятствия посчастливилось Владимиру Зворыкину. В 1933 году на съезде общества радиоинженеров в Чикаго он объявил, что его десятилетние усилия по созданию действующей телевизионной трубки завершились полным успехом.

Эту работу Зворыкин начал в лаборатории фирмы «Вестингауз», а закончил в «Радиокорпорации Америки», где в его распоряжении была прекрасно оборудованная лаборатория и большая группа опытных инженеров. После многих опытов Зворыкин с помощью химика Изига нашел очень простой способ изготовления мозаичной светочувствительной мишени с накопительными конденсаторами. Происходило это следующим образом. Брали слюдяную пластинку размером 10 на 10 см и на одну из ее сторон наносили тонкий слой серебра. После этого пластинку помещали в печь. Тонкий серебряный слой при нагреве обретал способность сворачиваться в гранулы. Таким образом на слюдяной пластинке образовывалось несколько миллионов изолированных друг от друга гранул. Затем на серебряный слой наносили цезий, обладавший, как и селен, повышенной чувствительностью к свету. С противоположной стороны слюдяная пластинка покрывалась сплошным металлическим слоем. Этот слой как бы служил второй пластиной конденсатора по отношению к гранулам серебра со светочувствительным цезиевым слоем. В результате каждый из миллиона миниатюрных фотоэлементов служил в то же время и миниатюрным конденсатором. Этой трубке Зворыкин дал название иконоскоп.

Работа иконоскопа происходила следующим образом. Стеклянный шарообразный баллон снабжался сигарообразным цилиндрическим отростком, в котором помещался электронный прожектор. В шаре находилась мишень, установленная наклонно к оси отростка. Эта мишень, как уже говорилось, состояла из слюдяной пластинки, на одну сторону которой был нанесен металлический сигнальный слой, а на другую — светочувствительная мозаика, состоявшая из множества изолированных друг от друга фотоэлементов (5). Часть поверхности стеклянного шарового баллона трубки была сделана плоской, параллельной мишени. Через нее на мозаику проецировалось изображение, так что ось объектива была перпендикулярна плоскости мишени (это исключало всякие искажения) Рядом с мозаикой перед светочувствительным слоем была поставлена сетка (1), на которую подавался положительный относительно анода (3) заряд (анод был заземлен, а на термокатоде (4) создавался большой отрицательный потенциал). Электронный луч (2) проходил через сетку и создавал на мозаике растр. Сигнал снимался с сигнальной пластины (6) и подавался на сопротивление RН, а потом на усилительную лампу (7). Электронный луч, пробегая по фотомозаике, разряжал последовательно все ее участки. В результате образовывались электрические импульсы (видеосигналы), пропорциональные освещенности участков мозаики. Эти импульсы усиливались и подавались к радиопередатчику. В дальнейшем иконоскоп был значительно усовершенствован. Шар заменили цилиндром с отростком для электронного прожектора. Вместо сетки, которая искажала сигнал, стали применять коллектор (8) в виде металлического кольца. На внутренней поверхности цилиндра собирались фотоэлектроны, излученные мозаикой. Мишень состояла из мозаики фотоэлементов — светочувствительного слоя (2), слюдяной пластины‑диэлектрика (3) и металлической пленки в качестве сигнальной пластины (4).

Иконоскоп стал последним звеном в цепи изобретений, приведших к созданию электронного телевидения. Но из‑за депрессии, которой тогда были охвачены США, телевизионная сеть здесь сложилась только через несколько лет. Тем временем в 1934 году группа советских инженеров под руководством Бориса Круссера также создала иконоскоп. В Англии телевизионное вещание на аппаратуре, разработанной фирмами «Маркони» и EMI, началось в 1936 году. В том же году радиовещательная компания NBC начала регулярные телепередачи в Нью‑Йорке. В Германии и СССР телевещание началось в 1938 году.

80. РАДАР

Одной из важнейших областей применения радио стала радиолокация, то есть использование радиоволн для определения местонахождения невидимой цели (а также скорости ее движения). Физической основой радиолокации является способность радиоволн отражаться (рассеиваться) от объектов, электрические свойства которых отличаются от электрических свойств окружающей среды.

Еще в 1886 году Генрих Герц обнаружил, что радиоволны способны отражаться металлическими и диэлектрическими телами, а в 1897 году, работая со своим радиопередатчиком, Попов открыл, что радиоволны отражаются от металлических частей кораблей и их корпуса, однако ни тот ни другой не стали глубоко изучать это явление.

Впервые идея радара пришла в голову немецкому изобретателю Хюльсмайеру, который в 1905 году получил патент на устройство, в котором эффект отражения радиоволн использовался для обнаружения кораблей. Хюльсмайер предлагал применить радиопередатчик, вращающиеся антенны направленного действия, радиоприемник со световым или звуковым индикатором, воспринимающим отраженные предметами волны. При всей своей несовершенности устройство Хюльсмайера содержало в себе все основные элементы современного локатора. В патенте, выданном в 1906 году, Хюльсмайер описал способ определения расстояния до отражающего объекта. Однако разработки Хюльсмайера практического применения не получили. Понадобилось тридцать лет, прежде чем идея применить радиоволны для обнаружения самолетов и кораблей смогла быть претворена в реальную аппаратуру. Осуществить это раньше было невозможно по следующим причинам. Как Герц, так и Попов пользовались для своих опытов короткими волнами. Практически же радиотехника вплоть до 30‑х годов XX века применяла очень длинные волны. Между тем лучшее отражение происходит при условии, что длина волны по меньшей мере равна или (что еще лучше) меньше размеров отражающего объекта (корабля или самолета). Следовательно, длинные волны, применявшиеся в радиосвязи, не могли дать хорошего отражения. Лишь в 20‑е годы радиолюбители США, которым было разрешено пользоваться для своих опытов по радиосвязи короткими волнами, показали, что на самом деле эти волны по неизвестным в то время причинам распространяются на необычайно большие расстояния. При ничтожной мощности радиопередатчиков радиолюбителям удавалось осуществить связь через Атлантический океан. Это привлекло к коротким волнам внимание ученых и профессионалов.

В 1922 году сотрудники радиоотдела морской исследовательской лаборатории Тейлор и Юнг, работая в диапазоне ультракоротких волн, наблюдали явление радиолокации. Им сейчас же пришла мысль, что можно разработать такое устройство, при котором миноносцы, расположенные друг от друга на расстоянии нескольких миль, смогут немедленно обнаруживать неприятельское судно «независимо от тумана, темноты и дымовой завесы». Свой доклад об этом Тейлор и Юнг прислали в морское министерство США, но поддержки их предложение не получило. В 1930 году один из научных сотрудников Тейлора, инженер Хайланд, ведя опыты по радиосвязи на коротких волнах, заметил, что, когда самолет пересекал линию, на которой были расположены передатчик и приемник, появлялись искажения. Из этого Хайланд заключил, что с помощью радиопередатчика и приемника, работающих на коротких волнах, можно обнаружить местоположение самолета. В 1933 году Тейлор, Юнг и Хайланд взяли патент на свою идею.

На этот раз радару суждено было появиться на свет — для этого сложились все технические предпосылки. Главное же заключалось в том, что он стал необходим военным. Техника противовоздушной обороны между двумя мировыми войнами не получила соответствующего развития. По‑прежнему главную роль играли посты воздушного наблюдения, оповещения и связи, аэростаты, прожекторы, звукоуловители. Вследствие роста скорости бомбардировщиков посты оповещения надо было выдвигать за 150 и более километров от того города, для защиты которого они предназначались, и прокладывать к ним длинные телефонные линии. Однако эти посты все равно не давали полной гарантии безопасности. Даже в хорошую ясную погоду наблюдатели не могли обнаружить самолеты, летящие на небольшой высоте. Ночью или в тумане, в облачную погоду такие посты вообще не видели самолетов и ограничивались сообщениями о «шуме моторов». Приходилось располагать эти посты в несколько поясов, разбрасывать их в шахматном порядке, чтобы прикрыть ими все дальние подступы.

Точно так же прожекторы были надежны в борьбе против самолетов лишь в ясные ночи. При низкой облачности и тумане они становились бесполезны. Специально разработанные звукоуловители тоже были слабым средством обнаружения. Представим себе, что самолет находится за 10 км от наблюдательного поста. Звук мотора становился слышен слухачу звукоуловителя через 30 с небольшим секунд. За это время самолет, летевший со скоростью 600 км/ч, успевал пролететь 5 км, и звукоуловитель, следовательно, указывал место, где самолет находился полминуты назад. В этих условиях пользоваться звукоуловителем для того чтобы наводить с его помощью прожектор или зенитное орудие, было бессмысленно. Вот почему во всех странах Европы и в США за 6‑7 лет до Второй мировой войны начались усиленные поиски новых средств противовоздушной обороны, способных предупредить о нападении с воздуха. В конце концов важнейшая роль здесь была отведена радиолокации. Как известно, туман, облака, темнота не влияют на распространение радиоволн. Луч прожектора быстро тускнеет в густых облаках, а для радиоволн подобных препятствий не существует. Это делало очень перспективной идею применить их для нужд ПВО.

Однако практическое воплощение идеи радиолокации потребовало решения целого ряда сложных научных и технических проблем. В частности, надо было создать генераторы ультракоротких волн и чувствительные приемники очень слабых отраженных от объектов сигналов. Только в 1938 году Морская исследовательская лаборатория США разработала сигнальный радиолокатор XAF с дальностью действия 8 км, который был испытан на линкоре «Нью‑Йорк». К 1941 году было изготовлено 19 таких радаров.

Гораздо продуктивнее шли работы в Англии, правительство которой не скупилось на расходы. Уже в 1935 году под руководством Уотсона‑Уатта была создана первая импульсная радиолокационная станция дальнего обнаружения CH. Она работала в диапазоне волн 10‑13 м и имела дальность действия 140 км при высоте полета самолета 4, 5 км. В 1937 году на восточном побережье Англии уже было установлено 20 таких станций. В 1938 году все они приступили к круглосуточному дежурству, продолжавшемуся до конца войны.

Хотя устройство любого радара очень сложно, принцип его действия понять нетрудно. Радиолокационная станция работает не непрерывно, а периодическими толчками — импульсами. Передатчик первой английской радиолокационной станции CH посылал импульсы 25 раз в секунду. (Посылка импульса длится в современных локаторах несколько миллионных долей секунды, а паузы между импульсами — несколько сотых или тысячных долей секунды.) Импульсный режим применяется для того, чтобы измерять время между посылкой импульса и его возвращением от отраженного объекта. Послав в пространство очень кратковременную «порцию» радиоволн, передатчик автоматически выключается и начинает работать радиоприемник. Встретив на пути своего распространения какое‑либо препятствие, радиоволны рассеиваются во все стороны и частично отражаются от него обратно, к месту посылки волн, то есть к радиолокационной станции. Этот процесс аналогичен отражению звуковых волн — явлению эхо. Достаточно крикнуть или ударить в ладоши в горном ущелье у подножья скалы — и через несколько секунд послышится слабое эхо — отражение звука. Так как скорость радиоволн чуть ли не в миллион раз больше скорости звуковых волн, то от скалы, находящейся на расстоянии 3500 м, эхо вернется через 20 секунд, а радиоволна — через две стотысячных доли секунды. Поэтому основной особенностью радиолокационной станции должно быть быстрое измерение кратчайших отрезков времени с точностью до миллионных долей секунды. Понятно, что если бы радиолокационная станция беспрерывно посылала свои сигналы, то среди мощных сигналов передатчика было бы невозможно уловить очень слабые отраженные радиоволны, вернувшиеся обратно. Антенна радиолокационной станции обладает направленным действием. В отличие от антенн радиовещательной станции, посылающей радиоволны во всех направлениях, импульсы, излучаемые радаром, концентрируются в очень узкий пучок, посылаемый в строго определенном направлении.

Приняв отраженные импульсы, радар направлял их на электронно‑лучевую трубку. Здесь этот импульс (понятно, многократно усиленный) подавался на вертикальные пластины, управлявшие электронным лучом трубки (см. ее устройство в предыдущей главе) и вызывал вертикальный бросок луча на экране радара. Что же можно было наблюдать на этом экране? 25 раз в секунду в левой его части возникал электронный импульс (этот бросок был вызван тем, что очень небольшая часть энергии излученного импульса попадала в приемник), и за ним бежала направо линия развертки. Это длилось до тех пор, пока импульс не достигал цели, не отражался от нее и не возвращался обратно. Предположим, что линия, нарисованная электронным лучом, двигалась по экрану в течение 1 миллисекунды. За это время импульс проходил 150 км до цели, отражался от нее, возвращался обратно на станцию и высвечивался на экране в виде второго броска. У того места экрана трубки, где появился первый бросок, ставили 0, а в конце линии — 150 км. Так как скорость распространения волны постоянна, то всю эту линию можно было разделить на равные части и получить таким образом возможность считывать (в пределах 150 км) любое расстояние до цели, отраженный импульс которой был виден на экране трубки. Благодаря столь частому появлению изображения на экране, оно казалось глазу оператора как бы неподвижным и неисчезающим. Лишь импульс, отраженный от цели, медленно перемещался влево по линии, если самолет летел по направлению к станции.

Все сведения об обнаруженных самолетах противника радиолокационные станции передавали на так называемый «фильтрующий центр». Здесь по донесениям отдельных станций производилось сличение и уточнение данных о воздушной обстановке. Отобранные и проверенные сведения «фильтрующий центр» передавал командованию. На центральном командном пункте имелась большая карта. Специальные операторы перемещали по карте маленькие модели самолетов. Командование таким образом могло непрерывно наблюдать воздушную обстановку и сообразно с этим принимать нужные решения. Впоследствии оказалось, что станции дальнего обнаружения могут давать и дополнительные сведения о числе вражеских самолетов, их курсе и скорости. Командные пункты ПВО по этим сведениям могли заключить, какое количество бомбардировщиков участвует в операции, установить, к какому пункту они направляются и когда к нему прибудут.

Однако первые радары обладали и крупными недостатками. Поскольку они работали на волне 10 и более метров, антенны их были громоздки и неподвижны. К примеру, антенна передатчика CH подвешивалась на мачтах высотой 120 м. Неподалеку располагалась приемная станция с антенной на высоте 80 м. Обладая направленным действием, эти антенны излучали радиоволны широким конусом вперед и несколько в сторону от главного направления. Вправо, влево и назад эти антенны не излучали, и, следовательно, на этих направлениях радары не могли обнаружить самолеты. Поскольку их волны отражались от земли и воды, низколетящие цели были им недоступны. Так что самолеты, приближавшиеся к Англии на высоте менее 100 м, могли пролететь незаметно для радаров.

Устранить эти изъяны можно было только созданием новых радиолокационных станций, работающих на более коротких волнах. В первые годы развития радиолокации применялись волны длиной 10‑15 м, но в дальнейшем оказалось, что удобнее использовать для этой цели волны в тысячу раз короче — порядка нескольких сантиметров. Приборы, работавшие в таком диапазоне, до начала войны являлись, по существу, лабораторными конструкциями, были очень капризны и обладали ничтожной мощностью. Известные в то время типы электронных ламп очень плохо или почти не работали на сантиметровых волнах. Все необходимое оборудование для более совершенных радаров было создано в рекордно короткие сроки уже в начале войны.

Сначала перешли на волну в 1, 5 м, что позволило сразу улучшить работу радара и резко сократить размеры антенн. Тогда появилась мысль, что такую антенну можно вращать в горизонтальном направлении и рассылать импульсы локатора во все стороны, а не только вперед. Далее напрашивалось предположение, что если радар поочередно посылает импульсы и принимает их отражения, то вовсе не обязательно передающую и принимающую станции размещать отдельно: можно и должно передавать и принимать на одну и ту же антенну, поочередно подключая ее то к передатчику, то к приемнику. В 1939 году была разработана станция CHL для обнаружения низколетящих самолетов и надводных кораблей с дальностью действия 100 км. Такие станции располагались на расстоянии 40 км друг от друга, защищая устье Темзы и подходы к ней. В дальнейшем количество станций было увеличено так, чтобы прикрыть все восточное побережье Англии. Введение ряда усовершенствований позволило увеличить дальность действия радаров до 160‑190 км.

Все эти меры с лихвой оправдали себя в 1939‑1940 годах, когда развернулась грандиозная битва за Англию. Не имея возможности перебросить в Англию свои войска, Гитлер двинул против нее армады своих бомбардировщиков. Английские истребители не знали покоя ни днем, ни ночью, отбивая одну за другой воздушные атаки немцев. Радиолокационные станции дальнего обнаружения играли в это время огромную роль во всей системе ПВО. Немецкие летчики вскоре убедились, что невидимые лучи радаров для них страшнее истребителей и зениток. Применение радиолокации навело вскоре англичан на мысль нацеливать с помощью радаров свои истребители на бомбардировщики врага. Для этого были созданы небольшие радиолокационные станции (GCI). Они имели меньшую дальность действия, но зато более точно определяли положение вражеских самолетов. Эти радары устанавливались неподалеку от аэродромов истребительной авиации. Получив сообщение от станций дальнего обнаружения, они начинали следить за приближающимся врагом, давая летчикам‑истребителям точные данные о местоположении врага.

Для станций такого типа прежняя электронно‑лучевая трубка с горизонтальной линией развертки была неудобна, поскольку в каждый момент времени она могла наблюдать только за одним самолетом и постоянно должна была переключаться с одной цели на другую. В связи с этим произошло крупное усовершенствование радиолокационной техники — появилась так называемая трубка кругового обзора, получившая в скором времени самое широкое распространение во многих типах станций. На экране такой трубки световая линия развертки начиналась не с левого края экрана, как в прежних конструкциях, а от центра. Эта линия вращалась по часовой стрелке одновременно с вращением антенны, отражая на экране местоположение целей вокруг станции. Такой экран создавал как бы карту воздушной обстановки. Световое пятно в центре экрана отмечало местоположение радиолокационной станции. Концентрические кольца вокруг этого пятна помогали определить расстояние до отраженных импульсов, которые обозначились в виде более светлых точек. Офицер станции наведения одновременно наблюдал на таком экране за всеми интересующими его целями. Осуществление наведения значительно упрощалось. Понятно, что на таком радаре описанный выше способ работы индикатора не годился, так как все сигналы, отраженные от объектов, мгновенно пропадали с экрана. Здесь применялись экраны, обладающие так называемым «послесвечением», то есть сохраняющие свечение в течение определенного промежутка времени. В таких трубках отклонение электронного луча осуществлялось с помощью катушек, ток в которых изменялся линейно в зависимости от времени.

Применение всех систем радиолокационной обороны уже в первый период войны дало ощутимые результаты. За четыре месяца 1940 года в небе над Англией было уничтожено более 3000 немецких самолетов, причем 2600 из них были сбиты истребителями, наведенными своими радиолокационными станциями. Из‑за больших потерь немцы были вынуждены прекратить дневные налеты. Однако и это не спасло их. Англичанами в срочном порядке была разработана небольшая радиолокационная станция AI, размещавшаяся на борту самолета. Она могла обнаруживать цели на расстоянии 3‑5 км. Новыми радарами были оснащены специальные ночные истребители. Кроме пилота на них размещался стрелок‑радиооператор. По наводке с земли такие самолеты приближались к немецким бомбардировщикам на расстояние видимости своего радара. После этого уже сам оператор, имея перед лицом трубку локатора, давал летчику команды по внутреннему переговорному устройству, куда направить машину, чтобы сблизиться с бомбардировщиками. К весне 1941 года система ночной радиолокационной обороны уже оправдывала свое назначение. Если в январе англичане сбили всего 4 немецких ночных бомбардировщика, то в апреле 58, а в мае 102.

81. МАГНИТОФОН

Прародитель магнитофона — телеграфон — был изобретен датским физиком Вальдемаром Поульсеном. В 1898 году Поульсен создал устройство, использующее явление остаточного намагничивания и преобразующее звуковые волны в магнитные импульсы, которые записывались на тонкой стальной проволоке. На входе телеграфона подключался источник звука — микрофон. Ток с него подавался на электромагнит особой формы. Создаваемое электромагнитом магнитное поле намагничивало стальную проволоку, которая с определенной скоростью двигалась мимо магнита. В такт передаваемому звуку снимаемый с микрофона ток увеличивался или уменьшался, а следовательно, увеличивалась или уменьшалась напряженность магнитного поля, создаваемого записывающим магнитом.

Для воспроизведения фонограммы проволоку пропускали мимо магнита воспроизведения. В процессе движения силовые линии магнитного поля фонограммы пересекали витки катушки, в которых вследствие закона электромагнитной индукции возникал электрический ток, соответствующий записанным на проволоку звукам. Эти слабые электрические импульсы преобразовывались в телефоне в звуковые волны. Их прослушивали без усилителя с помощью наушников. Качество звука было очень низким, и телеграфон не получил широкого распространения.

Понадобилось тридцать лет, чтобы замечательное изобретение Поульсена приобрело признание. Этому способствовало прежде всего появление электронных ламп и разработка схем усилителей на их основе, а также совершенствование самого звуконосителя. Проволока имела тенденцию быстро саморазмагничиваться. Чтобы компенсировать это неприятное свойство, приходилось увеличивать скорость ее движения, которая поначалу достигала нескольких метров в секунду. Даже небольшая фонограмма требовала огромного количества проволоки. Хотя толщина ее не превышала 0, 1 мм, катушки с записью занимали много места и были очень тяжелы. Тонкая проволока рвалась, путалась, перекручивалась во время движения. Ее попытались заменять стальной лентой. Обрывы прекратились, но объем и вес звуконосителя вырос еще в несколько раз. Чтобы раскрутить катушку с такой лентой, требовался мощный электродвигатель. Ходовые механизмы получались очень громоздкими. В этот период магнитная запись давала малообещающие результаты.

Коммерческий успех пришел к магнитофону только после изобретения нового звуконосителя. Немецкий изобретатель Пфеймер разработал технологию нанесения слоя порошкового железа на бумажную ленту: новый звуконоситель хорошо намагничивался и размагничивался, его можно было обрезать и склеивать. Впоследствии бумажную ленту заменили пластиковой — из ацетилцеллюлозы, более прочной, эластичной и невоспламеняемой. На ленту напыляли ферромагнитный порошок (окислы железа), предварительно смешанный со связующим веществом (например, нитролаком). Впервые такую ленту начала выпускать в 1935 году немецкая компания АЕГ. Магнитофонная пленка произвела переворот в магнитной звукозаписи. Она была легкой, компактной, хорошо сохраняла намагничивание, что позволило в несколько десятков раз сократить скорость звуконосителя. На такой пленке можно было записывать гораздо более длинное произведение, чем на проволоке.

Запись на ленту происходила так же, как и на проволоку. Из всего сказанного видно, что важнейшими элементами магнитофона являлись записывающий и воспроизводящий электромагниты, которые называют магнитными головками. Обе головки представляли собой магнитные сердечники, охваченные катушками. В сердечнике имелся зазор, заполненный фольгой из специальной бронзы. Ток, проходивший через обмотку записывающей головки, образовывал магнитное поле, которое проходило по магнитному сердечнику и выходило из его рабочего зазора в окружающее пространство. Когда это поле было постоянно, оно равномерно намагничивало всю проходящую через него ленту. Когда же через обмотку головки проходил электрический ток, возникавший вследствие звукового воздействия на микрофон, магнитное поле в зазоре головке изменялось в зависимости от силы тока микрофона, то есть в соответствии с силой звуковых колебаний. Лента приобретала при этом различную намагниченность и превращалась в фонограмму. Различные ее участки оказывались различно намагниченными, как по силе, так и по направлению. Магнитные силовые линии этих отдельных участков, замыкаясь в пространстве, образовывали внешнее магнитное поле. При воспроизведении магнитной фонограммы лента с той же скоростью, что и при записи, двигалась мимо воспроизводящей головки и возбуждала в ее обмотках электрический ток, который изменялся в соответствии с силой магнитного поля ленты. Затем ток, возникший в обмотке и усиленный, поступал к динамику.

Для многократного использования одной и той же ленты имелась головка стирания, питаемая от специального лампового генератора токами высокой частоты. Ток, создаваемый этим генератором, пропускался через обмотки стирающей головки. Пока лента проходила через поле, создаваемое этой головкой, она многократно перемагничивалась и в результате покидала ее в размагниченном состоянии. После стирания магнитная лента попадала в поле записывающей головки. Здесь каждый элемент ленты подвергался двойному воздействию магнитного поля, которое образовывалось, с одной стороны, током записывающего сигнала, а с другой — током дополнительного смещения, поступающим в записывающую головку из высокочастотного генератора. Это дополнительное питание током высокой частоты получило название подмагничивания. Оно необходимо для борьбы с искажениями, которые оказывали на чувствительную магнитную ленту различные части магнитофона — прежде всего лампы и трансформаторы. Во время работы вокруг них создавалось достаточно сильное магнитное поле, которое также намагничивало ленту. Долгое время это нежелательное намагничивание (проявлявшееся при прослушивании в виде шума, треска и гула) очень снижало качество фонограмм. Лишь после того как научились подмешивать к току сигнала высокочастотный ток подмагничивания, качество магнитной фонограммы возросло настолько, что стало конкурировать с механической звукозаписью — граммофонными пластинками.

На магнитофоне имелись две катушки — подающая и приемная. Для перемещения ленты служил механизм, состоящий из электродвигателя, ведущего вала, прижимного ролика и других деталей. Обычно в магнитофоне имелось устройство для ускоренной перемотки ленты с катушки на катушку в оба направления.

82. ПЕНИЦИЛЛИН

Антибиотики — одно из замечательнейших изобретений XX века в области медицины. Современные люди далеко не всегда отдают себе отчет в том, сколь многим они обязаны этим лечебным препаратам. Человечество вообще очень быстро привыкает к поразительным достижениям своей науки, и порой требуется сделать некоторое усилие для того, чтобы представить себе жизнь такой, какой она была, к примеру, до изобретения телевизора, радио или паровоза. Так же быстро вошло в нашу жизнь огромное семейство разнообразных антибиотиков, первым из которых был пенициллин. Сегодня нам кажется удивительным, что еще в 30‑х годах XX столетия ежегодно десятки тысяч людей умирали от дизентерии, что воспаление легких во многих случаях кончалось смертельным исходом, что сепсис был настоящим бичом всех хирургических больных, которые во множестве гибли от заражения крови, что тиф считался опаснейшей и трудноизлечимой болезнью, а легочная чума неизбежно вела больного к смерти. Все эти страшные болезни (и многие другие, прежде неизлечимые, например, туберкулез) были побеждены антибиотиками.

Еще более поразительно влияние этих препаратов на военную медицину. Трудно поверить, но в прежних войнах большинство солдат гибло не от пуль и осколков, а от гнойных заражений, вызванных ранением. Известно, что в окружающем нас пространстве находятся мириады микроскопических организмов микробов, среди которых немало и опасных возбудителей болезней. В обычных условиях наша кожа препятствует их проникновению внутрь организма. Но во время ранения грязь попадала в открытые раны вместе с миллионами гнилостных бактерий (кокков). Они начинали размножаться с колоссальной быстротой, проникали глубоко внутрь тканей, и через несколько часов уже никакой хирург не мог спасти человека: рана гноилась, повышалась температура, начинался сепсис или гангрена. Человек погибал не столько от самой раны, сколько от раневых осложнений. Медицина оказывалась бессильна перед ними. В лучшем случае врач успевал ампутировать пораженный орган и тем останавливал распространение болезни.

Чтобы бороться с раневыми осложнениями, надо было научиться парализовать микробов, вызывающих эти осложнения, научиться обезвреживать попавших в рану кокков. Но как этого достигнуть? Оказалось, что воевать с микроорганизмами можно непосредственно с их же помощью, так как одни микроорганизмы в процессе своей жизнедеятельности выделяют вещества, способные уничтожать другие микроорганизмы. Идея использовать микробов в борьбе с микробами появилась еще в XIX веке. Так, Луи Пастер открыл, что бациллы сибирской язвы погибают под действием некоторых других микробов. Но понятно, что разрешение этой проблемы требовало огромного труда — нелегко разобраться в жизни и взаимоотношениях микроорганизмов, еще труднее постичь, какие из них находятся во вражде друг с другом и чем один микроб побеждает другого. Однако сложнее всего было вообразить, что грозный враг кокков уже давно и хорошо известен человеку, что он уже тысячи лет живет бок о бок с ним, то и дело напоминая о себе. Им оказалась обыкновенная плесень — ничтожный грибок, который в виде спор всегда присутствует в воздухе и охотно разрастается на всем старом и отсыревшем, будь то стена погреба или кусок хлеба.

Впрочем, о бактерицидных свойствах плесени было известно еще в XIX веке. В 60‑х годах прошлого века между двумя русскими врачами — Алексеем Полотебновым и Вячеславом Манассеиным — возник спор. Полотебнов утверждал, что плесень является родоначальником всех микробов, то есть что все микробы происходят от нее. Манассеин же доказывал, что это неверно. Чтобы обосновать свои доводы, он стал исследовать зеленые плесени (по‑латыни пенициллиум глаукум). Он посеял плесень на питательной среде и с изумлением отметил: там, где рос плесневой грибок, никогда не развивались бактерии. Из этого Манассеин сделал вывод, что плесневой грибок препятствует росту микроорганизмов. То же потом наблюдал и Полотебнов: жидкость, в которой появлялась плесень, оставалась всегда прозрачной, стало быть, не содержала бактерий. Полотебнов понял, что как исследователь он был не прав в своих заключениях. Однако как врач он решил немедленно исследовать это необычное свойство такого легкодоступного вещества, как плесень. Попытка увенчалась успехом: язвы, покрытые эмульсией, в которой содержался плесневой грибок, быстро заживали. Полотебнов сделал интересный опыт: он покрывал глубокие кожные язвы больных смесью плесени с бактериями и не наблюдал в них никаких осложнений, В одной из своих статей 1872 году он рекомендовал таким же образом лечить раны и глубокие нарывы. К сожалению, опыты Полотебнова не привлекли к себе внимания, хотя от послераневых осложнений во всех хирургических клиниках тогда погибало множество народа.

Вновь замечательные свойства плесени были открыты спустя полвека шотландцем Александром Флемингом. С юности Флеминг мечтал найти вещество, которое могло бы уничтожать болезнетворных бактерий, и упорно занимался микробиологией. Лаборатория Флеминга помещалась в маленькой комнате отдела патологии одного из крупных лондонских госпиталей. В этой комнате всегда было душно, тесно и беспорядочно. Чтобы спастись от духоты, Флеминг все время держал окно открытым. Вместе с другим врачом Флеминг занимался исследованиями стафилококков. Но, не закончив работы, этот врач ушел из отдела. Старые чашки с посевами колоний микробов еще стояли на полках лаборатории — уборку своей комнаты Флеминг всегда считал зряшной тратой времени. Однажды, решив писать статью о стафилококках, Флеминг заглянул в эти чашки и обнаружил, что многие из находившихся там культур покрыла плесень. Это, впрочем, было неудивительно — очевидно, споры плесени занесло в лабораторию через окно. Удивительным было другое: когда Флеминг стал исследовать культуру, то во многих чашках не оказалось и следа стафилококков — там была только плесень и прозрачные, похожие на росу капли. Неужели обычная плесень уничтожила всех болезнетворных микробов? Флеминг немедленно решил проверить свою догадку и поместил немного плесени в пробирку с питательным бульоном. Когда грибок развился, он поселил в ту же чашку различные бактерии и поставил ее в термостат. Исследовав затем питательную среду, Флеминг обнаружил, что между плесенью и колониями бактерий образовались светлые и прозрачные пятна — плесень как бы стесняла микробов, не давая им расти около себя. Тогда Флеминг решил сделать более масштабный опыт: пересадил грибок в большой сосуд и стал наблюдать за его развитием. Вскоре поверхность сосуда покрылась «войлоком» — разросшимся и сбившимся в тесноте грибком. «Войлок» несколько раз менял свой цвет: сначала он был белым, потом зеленым, потом черным. Менял цвет и питательный бульон — из прозрачного он превратился в желтый. «Очевидно, плесень выделяет в окружающую среду какие‑то вещества», — подумал Флеминг и решил проверить, обладают ли они вредными для бактерий свойствами. Новый опыт показал, что желтая жидкость разрушает те же микроорганизмы, которые разрушала и сама плесень. Причем жидкость обладала чрезвычайно большой активностью — Флеминг разводил ее в двадцать раз, а раствор все равно оставался губительным для болезнетворных бактерий.

Флеминг понял, что стоит на пороге важного открытия. Он забросил все дела, прекратил другие исследования. Плесневый грибок пенициллиум нотатум отныне целиком поглотил его внимание. Для дальнейших экспериментов Флемингу понадобились галлоны плесневого бульона — он изучал, на какой день роста, при какой температуре и на какой питательной среде действие таинственного желтого вещества окажется наиболее эффективным для уничтожения микробов. В то же время выяснилось, что сама плесень, так же как и желтый бульон, оказались безвредными для животных. Флеминг вводил их в вену кролику, в брюшную полость белой мыши, омывал бульоном кожу и даже закапывал ее в глаза — никаких неприятных явлений не наблюдалось. В пробирке разведенное желтое вещество — продукт, выделяемый плесенью, — задерживало рост стафилококков, но не нарушало функций лейкоцитов крови. Флеминг назвал это вещество пенициллином. С этих пор он постоянно думал над важным вопросом: как выделить действующее активное вещество из профильтрованного плесневого бульона? Увы, это оказалось чрезвычайно сложным делом. Между тем было ясно, что вводить в кровь человека неочищенный бульон, в котором содержался чужеродный белок, безусловно, опасно. Молодые сотрудники Флеминга, такие же, как и он, врачи, а не химики, предприняли множество попыток разрешить эту проблему. Работая в кустарных условиях, они потратили массу времени и энергии но ничего не добились. Всякий раз после предпринятой очистки пенициллин разлагался и терял целебные свойства. В конце концов, Флеминг понял, что эта задача ему не по плечу и что разрешение ее следует передать другим. В феврале 1929 года он сделал в Лондонском медицинском научно‑исследовательском клубе сообщение о найденном им необыкновенно сильном антибактериальном средстве. Это сообщение не обратило на себя внимания. Однако Флеминг был упрямый шотландец. Он написал большую статью с подробным изложением своих экспериментов и поместил ее в научном журнале. На всех конгрессах и медицинских съездах он так или иначе делал напоминание о своем открытие. Постепенно о пенициллине стало известно не только в Англии, но и в Америке. Наконец, в 1939 году два английских ученых — Говард Флери, профессор патологии одного из оксфордских институтов, и Эрнст Чейн, биохимик, бежавший из Германии от преследования нацистов, — обратили на пенициллин самое пристальное внимание.

Чейн и Флери искали тему для совместной работы. Трудность задачи выделения очищенного пенициллина привлекла их. В Оксфордском университете оказался штамм (культура микробов, выделенная из определенных источников), присланный туда Флемингом. С ним‑то они и стали экспериментировать. Для того чтобы превратить пенициллин в лекарственный препарат, его необходимо было связать с каким‑нибудь веществом, растворимым в воде, но таким образом, чтобы, будучи очищенным, он не терял своих удивительных свойств. Долгое время эта задача казалась неразрешимой — пенициллин быстро разрушался в кислой среде (поэтому, кстати, его нельзя было принимать внутрь) и очень недолго сохранялся в щелочной, он легко переходил в эфир, но, если его не ставили на лед, разрушался и в нем. Только после многих опытов жидкость, выделенную грибком и содержащую аминопенициллиновую кислоту, удалось сложным путем отфильтровать и растворить в специальном органическом растворителе, в котором не растворялись соли калия, хорошо растворимые в воде. После воздействия ацетата калия в осадок выпали белые кристаллы калийной соли пенициллина. Проделав множество манипуляций, Чейн получил слизистую массу, которую ему удалось наконец превратить в коричневый порошок. Первые же опыты с ним имели потрясающий эффект: даже маленькая гранула пенициллина, разведенная в пропорции один на миллион, обладала мощным бактерицидным свойством — помещенные в эту среду смертоносные кокки гибли через несколько минут. В то же время введенный в вену мыши препарат не только не убил ее, но вообще не произвел на зверька никакого действия.

К опытам Чейна присоединилось еще несколько ученых. Действие пенициллина всесторонне исследовали на белых мышах. Их заражали стафилококками и стрептококками в дозах более чем смертельных. Половине из них ввели пенициллин, и все эти мыши остались живы. Остальные умерли через несколько часов. Вскоре было открыто, что пенициллин губит не только кокков, но и возбудителей гангрены. В 1942 году пенициллин опробовали на больном, который умирал от менингита. Очень скоро тот поправился. Известие об этом произвело большое впечатление. Однако наладить производство нового препарата в воюющей Англии не удалось. Флери отправился в США, и здесь в 1943 году в городе Пеории лаборатория доктора Когхилла впервые начала промышленное производство пенициллина. В 1945 году Флемингу, Флери и Чейну за их выдающиеся открытие была присуждена Нобелевская премия.

В СССР пенициллин из плесени пенициллиум крустозум (этот грибок был взят со стены одного из московских бомбоубежищ) получила в 1942 году профессор Зинаида Ермольева. Шла война. Госпитали были переполнены ранеными с гнойными поражениями, вызванными стафилококками и стрептококками, осложнявшими и без того тяжелые раны. Лечение было трудным. Много раненых умирало от гнойного заражения. В 1944 году после долгих исследований Ермольева отправилась на фронт, чтобы испытать действие своего препарата. Всем раненым перед операцией Ермольева делала внутримышечную инъекцию пенициллина. После этого у большинства бойцов раны рубцевались без всяких осложнений и нагноений, без повышения температуры. Пенициллин показался видавшим виды полевым хирургам настоящим чудом. Он вылечивал даже самых тяжелых больных, уже болевших заражением крови или воспалением легких. В том же году в СССР было налажено заводское производство пенициллина.

В дальнейшем семья антибиотиков стала быстро расширяться. Уже в 1942 году Гаузе выделил грамицидин, а в 1944 году американец украинского происхождения Ваксман получил стрептомицин. Началась эра антибиотиков, благодаря которым в последующие годы сохранили жизнь миллионы людей. Любопытно, что пенициллин так и остался незапатентованным. Те, кто его открыли и создали, отказались получать патенты — они считали, что вещество, которое может принести такую пользу человечеству, не должно служить источником дохода. Вероятно, это единственное открытие таких масштабов, на которое никто не предъявлял авторских прав.

83. АТОМНАЯ БОМБА

Мир атома настолько фантастичен, что для его понимания требуется коренная ломка привычных понятий о пространстве и времени. Атомы так малы, что если бы каплю воды можно было увеличить до размеров Земли, то каждый атом в этой капле был бы меньше апельсина. В самом деле, одна капля воды состоит из 6000 миллиардов миллиардов (6000000000000000000000) атомов водорода и кислорода. И тем не менее, несмотря на свои микроскопические размеры, атом имеет строение до некоторой степени сходное со строением нашей солнечной системы. В его непостижимо малом центре, радиус которого менее одной триллионной сантиметра, находится относительно огромное «солнце» — ядро атома. Вокруг этого атомного «солнца» вращаются крохотные «планеты» — электроны. Ядро состоит из двух основных строительных кирпичиков Вселенной — протонов и нейтронов (они имеют объединяющее название — нуклоны). Электрон и протон — заряженные частицы, причем количество заряда в каждом из них совершенно одинаково, однако заряды различаются по знаку: протон всегда заряжен положительно, а электрон — отрицательно. Нейтрон не несет электрического заряда и вследствие этого имеет очень большую проницаемость.

В атомной шкале измерений масса протона и нейтрона принята за единицу. Атомный вес любого химического элемента поэтому зависит от количества протонов и нейтронов, заключенных в его ядре. Например, атом водорода, ядро которого состоит только из одного протона, имеет атомную массу равную 1. Атом гелия, с ядром из двух протонов и двух нейтронов, имеет атомную массу, равную 4.

Ядра атомов одного и того же элемента всегда содержат одинаковое число протонов, но число нейтронов может быть разным. Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но отличающиеся по числу нейтронов и относящиеся к разновидностям одного и того же элемента, называются изотопами. Чтобы отличить их друг от друга, к символу элемента приписывают число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа.

Может возникнуть вопрос: почему ядро атома не разваливается? Ведь входящие в него протоны — электрически заряженные частицы с одинаковым зарядом, которые должны отталкиваться друг от друга с большой силой. Объясняется это тем, что внутри ядра действуют еще и так называемые внутриядерные силы, притягивающие частицы ядра друг к другу. Эти силы компенсируют силы отталкивания протонов и не дают ядру самопроизвольно разлететься.

Внутриядерные силы очень велики, но действуют только на очень близком расстоянии. Поэтому ядра тяжелых элементов, состоящие из сотен нуклонов, оказываются нестабильными. Частицы ядра находятся здесь в беспрерывном движении (в пределах объема ядра), и если добавить им какое‑то дополнительное количество энергии, они могут преодолеть внутренние силы — ядро разделится на части. Величину этой избыточной энергии называют энергией возбуждения. Среди изотопов тяжелых элементов есть такие, которые как бы находятся на самой грани самораспада. Достаточно лишь небольшого «толчка», например, простого попадания в ядро нейтрона (причем он даже не должен разгоняться до большой скорости), чтобы пошла реакция ядерного деления. Некоторые из этих «делящихся» изотопов позже научились получать искусственно. В природе же существует только один такой изотоп — это уран‑235.

Уран был открыт в 1783 году Клапротом, который выделил его из урановой смолки и назвал в честь недавно открытой планеты Уран. Как оказалось в дальнейшем, это был, собственно, не сам уран, а его оксид. Чистый уран — металл серебристо‑белого цвета — был получен только в 1842 году Пелиго. Новый элемент не обладал никакими замечательными свойствами и не привлекал к себе внимания вплоть до 1896 года, когда Беккерель открыл явление радиоактивности солей урана. После этого уран сделался объектом научных исследований и экспериментов, но практического применения по‑прежнему не имел.

Когда в первой трети XX века физикам более или менее стало понятно строение атомного ядра, они прежде всего попробовали осуществить давнюю мечту алхимиков — постарались превратить один химический элемент в другой. В 1934 году французские исследователи супруги Фредерик и Ирен Жолио‑Кюри доложили Французской академии наук о следующем опыте: при бомбардировке пластин алюминия альфа‑частицами (ядрами атома гелия) атомы алюминия превращались в атомы фосфора, но не обычные, а радиоактивные, которые в свою очередь переходили в устойчивый изотоп кремния. Таким образом, атом алюминия, присоединив один протон и два нейтрона, превращался в более тяжелый атом кремния.

Этот опыт навел на мысль, что если «обстреливать» нейтронами ядра самого тяжелого из существующих в природе элементов — урана, то можно получить такой элемент, которого в естественных условиях нет. В 1938 году немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман повторили в общих чертах опыт супругов Жолио‑Кюри, взяв вместо алюминия уран. Результаты эксперимента оказались совсем не те, что они ожидали — вместо нового сверхтяжелого элемента с массовым числом больше, чем у урана, Ган и Штрассман получили легкие элементы из средней части периодической системы: барий, криптон, бром и некоторые другие. Сами экспериментаторы не смогли объяснить наблюдаемое явление. Только в следующем году физик Лиза Мейтнер, которой Ган сообщил о своих затруднениях, нашла правильное объяснение наблюдаемому феномену, предположив, что при обстреле урана нейтронами происходит расщепление (деление) его ядра. При этом должны были образовываться ядра более легких элементов (вот откуда брались барий, криптон и другие вещества), а также выделяться 2‑3 свободных нейтрона. Дальнейшие исследования позволили детально прояснить картину происходящего.

Природный уран состоит из смеси трех изотопов с массами 238, 234 и 235. Основное количество урана приходится на изотоп‑238, в ядро которого входят 92 протона и 146 нейтронов. Уран‑235 составляет всего 1/140 природного урана (0, 7%) (он имеет в своем ядре 92 протона и 143 нейтрона), а уран‑234 (92 протона, 142 нейтрона) лишь — 1/17500 от общей массы урана (0, 006%). Наименее стабильным из этих изотопов является уран‑235. Время от времени ядра его атомов самопроизвольно делятся на части, вследствие чего образуются более легкие элементы периодической системы. Процесс сопровождается выделением двух или трех свободных нейтронов, которые мчатся с огромной скоростью — около 10 тыс. км/с (их называют быстрыми нейтронами). Эти нейтроны могут попадать в другие ядра урана, вызывая ядерные реакции. Каждый изотоп ведет себя в этом случае по‑разному. Ядра урана‑238 в большинстве случаев просто захватывают эти нейтроны без каких‑либо дальнейших превращений. Но примерно в одном случае из пяти при столкновении быстрого нейтрона с ядром изотопа‑238 происходит любопытная ядерная реакция: один из нейтронов урана‑238 испускает электрон, превращаясь в протон, то есть изотоп урана обращается в более тяжелый элемент — нептуний‑239 (93 протона + 146 нейтронов). Но нептуний нестабилен — через несколько минут один из его нейтронов испускает электрон, превращаясь в протон, после чего изотоп нептуния обращается в следующий по счету элемент периодической системы — плутоний‑239 (94 протона + 145 нейтронов). Если же нейтрон попадает в ядро неустойчивого урана‑235, то немедленно происходит деление — атомы распадаются с испусканием двух или трех нейтронов. Понятно, что в природном уране, большинство атомов которого относятся к изотопу‑238, никаких видимых последствий эта реакция не имеет — все свободные нейтроны окажутся в конце концов поглощенными этим изотопом.

Ну а если представить себе достаточно массивный кусок урана, целиком состоящий из изотопа‑235? Здесь процесс пойдет по‑другому: нейтроны, выделившиеся при делении нескольких ядер, в свою очередь, попадая в соседние ядра, вызывают их деление. В результате выделяется новая порция нейтронов, которая расщепляет следующие ядра. При благоприятных условиях эта реакция протекает лавинообразно и носит название цепной реакции. Для ее начала может быть достаточно считанного количества бомбардирующих частиц. Действительно, пусть уран‑235 бомбардируют всего 100 нейтронов. Они разделят 100 ядер урана. При этом выделится 250 новых нейтронов второго поколения (в среднем 2, 5 за одно деление). Нейтроны второго поколения произведут уже 250 делений, при котором выделится 625 нейтронов. В следующем поколении оно станет равным 1562, затем 3906, далее 9670 и т.д. Число делений будет увеличиваться безгранично, если процесс не остановить.

Однако реально лишь незначительная часть нейтронов попадает в ядра атомов. Остальные, стремительно промчавшись между ними, уносятся в окружающее пространство. Самоподдерживающаяся цепная реакция может возникнуть только в достаточно большом массиве урана‑235, обладающим, как говорят, критической массой. (Эта масса при нормальных условиях равна 50 кг.) Важно отметить, что деление каждого ядра сопровождается выделением огромного количества энергии, которая оказывается примерно в 300 миллионов раз больше энергии, затраченной на расщепление! (Подсчитано, что при полном делении 1 кг урана‑235 выделяется столько же тепла, сколько при сжигании 3 тыс. тонн угля.) Этот колоссальный выплеск энергии, освобождающейся в считанные мгновения, проявляет себя как взрыв чудовищной силы и лежит в основе действия ядерного оружия. Но для того чтобы это оружие стало реальностью, необходимо, чтобы заряд состоял не из природного урана, а из редкого изотопа — 235 (такой уран называют обогащенным). Позже было установлено, что чистый плутоний также является делящимся материалом и может быть использован в атомном заряде вместо урана‑235.

Все эти важные открытия были сделаны накануне Второй мировой войны. Вскоре в Германии и в других странах начались секретные работы по созданию атомной бомбы. В США этой проблемой занялись в 1941 году. Всему комплексу работ было присвоено наименование «Манхэттенского проекта». Административное руководство проектом осуществлял генерал Гровс, а научное — профессор Калифорнийского университета Роберт Оппенгеймер. Оба хорошо понимали огромную сложность стоящей перед ними задачи. Поэтому первой заботой Оппенгеймера стало комплектование высокоинтеллектуального научного коллектива. В США тогда было много физиков, эмигрировавших из фашистской Германии. Нелегко было привлечь их к созданию оружия, направленного против их прежней родины. Оппенгеймер лично говорил с каждым, пуская в ход всю силу своего обаяния. Вскоре ему удалось собрать небольшую группу теоретиков, которых он шутливо называл «светилами». И в самом деле, в нее входили крупнейшие специалисты того времени в области физики и химии. (Среди них 13 лауреатов Нобелевской премии, в том числе Бор, Ферми, Франк, Чедвик, Лоуренс.) Кроме них, было много других специалистов самого разного профиля. Правительство США не скупилось на расходы, и работы с самого начала приняли грандиозный размах. В 1942 году была основана крупнейшая в мире исследовательская лаборатория в Лос‑Аламосе. Население этого научного города вскоре достигло 9 тысяч человек. По составу ученых, размаху научных экспериментов, числу привлекаемых к работе специалистов и рабочих Лос‑Аламосская лаборатория не имела себе равных в мировой истории. «Манхэттенский проект» имел свою полицию, контрразведку, систему связи, склады, поселки, заводы, лаборатории, свой колоссальный бюджет.

Главная цель проекта состояла в получении достаточного количества делящегося материала, из которого можно было бы создать несколько атомных бомб. Кроме урана‑235 зарядом для бомбы, как уже говорилось, мог служить искусственный элемент плутоний‑239, то есть бомба могла быть как урановой, так и плутониевой. Гровс и Оппенгеймер согласились, что работы должны вестись одновременно по двум направлениям, поскольку невозможно наперед решить, какое из них окажется более перспективным. Оба способа принципиально отличались друг от друга: накопление урана‑235 должно было осуществляться путем его отделения от основной массы природного урана, а плутоний мог быть получен только в результате управляемой ядерной реакции при облучении нейтронами урана‑238. И тот и другой путь представлялся необычайно трудным и не сулил легких решений. В самом деле, как можно отделить друг от друга два изотопа, которые лишь незначительно отличаются своим весом и химически ведут себя совершенно одинаково? Ни наука, ни техника никогда еще не сталкивались с такой проблемой. Производство плутония тоже поначалу казалось очень проблематичным. До этого весь опыт ядерных превращений сводился к нескольким лабораторным экспериментам. Теперь же предстояло в промышленном масштабе освоить производство килограммов плутония, разработать и создать для этого специальную установку — ядерный реактор, и научиться управлять течением ядерной реакции. И там и здесь предстояло разрешить целый комплекс сложных задач. Поэтому «Манхэттенский проект» состоял из нескольких подпроектов, во главе которых стояли видные ученые. Сам Оппенгеймер был главой Лос‑Аламосской научной лаборатории. Лоуренс заведовал Радиационной лабораторией Калифорнийского университета. Ферми вел в Чикагском университете исследования по созданию ядерного реактора.

Поначалу важнейшей проблемой было получение урана. До войны этот металл фактически не имел применения. Теперь, когда он потребовался сразу в огромных количествах, оказалось, что не существует промышленного способа его производства. Компания «Вестингауз» взялась за его разработку и быстро добилась успеха. После очистки урановой смолы (в таком виде уран встречается в природе) и получения окиси урана, ее превращали в тетрафторид (UF4), из которого путем электролиза выделялся металлический уран. Если в конце 1941 года в распоряжении американских ученых было всего несколько граммов металлического урана, то уже в ноябре 1942 года его промышленное производство на заводах фирмы «Вестингауз» достигло 6000 фунтов в месяц.

Одновременно шла работа над созданием ядерного реактора. Процесс производства плутония фактически сводился к облучению урановых стержней нейтронами, в результате чего часть урана‑238 должна была обратиться в плутоний. Источниками нейтронов при этом могли быть делящиеся атомы урана‑235, рассеянные в достаточном количестве среди атомов урана‑238. Но для того чтобы поддерживать постоянное воспроизводство нейтронов, должна была начаться цепная реакция деления атомов урана‑235. Между тем, как уже говорилось, на каждый атом урана‑235 приходилось 140 атомов урана‑238. Ясно, что у разлетающихся во все стороны нейтронов было гораздо больше вероятности встретить на своем пути именно их. То есть, огромное число выделившихся нейтронов оказывалось без всякой пользы поглощенным основным изотопом. Очевидно, что при таких условиях цепная реакция идти не могла. Как же быть? Сначала представлялось, что без разделения двух изотопов работа реактора вообще невозможна, но вскоре было установлено одно важное обстоятельство: оказалось, что уран‑235 и уран‑238 восприимчивы к нейтронам разных энергий. Расщепить ядро атома урана‑235 можно нейтроном сравнительно небольшой энергии, имеющим скорость около 22 м/с. Такие медленные нейтроны не захватываются ядрами урана‑238 — для этого те должны иметь скорость порядка сотен тысяч метров в секунду. Другими словами уран‑238 бессилен помешать началу и ходу цепной реакции в уране‑235, вызванной нейтронами, замедленными до крайне малых скоростей — не более 22 м/с. Это явление было открыто итальянским физиком Ферми, который с 1938 года жил в США и руководил здесь работами по созданию первого реактора. В качестве замедлителя нейтронов Ферми решил применить графит. По его расчетам, вылетевшие из урана‑235 нейтроны, пройдя через слой графита в 40 см, должны были снизить свою скорость до 22 м/с и начать самоподдерживающуюся цепную реакцию в уране‑235. Другим замедлителем могла служить так называемая «тяжелая» вода. Поскольку атомы водорода, входящие в нее, по размерам и массе очень близки к нейтронам, они могли лучше всего замедлять их. (С быстрыми нейтронами происходит примерно то же, что с шарами: если маленький шар ударяется о большой, он откатывается назад, почти не теряя скорости, при встрече же с маленьким шаром он передает ему значительную часть своей энергии — точно так же нейтрон при упругом столкновении отскакивает от тяжелого ядра лишь незначительно замедляясь, а при столкновении с ядрами атомов водорода очень быстро теряет всю свою энергию.) Однако обычная вода не подходит для замедления, так как ее водород имеет тенденцию поглощать нейтроны. Вот почему для этой цели следует использовать дейтерий, входящий в состав «тяжелой» воды.

В начале 1942 года под руководством Ферми в помещении теннисного корта под западными трибунами Чикагского стадиона началось строительство первого в истории ядерного реактора. Все работы ученые проводили сами. Управление реакцией можно осуществлять единственным способом — регулируя число нейтронов, участвующих в цепной реакции. Ферми предполагал добиться этого с помощью стержней, изготовленных из таких веществ, как бор и кадмий, которые сильно поглощают нейтроны. Замедлителем служили графитовые кирпичи, из которых физики возвели колоны высотой в 3 м и шириной в 1, 2 м. Между ними были установлены прямоугольные блоки с окисью урана. На всю конструкцию пошло около 46 тонн окиси урана и 385 тонн графита. Для замедления реакции служили введенные в реактор стержни из кадмия и бора. Если бы этого оказалось недостаточно, то для страховки на платформе, расположенной над реактором, стояли двое ученых с ведрами, наполненными раствором солей кадмия — они должны были вылить их на реактор, если бы реакция вышла из‑под контроля. К счастью, этого не потребовалось. 2 декабря 1942 года Ферми приказал выдвинуть все контрольные стержни, и эксперимент начался. Через четыре минуты нейтронные счетчики стали щелкать все громче и громче. С каждой минутой интенсивность нейтронного потока становилась больше. Это говорило о том, что в реакторе идет цепная реакция. Она продолжалась в течение 28 минут. Затем Ферми дал знак, и опущенные стержни прекратили процесс. Так впервые человек освободил энергию атомного ядра и доказал, что может контролировать ее по своей воле. Теперь уже не было сомнения, что ядерное оружие — реальность.

В 1943 году реактор Ферми демонтировали и перевезли в Арагонскую национальную лабораторию (50 км от Чикаго). Здесь был вскоре построен еще один ядерный реактор, в котором в качестве замедлителя использовалась тяжелая вода. Он состоял из цилиндрической алюминиевой цистерны, содержащей 6, 5 тонн тяжелой воды, в которую было вертикально погружено 120 стержней из металлического урана, заключенные в алюминиевую оболочку. Семь управляющих стержней были сделаны из кадмия. Вокруг цистерны располагался графитовый отражатель, затем экран из сплавов свинца и кадмия. Вся конструкция заключалась в бетонный панцирь с толщиной стенок около 2, 5 м. Эксперименты на этих опытных реакторах подтвердили возможность промышленного производства плутония.

Главным центром «Манхэттенского проекта» вскоре стал городок Ок‑Ридж в долине реки Теннеси, население которого за несколько месяцев выросло до 79 тысяч человек. Здесь в короткий срок был построен первый в истории завод по производству обогащенного урана. Тут же в 1943 году был пущен промышленный реактор, вырабатывавший плутоний. В феврале 1944 года из него ежедневно извлекали около 300 кг урана, с поверхности которого путем химического разделения получали плутоний. (Для этого плутоний сначала растворяли, а потом осаждали.) Очищенный уран после этого вновь возвращался в реактор. В том же году в бесплодной унылой пустыне на южном берегу реки Колумбия началось строительство огромного Хэнфордского завода. Здесь размещалось три мощных атомных реактора, ежедневно дававших несколько сот граммов плутония.

Параллельно полным ходом шли исследования по разработке промышленного процесса обогащения урана. Рассмотрев разные варианты, Гровс и Оппенгеймер решили сосредоточить усилия на двух методах: газодиффузионном и электромагнитном. Газодиффузионный метод основывался на принципе, известном под названием закона Грэхэма (он был впервые сформулирован в 1829 году шотландским химиком Томасом Грэхэмом и разработан в 1896 году английским физиком Рейли). В соответствии с этим законом, если два газа, один из которых легче другого, пропускать через фильтр с ничтожно малыми отверстиями, то через него пройдет несколько больше легкого газа, чем тяжелого. В ноябре 1942 года Юри и Даннинг из Колумбийского университета создали на основе метода Рейли газодиффузионный метод разделения изотопов урана. Так как природный уран — твердое вещество, то его сначала превращали во фтористый уран (UF6). Затем этот газ пропускали через микроскопические — порядка тысячных долей миллиметра — отверстия в перегородке фильтра. Так как разница в молярных весах газов была очень мала, то за перегородкой содержание урана‑235 увеличивалось всего в 1, 0002 раза. Для того чтобы увеличить количество урана‑235 еще больше, полученную смесь снова пропускают через перегородку, и количество урана опять увеличивается в 1, 0002 раза. Таким образом, чтобы повысить содержание урана‑235 до 99%, нужно было пропускать газ через 4000 фильтров. Это происходило на огромном газодиффузионном заводе в Ок‑Ридж.

В 1940 году под руководством Эрнста Лоуренса в Калифорнийском университете начались исследования по разделению изотопов урана электромагнитным методом. Необходимо было найти такие физические процессы, которые позволили бы разделять изотопы, пользуясь разностью их масс. Лоуренс предпринял попытку разделить изотопы, используя принцип масс‑спектрографа — прибора, с помощью которого определяют массы атомов. Принцип его действия сводился к следующему: предварительно ионизированные атомы ускорялись электрическим полем, а затем пропускались через магнитное поле, в котором они описывали окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной направлению поля. Так как радиусы этих траекторий были пропорциональны массе, легкие ионы оказывались на окружностях меньшего радиуса, чем тяжелые. Если на пути атомов размещали ловушки, то можно было таким образом раздельно собирать различные изотопы.

Таков был метод. В лабораторных условиях он дал неплохие результаты. Но строительство установки, на которой разделение изотопов могло бы производиться в промышленных масштабах, оказалось чрезвычайно сложным. Однако Лоуренсу в конце концов удалось преодолеть все трудности. Результатом его усилий стало появление калутрона, который был установлен на гигантском заводе в Ок‑Ридже.

Этот электромагнитный завод был построен в 1943 году и оказался едва ли не самым дорогостоящим детищем «Манхэттенского проекта». Метод Лоуренса требовал большого количества сложных, еще не разработанных устройств, связанных с высоким напряжением, высоким вакуумом и сильными магнитными полями. Масштабы затрат оказались огромны. Калутрон имел гигантский электромагнит, длина которого достигала 75 м при весе около 4000 тонн. На обмотки для этого электромагнита пошло несколько тысяч тонн серебряной проволоки.

Все работы (не считая стоимости серебра на сумму 300 миллионов долларов, которое государственное казначейство предоставило только на время) обошлись в 400 миллионов долларов. Только за электроэнергию, затраченную калутроном, министерство обороны заплатило 10 миллионов. Большая часть оборудования ок‑риджского завода превосходила по масштабам и точности изготовления все, что когда‑либо разрабатывалось в этой области техники.

Но все эти затраты оказались не напрасными. Издержав в общей сложности около 2 миллиардов долларов, ученые США к 1944 году создали уникальную технологию обогащения урана и производства плутония. Тем временем в Лос‑Аламосской лаборатории работали над проектом самой бомбы. Принцип ее действия был в общих чертах ясен уже давно: делящееся вещество (плутоний или уран‑235) следовало в момент взрыва перевести в критическое состояние (для осуществления цепной реакции масса заряда должна быть даже заметно больше критической) и облучить пучком нейтронов, что влекло за собой начало цепной реакции. По расчетам, критическая масса заряда превосходила 50 килограмм, но ее смогли значительно уменьшить. Вообще на величину критической массы сильно влияют несколько факторов. Чем больше поверхностная площадь заряда — тем больше нейтронов бесполезно излучается в окружающее пространство. Наименьшей площадью поверхности обладает сфера. Следовательно, сферические заряды при прочих равных условиях имеют наименьшую критическую массу. Кроме того, величина критической массы зависит от чистоты и вида делящихся материалов. Она обратно пропорциональна квадрату плотности этого материала, что позволяет, например, при увеличении плотности вдвое, уменьшить критическую массу в четыре раза. Нужную степень подкритичности можно получить, к примеру, уплотнением делящегося материала за счет взрыва заряда обычного взрывчатого вещества, выполненного в виде сферической оболочки, окружающей ядерный заряд. Критическую массу, кроме того, можно уменьшить, окружив заряд экраном, хорошо отражающим нейтроны. В качестве такого экрана могут быть использованы свинец, бериллий, вольфрам, природный уран, железо и многие другие.

Одна из возможных конструкций атомной бомбы состоит из двух кусков урана, которые, соединяясь, образуют массу больше критической. Для того чтобы вызвать взрыв бомбы, надо как можно быстрее сблизить их. Второй метод основан на использовании сходящегося внутрь взрыва. В этом случае поток газов от обычного взрывчатого вещества направлялся на расположенный внутри делящийся материал и сжимал его до тех пор, пока он не достигал критической массы. Соединение заряда и интенсивное облучение его нейтронами, как уже говорилось, вызывает цепную реакцию, в результате которой в первую же секунду температура возрастает до 1 миллиона градусов. За это время успевало разделиться всего около 5% критической массы. Остальная часть заряда в бомбах ранней конструкции испарялась без всякой пользы.

Первая в истории атомная бомба (ей было дано имя «Тринити») была собрана летом 1945 года. А 16 июня 1945 года на атомном полигоне в пустыне Аламогордо (штат Нью‑Мексико) был произведен первый на Земле атомный взрыв. Бомбу поместили в центре полигона на вершине стальной 30‑метровой башни. Вокруг нее на большом расстоянии размещалась регистрирующая аппаратура. В 9 км находился наблюдательный пункт, а в 16 км — командный. На всех свидетелей этого события атомный взрыв произвел потрясающее впечатление. По описанию очевидцев, было такое ощущение, будто множество солнц соединилось в одно и разом осветило полигон. Затем над равниной возник огромный огненный шар и к нему медленно и зловеще стало подниматься круглое облако пыли и света. Оторвавшись от земли, этот огненный шар за несколько секунд взлетел на высоту более трех километров. С каждым мгновением он разрастался в размерах, вскоре его диаметр достиг 1, 5 км, и он медленно поднялся в стратосферу. Затем огненный шар уступил место столбу клубящегося дыма, который вытянулся на высоту 12 км, приняв форму гигантского гриба. Все это сопровождалось ужасным грохотом, от которого дрожала земля. Мощность взорвавшейся бомбы превзошла все ожидания.

Как только позволила радиационная обстановка, несколько танков «Шерман», выложенные изнутри свинцовыми плитами, ринулись в район взрыва. На одном из них находился Ферми, которому не терпелось увидеть результаты своего труда. Его глазам предстала мертвая выжженная земля, на которой в радиусе 1, 5 км было уничтожено все живое. Песок спекся в стекловидную зеленоватую корку, покрывавшую землю. В огромной воронке лежали изуродованные остатки стальной опорной башни. Сила взрыва была оценена в 20000 тонн тротила.

Следующим шагом должно было стать боевое применение бомбы против Японии, которая после капитуляции фашистской Германии одна продолжала войну с США и их союзниками. Ракет‑носителей тогда еще не было, поэтому бомбардировку предстояло осуществить с самолета. Компоненты двух бомб были с большой осторожностью доставлены крейсером «Индианаполис» на остров Тиниан, где базировалась 509‑я сводная группа ВВС США. По типу заряда и конструкции эти бомбы несколько отличались друг от друга. Первая бомба — «Малыш» — представляла собой крупногабаритную авиационную бомбу с атомным зарядом из сильно обогащенного урана‑235. Длина ее была около 3 м, диаметр — 62 см, вес — 4, 1 т. Вторая бомба — «Толстяк» — с зарядом плутония‑239 имела яйцеобразную форму с крупногабаритным стабилизатором. Длина ее составляла 3, 2 м, диаметр 1, 5 м, вес — 4, 5 т.

6 августа бомбардировщик Б‑29 «Энола Гэй» полковника Тиббетса сбросил «Малыша» на крупный японский город Хиросиму. Бомба опускалась на парашюте и взорвалась, как это и было предусмотрено, на высоте 600 м от земли. Последствия взрыва были ужасны. Даже на самих пилотов вид уничтоженного ими в одно мгновение мирного города произвел гнетущее впечатление. Позже один из них признался, что они видели в эту секунду самое плохое, что только может увидеть человек. Для тех же, кто находился на земле, происходящее напоминало подлинный ад. Прежде всего, над Хиросимой прошла тепловая волна. Ее действие длилось всего несколько мгновений, но было настолько мощным, что расплавило даже черепицу и кристаллы кварца в гранитных плитах, превратило в уголь телефонные столбы на расстоянии 4 км и, наконец, настолько испепелило человеческие тела, что от них остались только тени на асфальте мостовых или на стенах домов. Затем из‑под огненного шара вырвался чудовищный порыв ветра и промчался над городом со скоростью 800 км/ч, сметая все на своем пути. Не выдержавшие его яростного натиска дома рушились как подкошенные. В гигантском круге диаметром 4 км не осталось ни одного целого здания. Через несколько минут после взрыва над городом прошел черный радиоактивный дождь — это превращенная в пар влага сконденсировалась в высоких слоях атмосферы и выпала на землю в виде крупных капель, смешанных с радиоактивной пылью. После дождя на город обрушился новый порыв ветра, на этот раз дувший в направлении эпицентра. Он был слабее первого, но все же достаточно силен, чтобы вырывать с корнем деревья. Ветер раздул гигантский пожар, в котором горело все, что только могло гореть. Из 76 тысяч зданий полностью разрушилось и сгорело 55 тысяч. Свидетели этой ужасной катастрофы вспоминали о людях‑факелах, с которых сгоревшая одежда спадала на землю вместе с лохмотьями кожи, и о толпах обезумивших людей, покрытых ужасными ожогами, которые с криком метались по улицам. В воздухе стоял удушающий смрад от горелого человеческого мяса. Всюду валялись люди, мертвые и умирающие. Было много таких, которые ослепли и оглохли и, тычась во все стороны, не могли ничего разобрать в царившем вокруг хаосе. Несчастные, находившиеся от эпицентра на расстоянии до 800 м, за доли секунды сгорели в буквальном смысле слова — их внутренности испарились, а тела превратились в комки дымящихся углей. Находившиеся от эпицентра на расстоянии 1 км, были поражены лучевой болезнью в крайне тяжелой форме. Уже через несколько часов у них началась сильнейшая рвота, температура подскочила до 39‑40 градусов, появились одышка и кровотечения. Затем на коже высыпали незаживающие язвы, состав крови резко изменился, волосы выпали. После ужасных страданий, обычно на второй или третий день, наступала смерть. Всего от взрыва и лучевой болезни погибло около 240 тысяч человек. Около 160 тысяч получили лучевую болезнь в более легкой форме — их мучительная смерть оказалась отсроченной на несколько месяцев или лет. Когда известие о катастрофе распространилось по стране, вся Япония была парализована страхом. Он еще увеличился, после того как 9 августа самолет «Бокс Кар» майора Суини сбросил вторую бомбу на Нагасаки. Здесь также погибло и было ранено несколько сот тысяч жителей. Не в силах противостоять новому оружию, японское правительство капитулировало — атомная бомба положила конец Второй мировой войне.

Война закончилась. Она продолжалась всего шесть лет, но успела изменить мир и людей почти до неузнаваемости. Человеческая цивилизация до 1939 года и человеческая цивилизация после 1945 года разительно не похожи друг на друга. Тому есть много причин, но одна из важнейших — появление ядерного оружия. Можно без преувеличений сказать, что тень Хиросимы лежит на всей второй половине XX века. Она стала глубоким нравственным ожогом для многих миллионов людей, как бывших современниками этой катастрофы, так и родившихся через десятилетия после нее. Современный человек уже не может думать о мире так, как думали о нем до 6 августа 1945 года — он слишком ясно понимает, что этот мир может за несколько мгновений превратиться в ничто. Современный человек не может смотреть на войну, так как смотрели его деды и прадеды — он достоверно знает, что эта война будет последней, и в ней не окажется ни победителей, ни побежденных. Ядерное оружие наложило свой отпечаток на все сферы общественной жизни, и современная цивилизация не может жить по тем же законам, что шестьдесят или восемьдесят лет назад. Никто не понимал этого лучше самих создателей атомной бомбы. «Люди нашей планеты, — писал Роберт Оппенгеймер, — должны объединиться. Ужас и разрушение, посеянные последней войной, диктуют нам эту мысль. Взрывы атомных бомб доказали ее со всей жестокостью. Другие люди в другое время уже говорили подобные слова — только о другом оружии и о других войнах. Они не добились успеха. Но тот, кто и сегодня скажет, что эти слова бесполезны, введен в заблуждение превратностями истории. Нас нельзя убедить в этом. Результаты нашего труда не оставляют человечеству другого выбора, кроме как создать объединенный мир. Мир, основанный на законности и гуманизме».

84. ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ САМОЛЕТ

Турбореактивная авиация зародилась в годы Второй мировой войны, когда был достигнут предел совершенства прежних винтомоторных самолетов, оснащенных двигателями внутреннего сгорания. С каждым годом гонка за скоростью становилась все труднее, поскольку даже незначительный ее прирост требовал сотен добавочных лошадиных сил мощности двигателя и автоматически приводил к утяжелению самолета. В среднем, увеличение мощности на 1 л.с. вело за собой увеличение массы двигательной установки (самого двигателя, винта и вспомогательных средств) в среднем на 1 кг. Простые расчеты показывали, что создать винтомоторный самолет‑истребитель со скоростью порядка 1000 км/ч практически невозможно. Необходимая для этого мощность двигателя в 12000 лошадиных сил могла быть достигнута только при весе мотора порядка 6000 кг. В перспективе выходило, что дальнейший рост скорости приведет к вырождению боевых самолетов, превратит их в аппараты, способные носить лишь самих себя. Для оружия, радиооборудования, брони и запаса горючего на борту уже не оставалось места. Но даже такой ценой невозможно было получить большого прироста скорости. Более тяжелый мотор увеличивал общий вес машины, что заставляло увеличивать площадь крыла, это вело к возрастанию их аэродинамического сопротивления, для преодоления которого необходимо было повысить мощность двигателя. Таким образом, круг замыкался и скорость порядка 850 км/ч оказывалась предельно возможной для самолета с поршневым двигателем. Выход из этой порочной ситуации мог быть только один — требовалось создать принципиально новую конструкцию авиационного двигателя, что и было сделано, когда на смену поршневым самолетам пришли турбореактивные.

Принцип действия простого реактивного двигателя можно понять, если рассмотреть работу пожарного брандспойта. Вода под давлением подается по шлангу к брандспойту и истекает из него. Внутреннее сечение наконечника брандспойта суживается к концу, в связи с чем струя вытекающей воды имеет большую скорость, чем в шланге. Сила обратного давления (реакции) при этом бывает настолько велика, что пожарник зачастую должен напрягать все силы для того, чтобы удержать брандспойт в требуемом направлении. Этот же принцип можно применить в авиационном двигателе. Самым простым реактивным двигателем является прямоточный.

Представим себе трубу с открытыми концами, установленную на движущемся самолете. Передняя часть трубы, в которую поступает воздух вследствие движения самолета, имеет расширяющееся внутреннее поперечное сечение. Из‑за расширения трубы скорость поступающего в нее воздуха снижается, а давление соответственно увеличивается. Допустим, что в расширяющейся части в поток воздуха впрыскивается и сжигается горючее. Эту часть трубы можно назвать камерой сгорания. Сильно нагретые газы стремительно расширяются и вырываются через суживающееся реактивное сопло со скоростью, многократно превосходящей ту, которую воздушный поток имел на входе. За счет этого увеличения скорости создается реактивная сила тяги, которая толкает самолет вперед. Нетрудно видеть, что такой двигатель может работать лишь в том случае, если он движется в воздухе со значительной скоростью, но он не может приводиться в действие тогда, когда находится без движения. Самолет с таким двигателем должен или запускаться с другого самолета или разгоняться с помощью специального стартового двигателя. Этот недостаток преодолен в более сложном турбореактивном двигателе.

Наиболее ответственным элементом этого двигателя является газовая турбина (6), которая приводит во вращение воздушный компрессор (2), сидящий на одном с ней валу. Воздух, поступающий в двигатель, сначала сжимается во входном устройстве — диффузоре (1), затем в осевом компрессоре (2) и после этого попадает в камеру сгорания (3). Топливом обычно служит керосин, который вбрызгивается в камеру сгорания через форсунку. Из камеры продукты сгорания, расширяясь, поступают прежде всего на лопатки газовой турбины, приводя ее во вращение, а затем в сопло (7), в котором разгоняются до очень больших скоростей. Газовая турбина использует лишь небольшую часть энергии воздушно‑газовой струи. Остальная часть газов идет на создание реактивной силы тяги, которая возникает за счет истекания с большой скоростью струи продуктов сгорания из сопла. Тяга турбореактивного двигателя может форсироваться, то есть увеличиваться на короткий период времени различными способами. Например, это можно делать с помощью так называемого дожигания (при этом в поток газов позади турбины дополнительно впрыскивается топливо, которое сгорает за счет кислорода, не использованного в камерах сгорания). Дожиганием можно за короткий срок дополнительно увеличить тягу двигателя на 25‑30% при малых скоростях и до 70% при больших скоростях.

Газотурбинные двигатели начиная с 1940 года, произвели настоящую революцию в авиационной технике, но первые разработки по их созданию появились десятью годами прежде. Отцом турбореактивного двигателя по праву считается английский изобретатель Френк Уиттл. Еще в 1928 году, будучи слушателем в авиационной школе в Крэнуэлле, Уиттл предложил первый проект реактивного двигателя, оснащенного газовой турбиной. В 1930 году он получил на него патент. Государство в то время не заинтересовалось его разработками. Но Уиттл получил помощь от некоторых частных фирм, и в 1937 году по его проекту фирма «Бритиш‑Томсон‑Хаустон» построила первый в истории турбореактивный двигатель, получивший обозначение "U". Только после этого министерство авиации обратило внимание на изобретение Уиттла. Для дальнейшего совершенствования двигателей его конструкции была создана фирма «Пауэр», имевшая поддержку от государства.

Тогда же идеи Уиттла оплодотворили конструкторскую мысль Германии. В 1936 году немецкий изобретатель Охайн, в то время студент Геттингенского университета, разработал и запатентовал свой турбореактивный двигатель. Его конструкция почти ничем не отличалась от конструкции Уиттла. В 1938 году фирма «Хейнкель», принявшая Охайна на работу, разработала под его руководством турбореактивный двигатель HeS‑3B, который был установлен на самолете He‑178. 27 августа 1939 года этот самолет совершил первый успешный полет.

Конструкция He‑178 во многом предвосхищала устройство будущих реактивных самолетов. Воздухозаборник располагался в носовой части фюзеляжа. Воздух, разветвляясь, обходил кабину летчика и попадал прямым потоком в двигатель. Горячие газы истекали через сопло в хвостовой части. Крылья у этого самолета были еще деревянные, но фюзеляж — из дюралюминия. Двигатель, установленный позади кабины летчика, работал на бензине и развивал тягу 500 кг. Максимальная скорость самолета достигала 700 км/ч. В начале 1941 года Охайн разработал более совершенный двигатель HeS‑8 с тягой 600 кг. Два таких двигателя были установлены на следующем самолете He‑280V. Испытания его начались в апреле того же года и показали хороший результат — самолет развивал скорость до 925 км/ч. Однако серийное производство этого истребителя так и не началось (всего было изготовлено 8 штук) из‑за того, что двигатель все‑таки оказался ненадежным.

Тем временем «Бритиш‑Томсон‑Хаустон» выпустила двигатель W1.X, специально спроектированный под первый английский турбореактивный самолет «Глостер G40», который совершил свой первый полет в мае 1941 года (на самолете был установлен затем усовершенствованный двигатель Уиттла W.1). Английскому первенцу было далеко до немецкого. Максимальная скорость его равнялась 480 км/ч. В 1943 году был построен второй «Глостер G40» с более мощным двигателем, развивавший скорость до 500 км/ч.

По своей конструкции «Глостер» удивительно напоминал немецкий «Хейнкель». G40 имел цельнометаллическую конструкцию с воздухозаборником в носовой части фюзеляжа. Подводящий воздуховод был разделен и огибал с обеих сторон кабину летчика. Истечение газов происходило через сопло в хвосте фюзеляжа. Хотя параметры G40 не только не превосходили те, что имели в то время скоростные винтомоторные самолеты, но и заметно уступали им, перспективы применения реактивных двигателей оказались настолько многообещающими, что английское министерство авиации решило приступить к серийному выпуску турбореактивных истребителей‑перехватчиков. Фирма «Глостер» получила заказ на разработку такого самолета. В последующие годы сразу несколько английских фирм начали производить различные модификации турбореактивного двигателя Уиттла. Фирма «Ровер», взяв за основу двигатель W.1, разработала двигатели W2B/23 и W2B/26. Затем эти двигатели были куплены фирмой «Роллс‑Ройс», которая на их основе создала свои модели — «Уэллэнд» и «Дервент».

Первым в истории серийным турбореактивным самолетом стал, впрочем, не английский «Глостер», а немецкий «Мессершмитт» Ме‑262. Всего было изготовлено около 1300 таких самолетов различных модификаций, оснащенных двигателем фирмы «Юнкерс» «Юмо‑004B». Первый самолет этой серии был испытан в 1942 году. Он имел два двигателя с тягой 900 кг и развивал скорость 845 км/ч.

Английский серийный самолет «Глостер G41 Метеор» появился в 1943 году. Оснащенный двумя двигателями «Дервент» с тягой каждого по 900 кг, «Метеор» развивал скорость до 760 км/ч и имел высоту полета до 9000 м. В дальнейшем на самолеты начали устанавливать более мощные «Дервенты» с тягой около 1600 кг, что позволило увеличить скорость до 935 км/ч. Этот самолет отлично зарекомендовал себя, поэтому производство различных модификаций G41 продолжалось вплоть до конца 40‑х годов.

США в развитии реактивной авиации поначалу сильно отставали от европейских стран. Вплоть до Второй мировой войны здесь вообще не было предпринято никаких попыток создать реактивный самолет. Только в 1941 году, когда из Англии были получены образцы и чертежи двигателей Уиттла, эти работы развернулись полным ходом. Фирма «Дженерал Электрик», взяв за основу модель Уиттла, разработала турбореактивный двигатель I‑A, который был установлен на первом американском реактивном самолете P‑59A «Эркомет». Американский первенец впервые поднялся в воздух в октябре 1942 года. Он имел два двигателя, которые размещались под крыльями вплотную к фюзеляжу. Это была еще несовершенная конструкция. По свидетельству американских летчиков, испытывавших самолет, P‑59 был хорош в управлении, но летные данные его оставались неважными. Двигатель оказался слишком маломощным, так что это был скорее планер, чем настоящий боевой самолет. Всего было построено 33 таких машины. Их максимальная скорость составляла 660 км/ч, а высота полета до 14000 м.

Первым серийным турбореактивным истребителем в США стал «Локхид F‑80 Шутинг Стар» с двигателем фирмы «Дженерал Электрик» I‑40 (модификация I‑A). До конца 40‑х годов было выпущено около 2500 этих истребителей различных моделей. Скорость их в среднем составляла около 900 км/ч. Однако на одной из модификаций этого самолета XF‑80B 19 июня 1947 года впервые в истории была достигнута скорость 1000 км/ч.

В конце войны реактивные самолеты по многим параметрам еще уступали отработанным моделям винтомоторных самолетов и имели множество своих специфических недостатков. Вообще, при строительстве первых турбореактивных самолетов конструкторы во всех странах столкнулись со значительными трудностями. То и дело прогорали камеры сгорания, ломались лопатки турбин и компрессоров и, отделившись от ротора, превращались в снаряды, сокрушавшие корпус двигателя, фюзеляж и крыло. Но, несмотря на это, реактивные самолеты имели перед винтомоторными огромное преимущество — приращение скорости с увеличением мощности турбореактивного двигателя и его веса происходило гораздо стремительнее, чем у поршневого. Это решило дальнейшую судьбу скоростной авиации — она повсеместно становится реактивной. Увеличение скорости вскоре привело к полному изменению внешнего вида самолета. На околозвуковых скоростях старая форма и профиль крыла оказались неспособными нести самолет — он начинал «клевать» носом и входил в неуправляемое пике. Результаты аэродинамических испытаний и анализ летных происшествий постепенно привели конструкторов к новому типу крыла — тонкому, стреловидному.

Впервые такая форма крыльев появилась на советских истребителях. Несмотря на то что СССР позже западных государств приступил к созданию турбореактивных самолетов, советские конструкторы очень быстро сумели создать высококлассные боевые машины. Первым советским реактивным истребителем, запущенным в производство, был Як‑15. Он появился в конце 1945 года и представлял собой переоборудованный Як‑3 (известный во время войны истребитель с поршневым мотором), на который был установлен турбореактивный двигатель РД‑10 — копия трофейного немецкого «Юмо‑004B» с тягой 900 кг. Он развивал скорость около 830 км/ч.

В 1946 году на вооружение Советской армии поступил МиГ‑9, снабженный двумя турбореактивными двигателями «Юмо‑004B» (официальное обозначение РД‑20), а в 1947 году появился МиГ‑15 — первый в истории боевой реактивный самолет со стреловидным крылом, оснащенный двигателем РД‑45 (так обозначался двигатель «Нин» фирмы «Роллс‑Ройс», купленный по лицензии и модернизированный советскими авиаконструкторами) с тягой 2200 кг. МиГ‑15 поразительно отличался от своих предшественников и удивлял боевых летчиков необыкновенными, скошенными назад крыльями, огромным килем, увенчанным таким же стреловидным стабилизатором, и сигарообразным фюзеляжем. Самолет имел и другие новинки: катапультирующееся кресло и гидравлические усилители рулей. Он был вооружен скорострельной пушкой и двумя пулеметами (в более поздних модификациях — тремя пушками). Обладая скоростью 1100 км/ч и потолком в 15000 м, этот истребитель в течение нескольких лет оставался лучшим в мире боевым самолетом и вызвал к себе огромный интерес. (Позже конструкция МиГ‑15 оказала значительное влияние на проектирование истребителей в западных странах.) В короткое время МиГ‑15 стал самым распространенным истребителем в СССР, а также был принят на вооружение в армиях его союзников. Этот самолет хорошо зарекомендовал себя и во время Корейской войны. По многим параметрам он превосходил американские «Сейбры».

С появлением МиГ‑15 закончилось детство турбореактивной авиации и начался новый этап в ее истории. К этому времени реактивные самолеты освоили все дозвуковые скорости и вплотную приблизились к звуковому барьеру.

85. ВЕРТОЛЕТ

В течение почти сорока лет после своего появления самолет безраздельно господствовал в воздухе. За это время многократно возросли скорость и грузоподъемность крылатых машин, которые из неуклюжих фанерных «этажерок» превратились в мощных реактивных красавцев, воплощавшие в себе самые передовые технические достижения человеческой мысли. Однако при всех своих достоинствах любой самолет имеет один важный недостаток — для того чтобы оставаться в воздухе, он должен постоянно и с достаточно большой скоростью перемещаться в горизонтальной плоскости, ведь подъемная сила его крыльев напрямую зависит от скорости движения. Отсюда необходимость разбега при взлете и пробега при посадке, которые приковывают самолет к аэродрому.

Между тем часто возникает необходимость в таком летательном аппарате, который обладает подъемной силой, не зависящей от скорости полета, может вертикально подниматься и садиться, а кроме того, способен «зависать» в воздухе. Эта ниша после долгих конструкторских поисков была занята винтокрылой машиной — вертолетом. Обладая всеми летными качествами, присущими самолету, вертолет имеет, кроме того, целый ряд замечательных специфических свойств: он может взлетать с места без предварительного разбега, неподвижно висеть в воздухе на нужной высоте, передвигаться поступательно во всех направлениях, производить повороты в любом направлении как во время поступательного движения, так и при зависании; наконец, он может садиться на маленькую площадку без последующего пробега. Создание аппарата, обладавшего комплексом этих качеств, оказалось чрезвычайно сложным делом, поскольку теория вертолета намного сложнее теории самолета. Потребовались годы упорного труда многих конструкторов, прежде чем вертолет стал уверенно чувствовать себя в воздухе и смог разделить с самолетом заботы о воздушных перевозках.

Первые винтокрылые аппараты (геликоптеры и автожиры) появились едва ли не в одно время с первыми самолетами. В 1907 году четырехвинтовой вертолет французов Бреге и Рише впервые смог оторваться от земли и приподнять над чей человека. После этого многими изобретателями были предложены различные конструкции вертолетов. Все они имели сложную многовинтовую схему, в которой несколько винтов служили для поддержания аппарата в воздухе, а еще несколько других — для того, чтобы толкать его в нужном направлении. Одновинтовая схема (к которой в наше время принадлежит 90% всех вертолетов) никем поначалу всерьез не рассматривалась. Да и была ли она реальна? Поднять аппарат в воздух с помощью одного винта — еще куда ни шло. Но как сообщить ему горизонтальное поступательное движение? Как им управлять? Те изобретатели, которые достаточно хорошо разбирались в аэродинамике, указывали еще на один крупный недостаток одновинтовой схемы — наличие реактивного момента. Дело в том, что при осуществлении привода несущего винта от двигателя, жестко соединенного с гондолой, последний должен был вращать не столько сам винт, сколько (в противоположную сторону) корпус аппарата. Казалось, что парализовать реактивный момент можно лишь тогда, когда в конструкции вертолета используется несколько несущих винтов, вращающихся в противоположных направлениях. Причем винты эти могли располагаться как отдельно друг от друга (продольная и поперечная схемы), так и на одной оси — один под другим (соосная схема). Приходили на ум и другие достоинства многовинтовой схемы. Ведь имея несколько управляющих винтов, было легче направлять машину в нужном направлении. Но вскоре обнаружилось: чем больше у вертолета винтов, тем больше у него проблем — расчет аппарата даже с одним винтом представлял из себя очень сложную задачу; учесть же взаимное влияние многих винтов оказалось вообще невозможно (по крайней мере, в первой четверти XX века, когда аэродинамика делала только первые шаги, а теория воздушного винта только‑только начинала формироваться).

Значительную лепту в преодоление многих из перечисленных проблем внес русский изобретатель Борис Юрьев. Наиболее важные свои открытия он сделал еще в ту пору, когда был студентом Московского высшего технического училища и состоял активным членом Воздухоплавательного кружка известного русского ученого Жуковского. Заинтересовавшись одновинтовой схемой, Юрьев, прежде всего, задался вопросом: как сообщить вертолету поступательное движение в нужном направлении? Большая часть изобретателей в начале XX века, как уже говорилось, была уверена, что для этого необходимо снабдить аппарат не только несущими винтами, но и пропеллерами. Однако, экспериментируя со множеством различных моделей, Юрьев установил, что с помощью наклона оси несущего винта можно получить хорошую горизонтальную скорость полета, не делая специального винта‑пропеллера с горизонтальной тягой. Поступательного движения вертолета можно добиться также наклоном вперед корпуса аппарата. В этом случае сила большого винта разлагается на две силы — подъемную и тягу, и аппарат начинает двигаться поступательно. И чем больше наклон аппарат, тем больше будет скорость полета.

Следующая проблема заключалась в том, как уравновесить реактивный момент, действующий на гондолу. Юрьев предположил, что легче всего этого можно добиться с помощью маленького винта, расположенного на хвосте вертолета и приводимого во вращение легкой передачей. За счет того, что сила, создаваемая хвостовым винтом, прилагалась к длинному плечу (относительно центра тяжести аппарата), действие ее без труда компенсировало реактивный момент. Расчеты показывали, что на это уйдет 8‑15% мощности двигателя. Юрьев предложил далее сделать лопасти этого винта с изменяемым шагом. Увеличивая или уменьшая угол наклона этих лопастей к плоскости вращения, можно было увеличивать или уменьшать тягу этого винта. При большой тяге хвостовой винт должен был пересиливать реактивный момент главного винта и разворачивать гондолу в нужном направлении.

Но наибольшую трудность представляло создание надежной системы управления. Пилот должен был иметь в своем распоряжении устройства, позволявшие ему быстро менять ориентацию машины относительно всех ее трех осей: то есть поворачивать ее в любую сторону относительно вертикальной оси, наклонять корпус вверх и вниз, а также накренять его вправо и влево. Проблема поворота разрешалась с помощью небольшого хвостового винта. Для этого, как уже отмечалось, достаточно было сделать его лопасти поворачивающимися и соединить механизм их поворота с рулями. Но как обеспечить управляемость относительно продольной и поперечной осей? Самым простым средством было бы устройство еще двух рулевых винтов, вынесенных на консолях на некоторое расстояние от центра тяжести машины и поворачивающих вертолет в нужную для пилота сторону.

Здесь винт 1 служит для компенсации реактивного момента, а также выполняет роль руля направления; винт 2 дает крены и аналогичен по своему действию элеронам (перекашивающимся плоскостям крыльев самолета), а винт 3 служит как бы рулем высоты. Но эта система, кроме того, что была чрезмерно сложной, обладала еще тем недостатком, что делала вертолет очень неустойчивым в полете. Юрьев стал размышлять над вопросом: нельзя ли основной несущий винт устроить таким образом, чтобы он сам создавал два необходимых для управления вертолетом момента? Поиски его завершились в 1911 году изобретением одного из самых замечательных в истории вертолета устройств — созданием автомата перекоса.

Принцип действия этого автомата очень прост. Каждая лопасть винта описывает при вращении круг. Если лопасти несущего винта сделать подвижными относительно своих продольных осей, таким образом, что они смогут менять угол наклона к плоскости вращения, то можно очень легко управлять движением вертолета. Действительно, если часть очерчиваемого ею круга лопасть пройдет с большим углом установки, а другую часть — с меньшим, то, очевидно, тяга с одной стороны будет больше, а с другой меньше, и несущий винт (а вместе с ним и вся машина) будет поворачиваться в соответствующую сторону.

Автомат перекоса как раз и обеспечивал необходимую установку лопастей. Для этого на валу несущего винта на карданном подвесе устанавливалось кольцо, к которому с помощью шарниров были присоединены поводки, идущие к рычагам, поворачивающим лопасти. Кольцо вращалось вместе с валом винта. С двух сторон оно было охвачено свободно сидящим на нем неподвижным кольцом. Это последнее кольцо можно было свободно поворачивать с помощью рулевых тяг и давать ему любой наклон в двух плоскостях. При этом внутреннее кольцо также наклонялось, одновременно вращаясь внутри неподвижного кольца. Легко видеть, что при этом внутреннее кольцо будет совершать за один оборот полное колебание, что в свою очередь заставит колебаться каждую связанную с ним лопасть: все они в течение оборота будут менять установочный угол от какой‑то минимальной величины до максимальной. Углы эти будут зависеть от наклона неподвижного кольца, связанного с рычагами управления. Если пилоту требовалось повернуть в какую‑либо сторону свою машину, он должен был направить в эту сторону внешнее кольцо автомата перекоса. В этом режиме угол наклона каждой лопасти изменялся независимо от других лопастей. Но легко было сделать и так, чтобы автомат перекоса в случае необходимости мог менять угол установки сразу у всех лопастей одновременно. Это требовалось, к примеру, при поломке мотора в режиме, называемом авторотацией, когда под действием воздушного потока винт падающего вертолета начинал самопроизвольно вращаться, действуя как парашют. Вертолет при этом как бы планировал (в природе этот эффект можно наблюдать у падающих семян клена). Для этого достаточно было сделать кардан автомата перекоса, скользящим вдоль вала винта (сверху вниз). Поднимая или опуская автомат перекоса, пилот сразу поворачивал все лопасти винта в одну сторону, тем самым увеличивая или уменьшая установочный угол или делая его отрицательным (то есть способным вращаться в противоположную сторону, что как раз и требовалось при авторотации).

Таким образом, к 1911 году 22‑летний студент МВТУ Борис Юрьев разработал в общих чертах всю схему одновинтового вертолета. Запатентовать ее он не смог, так как не имел на это денег. В 1912 году по проекту Юрьева студенты МВТУ собрали нелетающий макет вертолета в натуральную величину. На международной выставке воздухоплавания и автомобилизма, проходившей в том же году в Москве, эта модель была удостоена малой золотой медали. Однако средств на то, чтобы построить действующую машину, у училища не нашлось. Начавшаяся вскоре Первая мировая, а затем и Гражданская войны надолго отвлекли Юрьева от работ над его проектом.

Между тем в других странах продолжали появляться модели многовинтовых вертолетов. В 1914 году построил свой геликоптер англичанин Мумфорд. На нем впервые был осуществлен полет с поступательной скоростью. В 1924 году француз Эмишен впервые пролетел на своем вертолете по замкнутому кругу. В то же время Юрьев, заняв пост начальника Экспериментального аэродинамического отдела ЦАГИ, попробовал реализовать свою одновинтовую схему. Под его руководством Алексей Черемухин построил первый советский вертолет 1‑ЭА.

Эта машина имела два рулевых винта и два мотора «Рон» мощностью по 120 л.с. каждый. Она также была впервые снабжена автоматом перекоса. Первые же испытания 1930 года дали блестящий результат. Пилотируемый Черемухиным вертолет уверенно отрывался от земли и легко взмывал на высоту нескольких сот метров, свободно описывал в воздухе восьмерки и другие сложные фигуры. В 1932 году Черемухин поднялся на этом вертолете на высоту 605 м, поставив тем самым абсолютный мировой рекорд. Однако и этот вертолет был еще очень далек от совершенства. Он был неустойчив. Несущий винт был сделан жестким (лопасти не меняли махового движения), что делало его работу неудовлетворительной. В дальнейшем были разработаны и построены другие модели. В 1938 году под руководством Братухина был создан первый советский двухвинтовой вертолет 11‑ЭА поперечной схемы. Но в целом в 30‑е годы вертолетостроение не получило в СССР государственной поддержки. В это время большую популярность получила теория, согласно которой самолет несравненно совершеннее вертолета и по скорости, и по грузоподъемности, а вертолет — это лишь дорогая игрушка. Только в 1940 году Юрьеву с большим трудом удалось добиться разрешения на создание специального конструкторского бюро, которое он и возглавил. Вскоре загруженный большой преподавательской работой, он передал руководство отделом Ивану Братухину. Через год началась война, и создание совершенного вертолета опять отдвинулось на неопределенный срок.

В это время лидером в вертолетостроении была Германия. Талантливый конструктор Фокке создал в 30‑е годы несколько совершенных двухвинтовых вертолетов поперечной схемы. В 1937 году на его вертолете FW‑61 были установлены мировые рекорды: высоты — 2439 м, скорости — 123 км/ч и дальности — 109 км полета. В 1939 году новый вертолет Фокке достиг высоты 3427 м, а в 1941 году его машина FA‑223 была запущен в небольшую серию. Война положила конец его разработкам, но успехи «Фокке‑Вульфов» надолго приковали внимание конструкторов к поперечной схеме.

В том, что одновинтовая схема все‑таки утвердилась в вертолетостроении как главенствующая, огромная заслуга принадлежит американскому авиаконструктору Игорю Сикорскому. (Русский по происхождению он в 1919 г эмигрировал в Америку, а в 1923 г. основал здесь свою фирму «Сикорский».) За свою жизнь Сикорский разработал несколько десятков моделей самолетов, но мировую славу ему принесло создание вертолета. Именно он впервые довел до совершенства классическую одновинтовую схему Юрьева.

Свой первый вертолет S‑46 (VC‑300) Сикорский построил в 1939 году. Он сразу отказался от мысли определить все параметры аппарата путем расчетов и решил создать такой вертолет, в который в ходе летных испытаний можно было бы легко вносить конструктивные изменения. Его машина имела подчеркнуто примитивный вид: простой фюзеляж был собран в виде фермы из стальных труб, летчик открыто сидел в маленьком кресле впереди двигателя. Движение от небольшого двигателя в 65 л.с. передавалось посредством ремней вверх на редуктор, от которого приводился простой по конструкции трехлопастный и трехшарнирный несущий винт. Хвостовой однолопастный рулевой винт устанавливался на длинной коробкообразной балке.

Уже первые испытания выявили многочисленные недостатки конструкции. Автомат перекоса работал очень плохо, так как был неправильно рассчитан; из‑за этого вертолет плохо слушался руля и раскачивался при подъеме. В конце концов, он опрокинулся и сильно поломался. Тогда Сикорский отказался от автомата перекоса и ввел три рулевых винта (реализовав таким образом раннюю схему Юрьева, о которой говорилось выше). В этой конструкции вертолет показал хорошую управляемость. В мае 1940 года Сикорский публично демонстрировал свое детище в Бриджпорте перед американскими летчиками. На присутствующих его машина произвела большое впечатление: вертолет свободно перемещался вверх и вниз, вбок и назад, неподвижно зависал и разворачивался на месте. Вертолет имел только один недостаток — он упорно не хотел лететь вперед. Понадобилось несколько месяцев на то, чтобы выяснить причину его «упрямства». Оказалось, что воздушные вихри, создаваемые несущим винтом, оказывали сильное воздействие на работу рулевых винтов, так что на большой скорости они отказывались работать. Когда рулевые винты были вынесены из зоны действия основного винта, маневренность и управляемость VS‑300 сразу значительно улучшилась. Вообще, VS‑300 имел для Сикорского огромное значение. В ходе двухлетних испытательных полетов на нем были опробованы несколько систем управления, различные типы винтов и конструкций, отработана сама форма вертолета. Количество конструкционных улучшений, внесенных в первоначальную модель, было настолько значительно, что к 1942 году от прежнего вертолета остались только кресло пилота, центральная часть фюзеляжа, топливный бак и два колеса главного шасси. Благодаря этим испытаниям намного облегчилось создание следующих вертолетов.

Вскоре командование ВВС США сделало Сикорскому заказ на разработку военного вертолета, который можно было бы использовать для корректировки огня и для связи. Новый образец получил наименование VS‑316 (S‑47). Многочисленные неудачи с первой машиной убедили конструктора в том, что автомат перекоса совершенно необходим для одновинтовой схемы. На этот раз автомат был рассчитан с большой тщательностью, что и предрешило успех модели. В январе 1942 года начались летные испытания готового вертолета. В апреле машина уже демонстрировалась перед военными. Сидевший за штурвалом пилот‑испытатель Чарльз Морис сумел показать огромные возможности винтокрылого летательного аппарата. Он зависал над головами изумленных зрителей, взлетал и снова садился на старое место — прямо в выемки от колес, перемещался вперед, назад, вбок, разворачивался на месте. Потом он поднимал специальной трубкой авоську с яйцами, переносил на другое место и опускал, не разбив ни одного. Были продемонстрированы и другие трюки, например, спуск и подъем пассажира по веревочной лестнице в зависший над землей вертолет. Сейчас это, разумеется, не вызывает удивления, но в то время было в диковинку и до глубины души поражало видавших виды генералов. Один из присутствовавших высокопоставленных начальников воскликнул: «Эта штука может делать все, что делает лошадь!» А известный английский летчик‑испытатель Бри признался: «Мы присутствовали при чуде». Под конец Морис продемонстрировал крейсерскую скорость — около 130 км/ч, поднялся над землей на 1500 м, а потом осуществил посадку с выключенным двигателем на авторотации.

В мае 1942 года VS‑316 был принят на вооружение армии США под наименованием XR‑4 и запущен в серийное производство. Всего было построено 130 таких вертолетов. В 1944 году они были впервые опробованы в боевых условиях в Бирме. Война здесь шла в джунглях, и вертолет оказался единственным транспортным средством, пригодным для снабжения войск. Японские истребители развернули настоящую охоту за тихоходными «вертушками», но не смогли сбить ни одного — при малейшей опасности вертолет прижимался к земле, скрывался между деревьями и таким образом легко уклонялся от боя.

В 1943 году фирма Сикорского выпустила новый вертолет XR‑5, отличавшийся гораздо большей скоростью и грузоподъемностью. Для него впервые был разработан специальный вертолетный двигатель. Всего было построено 65 таких машин, так как из‑за окончания войны министерство обороны аннулировало свои заказы. Между тем в 1944 году у Сикорского уже была готова новая модель — S‑49 (всего их было выпущено 229 штук).

После войны вертолеты начали быстро распространяться по всему миру. Сикорский недолго сохранял монополию на их производство, поскольку только в США 300 фирм приступили к разработке своих моделей винтокрылых машин. Однако Сикорский имел перед ними важные преимущества — хорошо отработанную конструкцию и налаженное производство. Несмотря на конкуренцию, его фирма не только процветала, но и расширяла производство. В 1946 году он разработал модель S‑51 (всего выпущено 554 машины), которая нашла широчайшее применение как в военной, так и в хозяйственной сферах. Этот вертолет был впервые оснащен автопилотом, который значительно облегчил управление. Однако самый большой успех выпал на вертолеты S‑55 «Чикасо» (1949) и S‑58 «Сибэт» (1954). Только на заводе Сикорского было собрано 1828 штук вертолетов первой модели и 2261 — второй. Кроме того, множество фирм в разных странах приобрело лицензию на их производство. В 1952 году два S‑55‑х впервые совершили перелет через Атлантический океан (с одной дозаправкой на палубе авианосца) из Америки в Европу. S‑58 был признан лучшим вертолетом первого поколения. Он стал также «лебединой песней» самого Сикорского. В 1957 году 68‑летний конструктор отошел от руководства компанией.

В эти годы полным ходом развернулась разработка вертолетов в СССР. После войны Юрьев сумел добиться организации двух новых КБ: Михаила Миля, который взялся разрабатывать одновинтовой вертолет, и Николая Камова, избравшего соосную схему. В работу по проектированию вертолета включилось также КБ Яковлева. Продолжал свои работы над вертолетами поперечной схемы Братухин. В 1946 году появился его вертолет Г‑3. В 1947 году выпустил свой первый вертолет Ка‑8 Камов. Но когда в конце 40‑х годов был объявлен конкурс на лучшую советскую модель, его выиграл вертолет Миля Ми‑1, созданный по одновинтовой схеме Юрьева. В 1951 году он был запущен в производство.

86. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МАШИНА

Механизация и машинизация вычислительных операций — одно из основополагающих технических достижений второй трети XX века. Подобно тому, как появление первых прядильных машин послужило началом великого промышленного переворота XVIII‑XIX веков, создание электронной вычислительной машины стало предвестником грандиозной научно‑технической и информационной революции второй половины XX столетия. Этому важному событию предшествовала длинная предыстория. Первые попытки собрать счетную машину предпринимались еще в XVII веке, а простейшие вычислительные приспособления, типа абака и счет, появились еще раньше — в древности и средневековье.

Хотя автоматическое вычислительное устройство относится к роду машин, его нельзя поставить в один ряд с промышленными машинами, скажем, с токарным или ткацким станком, ведь в отличие от них оно оперирует не физическим материалом (нитями или деревянными заготовками), а идеальными, не существующими в природе числами. Поэтому перед создателем любой вычислительной машины (будь то простейший арифмометр или новейший суперкомпьютер) стоят специфические проблемы, не возникающие у изобретателей в других областях техники. Их можно сформулировать следующим образом: 1. Как физически (предметно) представить числа в машине? 2. Как осуществить ввод исходных числовых данных? 3. Каким образом смоделировать выполнение арифметических операций? 4. Как представить вычислителю введенные исходные данные и результаты вычислений?

Одним из первых эти проблемы преодолел знаменитый французский ученый и мыслитель Блез Паскаль. Ему было 18 лет, когда он начал работать над созданием особой машины, с помощью которой человек, даже не знакомый с правилами арифметики, мог бы производить четыре основных действия. Сестра Паскаля, бывшая свидетельницей его работы, писала позже: «Эта работа утомляла брата, но не из‑за напряжения умственной деятельности и не из‑за механизмов, изобретение которых не вызывало у него особых усилий, а из‑за того, что рабочие с трудом понимали его». И это неудивительно. Точная механика только рождалась, и качество, которого требовал Паскаль, превышало возможности его мастеров. Поэтому изобретателю самому нередко приходилось браться за напильник и молоток или ломать голову над тем, как изменить в соответствии с квалификацией мастера интересную, но сложную конструкцию. Первая работающая модель машины была готова в 1642 году. Паскаля она не удовлетворила, и он сразу же начал конструировать новую. «Я не экономил, — писал он впоследствии о своей машине, — ни времени, ни труда, ни средств, чтобы довести ее до состояния быть полезной… Я имел терпение сделать до 50 различных моделей…» Наконец в 1645 году усилия его увенчались полным успехом — Паскаль собрал машину, которая удовлетворяла его во всех отношениях.

Что же представляла из себя эта первая в истории вычислительная машина и каким образом были разрешены перечисленные выше задачи? Механизм машины был заключен в легкий латунный ящичек. На верхней его крышке имелось 8 круглых отверстий, вокруг каждого из которых была нанесена круговая шкала. Шкала крайнего правого отверстия делилась на 12 равных частей, шкала соседнего с ним отверстия — на 20 частей, остальные шесть отверстий имели десятичное деление. Такая градуировка соответствовала делению ливра — основной французской денежной единицы того времени: 1 су = 1/20 ливра и 1 денье = 1/12 су. В отверстиях были видны зубчатые установочное колеса, находившиеся ниже плоскости верхней крышки. Число зубьев каждого колеса было равно числу делений шкалы соответствующего отверстия.

Ввод чисел осуществлялся следующим образом. Каждое колесо вращалось независимо от другого на собственной оси. Поворот производился с помощью ведущего штифта, который вставлялся между двумя смежными зубьями. Штифт поворачивал колесо до тех пор, пока не наталкивался на неподвижный упор, закрепленный в нижней части крышки и выступающий внутрь отверстия левее цифры "1" круговой шкалы. Если, например, штифт ставили между зубьями 3 и 4 и вращали колесо до упора, то оно поворачивалось на 3/10 своей полной окружности. Поворот каждого колеса передавался посредством внутреннего механизма цилиндрическим барабанам, оси которых были расположены горизонтально. На боковой поверхности барабанов были нанесены ряды цифр.

Сложение чисел, если сумма их не превышала 9, происходило очень просто и соответствовало сложению пропорциональных им углов. При сложении больших чисел должна была производиться операция, которая называется переносом десятка в старший разряд. Люди, считающие в столбик или на счетах, должны производить ее в уме. Машина Паскаля выполняла перенос автоматически, и это было ее наиболее важной отличительной чертой.

Элементами машины, относящимися к одному разряду, были установочное колесо N, цифровой барабан I и счетчик, состоящий из четырех корончатых колес B, одного зубчатого колеса K и механизма передачи десятков.

Заметим, что колеса B1, B2 и K не имеют принципиального значения для работы машины и использовались лишь для передачи движения установочного колеса N цифровому барабану I. Зато колеса B3 и B4 являлись неотъемлемыми элементами счетчика и поэтому именовались «счетными колесами». Счетные колеса двух соседних разрядов A1 и A2, были жестко насажены на оси. Механизм передачи десятков, который Паскаль назвал «перевязь», имел следующее устройство. На счетном колесе B1 младшего в машине Паскаля разряда имелись стерженьки C1, которые при вращении оси A1 входили в зацепление с зубьями вилки M, расположенной на конце двухколенного рычага D1. Этот рычаг свободно вращался на оси A2 старшего разряда, вилка же несла на себе подпружиненную собачку. Когда при вращении оси A1 колесо B1 достигало позиции, соответствующей цифре 6, стержни C1 входили в зацепление с зубьями вилки, а в тот момент, когда оно переходило от 9 к 0, вилка выскальзывала из зацепления и под действием собственного веса падала вниз, увлекая за собой собачку. Последняя при этом проталкивала счетное колесо B2 старшего разряда на один шаг вперед (то есть поворачивая его вместе с осью A2 на 36 градусов). Рычаг H, оканчивавшийся зубом в виде топорика, играл роль зацепки, препятствовавшей вращению колеса B1 в обратную сторону при поднимании вилки.

Механизм переноса действовал только при одном направлении вращения счетных колес и не допускал выполнения операции вычитания вращением колес в обратную сторону. Поэтому Паскаль заменил вычитание сложением с десятичным дополнением. Пусть, например, необходимо из 532 вычесть 87. Метод дополнения приводит к действиям: 532‑87=532‑(100‑13)=(532+13)‑100=445. Нужно только не забывать вычесть 100. На машине, имевшей определенное число разрядов, об этом, впрочем, можно было не беспокоиться. Действительно, пусть на шестиразрядной машине выполняется вычитание 532‑87. Тогда 000532+999913=1000445. Но самая первая единица потеряется сама собой, так как переносу из шестого разряда некуда деться.

Умножение также сводилось к сложению. Но поскольку в машине Паскаля слагаемое вводилось каждый раз заново, использовать ее для выполнения этой арифметической операции было крайне трудно.

Следующий этап в развитии вычислительной техники связан с именем знаменитого немецкого математика Лейбница. В 1672 году Лейбниц посетил голландского физика и изобретателя Гюйгенса и был свидетелем того, как много времени и сил отнимали у него разнообразные математические расчеты. Тогда у Лейбница и появилась мысль о создании арифмометра. «Это недостойно таких замечательных людей, — писал он, — подобно рабам, терять время на вычислительную работу, которую можно было бы доверить кому угодно при использовании машин». Однако создание такой машины потребовало от Лейбница всей его изобретательности. Его знаменитый 12‑разрядный арифмометр появился только в 1694 году и обошелся в круглую сумму — 24000 талеров.

В основе механизма машины лежал изобретенный Лейбницем ступенчатый валик, представлявший собой цилиндр с нанесенными на нем зубцами различной длины. В 12‑разрядном арифмометре таких валиков было 12 — по одному на каждый разряд числа.

Арифмометр состоял из двух частей — неподвижной и подвижной. В неподвижной помещался основной 12‑разрядный счетчик и ступенчатый валик устройства ввода. Установочная часть этого устройства, состоявшая из восьми малых цифровых кругов, была расположена в подвижной части машины. В центре каждого круга располагалась ось, на которую под крышкой машины было насажено зубчатое колесо E, а поверх крышки установлена стрелка, которая вращалась вместе с осью. Конец стрелки мог быть установлен против любой цифры круга.

Ввод данных в машину осуществлялся с помощью особого механизма. Ступенчатый валик S был насажен на четырехгранную ось с нарезкой типа зубчатой рейки. Эта рейка входила в зацепление с десятизубым колесом E, на окружности которого были нанесены цифры 0, 1…9. Поворачивая это колесо так, чтобы в прорези крышки появилась та или другая цифра, перемещали ступенчатый валик параллельно оси зубчатого колеса F основного счетчика. Если после этого поворачивали валик на 360 градусов, то в зацепление с колесом F входили одна, две и т.д. наиболее длинные ступени, в зависимости от величины сдвига. Соответственно колесо F поворачивалось на 0, 1…9 частей полного оборота; также поворачивался диск или ролик R. Со следующим оборотом валика на счетчик вновь переносилось то же число.

Вычислительные машины Паскаля и Лейбница, так же как и некоторые другие, появившиеся в XVIII столетии, не получили широкого распространения. Они были сложны, дороги, да и общественная потребность в подобных машинах была еще не очень острой. Однако по мере развития производства и общества такая потребность стала ощущаться все больше и больше, особенно при составлении различных математических таблиц. Повсеместное распространение в Европе конца XVIII — начала XIX века получили арифметические, тригонометрические и логарифмические таблицы; банки и ссудные конторы применяли таблицы процентов, а страховые компании — таблицы смертности. Но совершенно исключительное значение (в особенности для Англии — «великой морской державы») имели астрономические и навигационные таблицы. Предсказания астрономов относительно положения небесных тел были в то время единственным средством, позволявшим морякам определять местонахождение их кораблей в открытом море. Эти таблицы входили в «Морской календарь», который выходил ежегодно. Каждое издание требовало огромного труда десятков и сотен счетчиков. Незачем говорить, как важно было избежать при составлении этих таблиц ошибок. Но ошибки все равно были. Сотни и даже тысячи неверных данных содержали также самые распространенные таблицы — логарифмические. Издатели этих таблиц были вынуждены содержать специальный штат корректоров, проверявших полученные вычисления. Но и это не спасало от ошибок.

Положение было настолько серьезным, что английское правительство — первое в мире — озаботилось о создании специальной вычислительной машины для составления подобных таблиц. Разработка машины (ее называют разностной) была поручена известному английскому математику и изобретателю Чарльзу Бэббиджу. В 1822 году была изготовлена действующая модель. Поскольку значение изобретения Бэббиджа, а также значение разработанного им способа машинных вычислений очень велики, следует подробнее остановиться на устройстве разностной машины.

Рассмотрим прежде на простом примере метод, предложенный Бэббиджем для составления таблиц. Допустим, требуется вычислить таблицу четвертых степеней членов натурального ряда 1, 2, 3…

Пусть такая таблица уже вычислена для некоторых членов ряда в колонке 1 — и полученные значения занесены в колонку 2. Вычтем из каждого последующего значения предыдущее. Получится последовательное значение первых разностей (колонка 3). Проделав ту же операцию с первыми разностями, получим вторые разности (колонка 4), третьи (колонка 5) и, наконец, четвертые (колонка 6). При этом четвертые разности оказываются постоянными: колонка 6 состоит из одного и того же числа 24. И это не случайность, а следствие важной теоремы: если функция (в данном случае это функция y(x)=x4, где x принадлежит множеству натуральных чисел) есть многочлен n‑й степени, то в таблице с постоянным шагом его n‑е разности будут постоянны.

Теперь легко догадаться, что получить требуемую таблицу можно исходя из первой строки с помощью сложения. Например, чтобы продолжить начатую таблицу еще на одну строку, нужно выполнить сложения:

156+24=180

590+180=770

1695+770=2465

4096+2465=6561

В разностной машине Бэббиджа применялись те же десятичные счетные колеса, что и у Паскаля. Для изображения числа использовались регистры, состоящие из набора таких колес. Каждой колонке таблицы, кроме 1, содержащей ряд натуральных чисел, соответствовал свой регистр; всего в машине их было семь, поскольку предполагалось вычислять функции с постоянными шестыми разностями. Каждый регистр состоял из 18 цифровых колес по числу разрядов изображаемого числа и нескольких дополнительных, используемых как счетчик числа оборотов для других вспомогательных целей.

Если все регистры машины хранили значения, соответствующие последней строке нашей таблицы, то для получения очередного значения функции в колонке 2 необходимо было последовательно выполнить число сложений, равное числу сложений имеющихся разностей. Сложение в разностной машине происходило в два этапа. Регистры, содержащие слагаемые, сдвигались так, чтобы произошло зацепление зубцов счетных колес. После этого колеса одного из регистров вращались в обратном направлении, пока каждое из них не доходило до нуля. Этот этап назывался фазой сложения. По окончании этого этапа в каждом разряде второго регистра получалась сумма цифр данного разряда, но пока еще без учета возможных переносов из разряда в разряд. Перенос происходил на следующем этапе, который назывался фазой переноса, и выполнялся так. При переходе каждого колеса в фазе сложения от 9 к 0 в этом разряде освобождалась специальная защелка. В фазе переноса все защелки возвращались на место специальными рычагами, которые одновременно поворачивали колесо следующего старшего разряда на один шаг. Каждый такой поворот мог в свою очередь вызвать в каком‑то из разрядов переход от 9 к 0 и, значит, освобождение защелки, которая снова возвращалась на место, сделав перенос в следующий разряд. Таким образом, возвращение защелок на место происходило последовательно, начиная с младшего разряда регистра. Такая система получила название сложения с последовательным переносом. Все остальные арифметические операции выполнялись посредством сложения. При вычитании счетные колеса вращались в противоположную сторону (в отличие от машины Паскаля, разностная машина Бэббиджа позволяла это делать). Умножение сводилось к последовательному сложению, а деление — к последовательному вычитанию.

Описанный способ можно было применять не только для вычисления многочленов, но и других функций, например, логарифмических или тригонометрических, хотя в отличие от многочленов они не имеют строго постоянных старших разностей. Однако все эти функции можно представить (разложить) в виде бесконечного ряда, то есть многочлена простого вида, и свести вычисление их значений в любой точке к задаче, которую мы уже рассмотрели. Например, sin x и cos x можно представить в виде бесконечных многочленов:

sin x = x — x3/3! + x5/5! ‑… + (‑1)n • x2n+1/(2n+1)! +…

cos x = 1 — x2/2! + x4/4! ‑… + (‑1)n • x2n/(2n)! +…

Эти разложения истинны для всех значений функции от 0 до p/4 (p/4=3, 14/4=0, 785) с очень большой точностью. Для значений x, которые больше p/4, разложение имеет другой вид, но на каждом из этих участков тригонометрическая функция может быть представлена в виде какого‑то многочлена. Количество пар слагаемых ряда, которые принимаются в расчет при вычислениях, зависит от точности, которую желают получить. Если, к примеру, требования к точности невелики, можно ограничиться двумя‑четырьмя первыми слагаемыми ряда, а остальные отбросить. Но можно взять больше слагаемых и вычислить значение функции в любой точке с какой угодно точностью. (Заметим, что 2!=1•2=2; 3!=1•2•3=6; 4!=1•2•3•4=24 и т.д.) Так вычисление значений любой функции сводилось Бэббиджем к одной простой арифметической операции — сложению. Причем при переходе от одного участка функции к другому, когда требовалось сменить значение разности, разностная машина сама давала звонок (он звонил после выполнения определенного числа шагов вычисления).

Уже одно создание разностной машины обеспечило бы Бэббиджу почетное место в истории вычислительной техники. Однако он не остановился на этом и начал разрабатывать конструкцию гораздо более сложной — аналитической машины, которая стала прямой предшественницей всех современных ЭВМ. В чем же заключалась ее особенность? Дело в том, что разностная машина, по существу, оставалась еще только сложным арифмометром и требовала для своей работы постоянного присутствия человека, который держал в своей голове всю схему (программу) расчетов и направлял действия машины по тому или иному пути. Понятно, что это обстоятельство являлось определенным тормозом при выполнении расчетов. Около 1834 года Бэббиджу пришла в голову мысль: «Нельзя ли создать машину, которая была бы универсальным вычислителем, то есть выполняла бы все действия без вмешательства человека и в зависимости от полученного на определенном этапе решения сама выбирала бы дальнейший путь вычисления?»

По существу это означало создание программно‑управляемой машины. Та программа, которая до этого находилась в голове оператора, теперь должна была быть разложена на совокупность простых и ясных команд, которые бы заранее вводились в машину и управляли ее работой. Никто и никогда еще не пытался создать подобной вычислительной машины, хотя сама идея программно‑управляемых устройств уже была в то время реализована. В 1804 году французский изобретатель Жозеф Жаккар придумал ткацкий станок с программным управлением. Принцип его работы сводился к следующему. Ткань, как известно, представляет собой переплетение взаимно перпендикулярных нитей. Переплетение это осуществляется на ткацком станке, в котором нити основы (продольные) продеты через глазки — отверстия в проволочных петлях, а поперечные продергиваются через эту основу в определенном порядке при помощи челнока. При самом простом переплетении петли через одну поднимаются, соответственно приподнимаются и продетые через них нити основы. Между поднятыми и оставшимися на месте нитями образуется промежуток, в который челнок протягивает за собой нить утка (поперечную). После чего поднятые петли опускаются, а остальные приподнимаются. При более сложном узоре переплетения нити следовало приподнимать в других различных комбинациях. Опусканием и подниманием нитей основы вручную занимался ткач, что обычно отнимало много времени. После 30‑летней настойчивой работы Жаккар изобрел механизм, позволявший автоматизировать движение петель в соответствии с заданным законом при помощи набора картонных карт с пробитыми в них отверстиями — перфокарт. В станке Жаккара глазки были связаны с длинными иглами, упирающимися в перфокарту. Встречая отверстия, иглы продвигались вверх, в результате чего связанные с ними глазки приподнимались. Если же иглы упирались в карты в том месте, где отверстий нет, они оставались на месте, удерживая так же связанные с ними глазки. Таким образом, промежуток для челнока, а тем самым и узор переплетения нитей определялся набором отверстий на соответствующих управляющих картах.

Этот же принцип управляющих перфокарт Бэббидж предполагал использовать в своей аналитической машине. Над ее устройством он работал в течение почти сорока лет: с 1834‑го до конца своей жизни в 1871 году, но так и не смог ее закончить. Однако после него осталось более 200 чертежей машины и ее отдельных узлов, снабженных множеством подробных примечаний, объясняющих их работу. Все эти материалы представляют огромный интерес и являются одним из удивительнейших в истории техники примеров научного предвидения.

По мысли Бэббиджа, аналитическая машина должна была включать четыре основных блока.

Первое устройство, которое Бэббидж назвал «мельница», было предназначено для выполнения четырех основных арифметических действий. Второе устройство — «склад» — предназначалось для хранения чисел (исходных, промежуточных и окончательных результатов). Исходные числа направлялись в арифметическое устройство, а промежуточные и конечные результаты получались из него. Основным элементом двух этих блоков были регистры из десятичных счетных колес. Каждое из них могло устанавливаться в одном из десяти положений и таким образом «запоминать» один десятичный знак. Память машины должна была включать в себя 1000 регистров по 50 числовых колес в каждом, то есть в ней можно было хранить 1000 пятидесятизначных чисел. Скорость выполняемых вычислений напрямую зависела от скорости вращения цифровых колес. Бэббидж предполагал, что сложение двух 50‑разрядных чисел будет занимать 1 секунду. Для переноса чисел из памяти в арифметическое устройство и обратно предполагалось использовать зубчатые рейки, которые должны были зацепляться с зубцами на колесах. Каждая рейка передвигалась до тех пор, пока колесо не занимало нулевое положение. Движение передавалось стержнями и связями в арифметическое устройство, где посредством другой рейки использовалось для перемещения в нужное положение одного из колес регистра. Базовой операцией аналитической машины, как и разностной, являлось сложение, а остальные сводились к ней. Для того чтобы вращать множество шестеренок, требовалось значительное внешнее усилие, которое Бэббидж рассчитывал получить за счет использования парового двигателя.

Третье устройство, управлявшее последовательностью операций, передачей чисел, над которыми производились операции, и выводом результатов, конструктивно представляло из себя два жаккаровых перфокарточных механизма. Перфокарты Бэббиджа отличались от перфокарт Жаккара, которыми управлялась только одна операция — подъем нити для получения нужного узора в процессе изготовления ткани. Управление работой аналитической машины включало различные виды операций, для каждой из которых требовался специальный вид перфокарт. Бэббидж выделил три основных вида перфокарт: операционные (или карты операций), переменные (или карты переменных) и числовые. Операционные перфокарты осуществляли управление машиной. Согласно выбитым на них командам происходило сложение, вычитание, умножение и деление чисел, находившихся в арифметическом устройстве.

Одной из наиболее дальновидных идей Бэббиджа было введение в совокупность команд, задаваемых последовательностью операционных перфокарт, команды условного перехода. Самого по себе программного управления (без использования условного перехода) было бы недостаточно для эффективной реализации сложной вычислительной работы. Линейная последовательность операций строго определена во всех пунктах. Это дорога известна во всех деталях до самого конца. Понятие «условный переход» означает переход вычислительной машины к другому участку программы, если предварительно выполняется некоторое условие. Имея возможность использовать команду условного перехода, составитель машинной программы был не обязан знать, по какой ступени расчета изменится признак, который оказывает влияние на выбор хода расчета. Применение условного перехода позволяло у каждой развилки дороги анализировать сложившуюся ситуацию и на основе этого выбирать тот или иной путь. Условные команды могли иметь самый различный вид: сравнение чисел, выборка требуемых численных значений, определение знака числа и т.п. Машина производила арифметические операции, сравнивала между собой полученные числа и сообразно с этим проводила дальнейшие операции. Таким образом, машина могла перейти к другой части программы, пропустить часть команд или вновь вернуться к выполнению какого‑либо участка программы, то есть организовать цикл. Введение команды условного перехода знаменовало собой начало использования в машине логических, а не только вычислительных операций.

С помощью второго вида перфокарт — переменных (или, по терминологии Бэббиджа, «карт переменных») осуществлялась передача чисел между памятью и арифметическим устройством. На этих картах указывались не сами числа, а лишь номера регистров памяти, то есть ячеек для хранения одного числа. Регистры памяти Бэббидж называл «переменными», указывая этим, что содержание регистра меняется в зависимости от хранящегося в нем числа. Аналитическая машина Бэббиджа использовала три вида карт переменных: для передачи числа в арифметическое устройство с сохранением его далее в памяти, для аналогичной операции, но без сохранения в памяти, и для ввода числа в память. Они получили названия: 1) «нулевая карта» (число вызывается из регистра памяти, после чего в регистре устанавливается нулевое значение); 2) «сохраняющая карта» (число вызывается из памяти без изменения содержания регистра); 3) «получающая карта» (число передается из арифметического устройства в память и записывается в один из регистров). При работе машины на одну операционную перфокарту приходилось в среднем три карты переменных. Они указывали номера ячеек памяти (адреса, по современной терминологии), в которых хранились два исходных числа, и номер ячейки, куда записывать результат.

Числовые перфокарты представляли основной вид перфокарт аналитической машины. С их помощью осуществлялся ввод исходных чисел для решения некоторой задачи и новых данных, которые могли потребоваться по ходу вычислений.

После выполнения предложенных вычислений машина выбивала ответ на отдельную перфокарту. Эти перфокарты оператор складывал по порядку их номеров и в дальнейшем использовал в работе (они являлись как бы ее внешней памятью). Например, когда в ходе вычислений машине требовалось значение логарифма 2303, она показывала его в особом окошечке и давала звонок. Оператор находил нужную перфокарту со значением этого логарифма и вводил в машину. «Все карты, — писал Бэббидж, — однажды использованные и изготовленные для одной задачи, могут быль использованы для решения тех же задач с другими данными, поэтому нет необходимости готовить их во второй раз — они могут тщательно сохраняться для будущего использования; со временем машина будет иметь собственную библиотеку».

Четвертый блок был предназначен для приема исходных чисел и выдачи конечных результатов и представлял из себя несколько устройств, обеспечивающих операции ввода‑вывода. Исходные числа вводились в машину оператором и поступали в ее запоминающее устройство, из которого извлекались и поступали на выход конечные результаты. Машина могла выводить ответ на перфокарте или печатать на бумаге.

В заключение следует отметить, что если разработка аппаратной части аналитической машины связана исключительно с именем Бэббиджа, то программирование решения задач на этой машине — с именем его хорошего друга — леди Адой Лавлейс, родной дочери великого английского поэта Байрона, которая горячо увлекалась математикой и великолепно разбиралась в сложных научных и технических проблемах. В 1842 году в Италии была напечатана статья молодого математика Менабреа с описанием аналитической машины Бэббиджа. В 1843 году леди Лавлейс перевела эту статью на английский язык, снабдив ее обширным и глубоким комментарием. Чтобы проиллюстрировать работу машины, леди Лавлейс приложила к статье составленную ею программу для вычисления чисел Бернулли. Ее комментарий по существу является первой в истории работой по программированию.

Аналитическая машина оказалась очень дорогим и сложным устройством. Английское правительство, поначалу финансировавшее работы Бэббиджа, вскоре отказало ему в помощи, поэтому он так и не смог завершить свой труд. Была ли оправдана сложность этой машины? Не во всем. Многие операции (особенно ввод‑вывод чисел и передача их от одного устройства к другому) значительно упростились бы, если бы Бэббидж использовал электрические сигналы. Однако его машина была задумана как чисто механическое устройство без каких бы то ни было электрических элементов, что ставило ее изобретателя часто в очень трудное положение. Между тем электромеханическое реле, ставшее позже основным элементом вычислительных машин, в это время уже было изобретено: его придумали в 1831 году одновременно Генри и Сальваторе даль Негро.

Применение электромеханических реле в вычислительной технике ведет свою историю с изобретения американца Германа Голлерита, создавшего комплекс устройств, предназначенных для обработки большого объема данных (например, результатов переписи). Потребность в такой машине была очень велика. Например, результаты переписи 1880 года обрабатывались в США 7, 5 лет. Такой значительный срок объяснялся тем, что необходимо было отсортировать громадное количество карточек (по одной на каждого из 50 миллионов жителей) с очень большим — 210 рубрик — набором вариантов ответов на задаваемые в карточке вопросы. Об этих проблемах Голлерит знал не понаслышке — он сам был сотрудником Бюро цензов США — статистического учреждения, ведавшего проведением переписей населения и обработкой их результатов.

Много работая над сортировкой карточек, Голлерит пришел к мысли механизировать этот процесс. Сперва он заменил карточки перфокартами, то есть вместо карандашной пометки варианта ответа придумал пробивать отверстие. С этой целью он разработал специальную 80‑колонную перфокарту, на которую в форме пробивок наносились все сведения об одном человеке, регистрируемые в ходе переписи. (Форма этой перфокарты не претерпела с тех пор существенных изменений.) Обычно для ответа на один вопрос использовалась одна полоска перфокарты, что позволяло фиксировать десять вариантов ответа (например, на вопрос о вероисповедании). В некоторых случаях (например, на вопрос о возрасте) можно было использовать две колонки, что давало сто вариантов ответа.

Вторая идея Голлерита была следствием первой — он создал первый в мире счетно‑перфорационный комплекс, включавший в себя входной перфоратор (для пробивки отверстий) и табулятор с устройством для сортировки перфокарт. Перфорация осуществлялась вручную на пробойнике, состоявшем из чугунного корпуса с приемником для карты и собственно пробойника. Над приемником помещалась пластина с несколькими рядами отверстий; при нажиме рукояти пробойника над одним из них карта под пластинкой пробивалась нужным образом. Сложный пробойник пробивал на группе карт общие данные одним нажатием руки. Сортировочная машина представляла собой несколько ящиков с крышками. Карты продвигались вручную между набором пружинных штырей и резервуарами, наполненными ртутью. Когда штырь попадал в отверстие, он касался ртути и замыкал электрическую цепь. При этом приподнималась крышка определенного ящика, и оператор клал туда карту. Табулятор (или суммирующая машина) прощупывал отверстия на перфокартах, воспринимая их как соответствующие числа и подсчитывая их. Принцип его действия был аналогичен сортировочной машине и базировался на использовании электромеханического реле (в качестве них также применялись пружинные штыри и чашечки с ртутью). Когда стержни при движении перфокарт попадали через отверстия в чашечки с ртутью, электрическая цепь замыкалась, и электрический сигнал передавался на счетчик, добавлявший к имеющемуся в нем числу новую единицу. Каждый счетчик имел циферблат со стрелкой, которая перемещалась на единицу шкалы при обнаружении отверстия. Если в табуляторе было 80 счетчиков, он мог одновременно подсчитывать результаты по 8 вопросам (с десятью вариантами ответов на каждый из них). Для подсчета результатов по следующим 8 вопросам та же перфокарта вновь пропускалась через табулятор другим своим участком. За один прогон сортировалось до 1000 карточек в час.

Первый патент (на идею) Голлерит получил в 1884 году. В 1887 году его машина была испытана в Балтиморе при составлении таблиц смертности населения. В 1889 году состоялось решающее испытание системы — проводилась пробная перепись в четырех районах города Сан‑Луи. Машина Голлерита намного опередила две конкурирующие с ней ручные системы (она работала в 10 раз быстрее). После этого правительство США заключило с Голлеритом договор о поставке оборудования к переписи 1890 года. Результаты этой переписи благодаря табулятору были обработаны всего за два года. Вследствие этого машина очень быстро получила международное признание и употреблялась во многих странах при обработке данных переписи населения.

В 1902 году Голлерит создал автоматический табулятор, в котором карты подавались не вручную, а автоматически, и модернизировал свою сортировочную машину. В 1908 году он создал принципиально новую модель суммирующей машины. Вместо чашек с ртутью здесь применялись контактные щетки, с помощью которых замыкались электрические цепи электромагнитов. Последние обеспечивали соединение и разъединение непрерывно вращающегося вала с цифровыми колесами счетчика сумматора. Цифровые колеса поворачивались через зубчатые зацепления от непрерывно вращающегося вала, который нес на себе скользящие кулачковые муфты, управляемые электромагнитами. Когда под контактной щеткой оказывалось отверстие, замыкалась электрическая цепь соответствующего электромагнита, и он включал муфту, которая подсоединяла цифровое колесо к вращающемуся валу, после чего содержимое счетчика в данном разряде увеличивалось на число, пропорциональное одному повороту колеса. Передача десятков осуществлялась примерно так же, как в разностной машине Бэббиджа.

Дело, начатое Голлеритом, имеет продолжение и в наше время. Еще в 1896 году он основал фирму «Табьюлейтинг Машин Компани», специализирующуюся на выпуске счетно‑перфорационных машин и перфокарт. В 1911 году, после того как Голлерит оставил предпринимательскую деятельность, его фирма слилась с тремя другими и была преобразована в широко известную сейчас во всем мире корпорацию IBM — крупнейшего разработчика в области вычислительной техники.

В табуляторе Голлерита впервые были использованы электромеханические элементы. Дальнейшее развитие вычислительной техники было связано с широким и многогранным применением электричества. В 1938 году немецкий инженер Конрад Цузе создал первую в истории релейную электронно‑вычислительную машину Z1 на телефонных реле (записывающее устройство в ней оставалось механическим). В 1939 году появилась более совершенная модель Z2, а в 1941 году Цузе собрал первую в мире действующую вычислительную машину с программным управлением, в которой использовалась двоичная система. Все эти машины погибли во время войны и поэтому не оказали большого влияния на дальнейшую историю вычислительной техники.

Независимо от Цузе постройкой релейных вычислительных машин занимался в США Говард Айкен. Будучи аспирантом Гарвардского университета, Айкен при работе над своей диссертацией был вынужден делать много сложных вычислений. Чтобы сократить время на вычислительную работу, он стал придумывать несложные машины для автоматического решения частных задач. В конце концов он пришел к идее автоматической универсальной вычислительной машины, способной решать широкий круг научных задач. В 1937 году его проектом заинтересовалась фирма IBM. В помощь Айкену была выделена бригада инженеров. Вскоре началась работа над постройкой машины «Марк‑1». Реле, счетчики, контактные и печатающие устройства ввода и вывода перфокарт были стандартными частями табуляторов, выпускаемых IBM. В 1944 году машина была собрана и передана Гарвардскому университету.

«Марк‑1» оставался машиной переходного типа. В ней широко использовались механические элементы для представления чисел и электромеханические для управления работой машины. Как и в аналитической машине Бэббиджа, числа хранились в регистрах, состоящих из десятизубых счетных колес. Всего в «Марке‑1» было 72 регистра и, кроме того, дополнительная память из 60 регистров, образованных механическими переключателями. В эту дополнительную память вручную вводились константы — числа, которые не изменялись в процессе вычисления. Каждый регистр содержал 24 колеса, причем 23 из них использовались для представления самого числа, а одно — для представления его знака. Регистры имели механизм для передачи десятков и поэтому использовались не только для хранения чисел, но и для выполнения операций над ними: число, находящееся в одном регистре, могло быть передано в другой и добавлено к находящемуся там числу (или вычтено из него). Эти операции выполнялись следующим образом. Через счетные колеса, образующие регистр, проходил непрерывно вращающийся вал, причем любое колесо с помощью электромеханических переключателей могло быть присоединено к этому валу на время, составляющее некоторую часть его оборота. К каждому числу присоединялась щетка (считывающий контакт), которая при вращении колеса пробегала по неподвижному десятисегментному контакту. Это позволяло получить электрический эквивалент цифры, хранящейся в данном разряде регистра. Для выполнения операции суммирования устанавливались такие соединения между щетками первого регистра и механизмом переключения второго регистра, что колеса последнего связывались с валом на часть периода оборота, пропорционального цифрам, находившимся в соответствующих разрядах первого регистра. Все переключатели автоматически выключались в конце фазы сложения, занимавшей не более половины периода оборота. Сам механизм суммирования по существу не отличался от сумматора голлеритовских табуляторов.

Умножение и деление производились в отдельном устройстве. Кроме того, в машине имелись встроенные блоки для вычисления функций sin x, log x и некоторых других. Скорость выполнения арифметических операций в среднем составляла: сложение и вычитание — 0, 3 секунды, умножение — 5, 7 секунды, деление — 15, 3 секунды. То есть «Марк‑1» был эквивалентен примерно 20 операторам, работающим с ручными счетными машинами.

Работой «Марк‑1» управляли команды, вводимые с помощью перфорированной ленты. Каждая команда кодировалась посредством пробивки отверстий в 24 колонках, идущих вдоль ленты, и считывалась с помощью контактных щеток. Пробивка на перфокартах преобразовывалась в набор импульсов. Совокупность электрических сигналов, полученных в результате «прощупывания» позиций данного ряда, определяла действия машины на данном шаге вычислений. Устройство управления на основании этих команд обеспечивало автоматическое выполнение всех вычислений в данной программе: осуществляло выборку чисел из ячеек памяти, давало команду требуемой арифметической операции, отправляло результаты вычислений в запоминающее устройство и т.д. В качестве устройства вывода Айкен использовал пишущие машины и перфораторы.

Вслед за пуском «Марк‑1» Айкен и его сотрудники начали работу над «Марком‑2», закончившуюся в 1947 году. В этой машине уже не было механических цифровых колес, а для запоминания чисел, выполнения арифметических операций и операций управления использовались электрические реле — всего их было 13 тысяч. Числа в «Марк‑2» представлялись в двоичном виде.

Двоичная система исчисления была предложена еще Лейбницем, который считал ее самой удобной для использования в вычислительных машинах. (Трактат на эту тему был написан в 1703 году.) Им же была разработана арифметика двоичных чисел. В двоичной системе, точно так же как в привычной нам десятичной, значение каждой цифры определяется ее позицией, но вместо обычного набора из десяти цифр используются только две: 0 и 1. Для того чтобы понять двоичную запись числа, посмотрим сначала, какой смысл имеет хорошо всем известная десятичная запись. Например, число 2901 можно представить в следующем виде:

2901 = 2 • 103 + 9 • 102 + 0 • 101 + 1 • 100

То есть, цифры: 2, 9, 0, 1 указывают на то, сколько единиц находится в каждом из десятичных разрядов числа. Если же вместо десятичной системы берется двоичная, каждая цифра будет указывать на то, сколько единиц содержится в каждом из двоичных разрядов. Например, число 13 записывается в двоичной системе так:

13 = 8 + 4 + 1 = 1 • 23 + 1 • 22 + 0 • 21 + 1 • 20 = 1101

Двоичная система достаточно громоздка (скажем, число 9000 будет в ней 14‑значным), но она очень удобна при выполнении арифметических операций. Вся таблица умножения в ней сводится к единственному равенству 1•1=1, а сложение имеет только три правила: 1) 0+0 дает 0; 2) 0+1 дает 1; 3) 1+1 дает 0 и перенос 1 в старший разряд.

Например:

+01011

Утверждение двоичной системы в вычислительной технике было обусловлено существованием простых технических аналогов двоичной цифры — электрических реле, которые могли находиться в одном из двух устойчивых состояний, первое из которых ставили в соответствие с 0, другое — с 1. Передача двоичного числа электрическими импульсами из одного машинного устройства в другое тоже очень удобна. Для этого достаточно всего двух различных по форме импульсов (или даже одного, если отсутствие сигнала считать за нуль).

Следует отметить, что релейные машины, созданные на заре истории ЭВМ, недолго использовались в вычислительной технике, поскольку были сравнительно медленнодействующими. Так же как в механической машине скорость вычислений определялась скоростью поворота цифровых колес, время работы схемы, составленной из реле, равнялось времени срабатывания и отпускания реле. Между тем даже самые быстрые реле не могли делать больше 50 срабатываний в секунду. Например, в «Марк‑2» операции сложения и вычитания занимали в среднем 0, 125 секунды, а умножение требовало 0, 25 секунды. Гораздо большим быстродействием обладали электронные аналоги электромеханических реле — вакуумные лампы‑триггеры. Они и стали базовыми элементами в ЭВМ первого поколения.

Триггер был изобретен еще в 1919 году русским инженером Бонч‑Бруевичем и независимо от него американцами Икклзом и Джорданом. Этот электронный элемент содержал две лампы, и в каждый момент мог находиться в одном из двух устойчивых состояний. Он представлял собой электронное реле, то есть при наличии сигнала управляющего импульса включал нужную линию или цепь электрического тока. Подобно электромеханическому реле он мог использоваться для обозначения одной двоичной цифры.

Рассмотрим принцип работы электронного реле, состоящего из двух электронных ламп‑триодов Л1 и Л2, которые могут находиться в одном баллоне. Напряжение с анода Л1 через сопротивление R1 подается на сетку Л2, а напряжение с анода Л2 подается на сетку Л1 через сопротивление R2. В зависимости от положения, в котором находится триггер, он дает низкий или высокий уровень напряжения на выходе. Допустим вначале, что лампа Л1 открыта, а Л2 — закрыта. Тогда напряжение на аноде открытой лампы мало по сравнению с напряжением на аноде закрытой лампы. Действительно, так как открытая лампа Л1 проводит ток, то большая часть анодного напряжения падает (по закону Ома u=i•R) на высоком анодном сопротивлении Ra, а на самой лампе (включенной с ним последовательно) падает лишь незначительная часть напряжения. Наоборот, в закрытой лампе анодный ток равен нулю, и все напряжение источника анодного напряжения падает на лампе. Поэтому с анода открытой лампы Л1 на сетку закрытой лампы падает значительно меньшее напряжение, чем с анода закрытой лампы Л2 на сетку Л1. Отрицательное напряжение Ec, поданное на сетки обеих ламп, выбирается таким, чтобы вначале лампа Л2 была закрыта, несмотря на наличие небольшого положительного напряжения, поданного с анода открытой лампы Л1 на сетку Л2. Лампа же Л1 вначале открыта, так как положительное напряжение, поданное на сетку с анода Л2, значительно больше, чем Ec. Таким образом, благодаря связи между лампами через сопротивления R1 и R2 начальное состояние является устойчивым и будет сохраняться сколько угодно долго.

Рассмотрим теперь, что произойдет в схеме, если на сетку открытой лампы Л1 подать извне отрицательное напряжение в виде короткого импульса тока такой величины, чтобы закрыть ее. При уменьшении анодного тока i1 напряжение на аноде лампы Л1 резко увеличится и, следовательно, увеличится положительное напряжение на сетке Л2. Это вызовет появление анодного тока i2 через лампу Л2, благодаря чему уменьшится анодное напряжение на лампе Л2. Понижение положительного напряжения на сетке Л1 приведет к еще большему уменьшению тока в Л1 и т.д. В результате такого лавинообразного нарастающего процесса уменьшения тока в Л1 и увеличения тока в Л2 лампа Л1 закроется, а лампа Л2 будет открыта. Таким образом, схема перейдет в новое устойчивое положение равновесия, которое будет сохраняться сколько угодно долго: «запоминается» поданный на вход 1 импульс. Возвращение электронного реле обратно в исходное состояние можно осуществить подачей импульса отрицательного напряжения на вход. Триггер имеет, следовательно, два устойчивых положения равновесия: начальное, при котором Л1 открыта, а Л2 закрыта, и так называемое «возбужденное» состояние, при котором Л1 закрыта, а Л2 открыта. Время переброса триггера из одного состояния в другое очень мало. Конденсаторы C1 и C2 служат для убыстрения срабатывания лампы.

Идея вычислительной машины, в которой в качестве запоминающего устройства использовались бы электронные лампы, принадлежит американскому ученому Джону Моучли. Еще в 30‑е годы он сделал несколько несложных вычислительных устройств на триггерах. Однако впервые электронные лампы при создании вычислительной машины применил другой американский математик Джон Атанасов. Его машина была уже практически завершена в 1942 году. Но из‑за войны финансирование работы было прекращено. В следующем 1943 году, работая в Муровской электротехнической школе Пенсильванского университета, Моучли вместе с Преспером Эккертом разработал свой проект электронной вычислительной машины. Артиллерийское управление США заинтересовалось этой работой и заказало Пенсильванскому университету постройку машины. Руководителем работ был назначен Моучли. В помощь ему было дано еще 11 инженеров (включая Эккерта), 200 техников и большое число рабочих. В течение двух с половиной лет, до 1946 года, этот коллектив трудился над созданием «электронно‑цифрового интегратора и вычислителя» — ЭНИАК. Это было огромное сооружение, занимавшее площадь 135 квадратных метров, имевшее массу 30 тонн и энергопотребление 150 киловатт. Машина состояла из сорока панелей, содержащих 18000 электронных ламп и 1500 реле. Однако использование электронных ламп вместо механических и электромеханических элементов позволило резко увеличить скорость. На умножение ЭНИАК тратил всего 0, 0028 секунды, а на сложение — 0, 0002 секунды, то есть работал в тысячу раз быстрее самых совершенных релейных машин.

Устройство ЭНИАК в общих чертах было следующим. Каждые десять триггеров соединялись в нем в кольцо, образуя десятичный счетчик, который выполнял роль счетного колеса механической машины. Десять таких колец плюс два триггера для представления знака числа образовывали запоминающий регистр. Всего в ЭНИАК было двадцать таких регистров. Каждый регистр был снабжен схемой для передачи десятков и мог использоваться для выполнения операции суммирования и вычитания. Другие арифметические операции выполнялись в специальных блоках. Числа передавались из одной части машины в другую посредством групп из 11 проводников — по одному для каждого десятичного разряда и знака числа. Значение передаваемой цифры равнялось числу импульсов, протекавших по данному проводнику. Работой отдельных блоков машины управлял задающий генератор, вырабатывавший последовательность определенных сигналов, которые «открывали» и «закрывали» соответствующие блоки электронной машины.

Ввод чисел в машину производился при помощи перфокарт. Программное же управление осуществлялось посредством штекеров и наборных полей (коммутационной доски) — таким образом отдельные блоки машины соединялись между собой. Это было одним из существенных недостатков описываемой конструкции. На подготовку машины к работе — соединение блоков на коммутационной доске — уходило до нескольких дней, тогда как задача порой решалась всего за несколько минут. В целом ЭНИАК была еще достаточно ненадежной и несовершенной вычислительной машиной. Она часто выходила из строя, причем поиск неисправности затягивался порой на несколько суток. Кроме того, эта машина не могла хранить информацию.

Для устранения последнего недостатка Эккерт в 1944 году выдвинул идею хранимой в памяти программы. Это была одна из важнейших технических находок в истории вычислительной техники. Суть ее заключалась в том, что команды программы должны были представляться в виде числового кода, то есть кодироваться в двоичной системе (как и числа) и вводиться в машину, где бы они хранились вместе с исходными числами. Для запоминания этих команд и операций с ними предполагалось использовать те же устройства — триггеры, что и для действия с числами. Из памяти отдельные команды должны были извлекаться в устройство управления, где их содержание расшифровывалось и использовалось для передачи чисел из памяти в арифметическое устройство для выполнения операций над ними и отсылки результатов обратно в память.

Между тем по окончании Второй мировой войны одна за другой стали появляться новые электронные вычислительные машины. В 1948 году англичане Килбурн и Вильямс из Манчестерского университета создали машину «МАРК‑1», в которой впервые была реализована идея хранимой программы. В 1947 году Эккерт и Моучли основали свою фирму, а в 1951 году наладили серийный выпуск своих машин UNIVAC‑1. В 1951 году появилась первая советская ЭВМ МЭСМ академика Лебедева. Наконец, в 1952 году свой первый промышленный компьютер IBM 701 выпустила фирма IBM. Все эти машины имели в своей конструкции много общего. Об этих общих принципах работы всех ЭВМ первого поколения мы теперь и поговорим.

Электронные вычислительные машины, как известно, совершили настоящий переворот в области применения математики для решения важнейших проблем физики, механики, астрономии, химии и других точных наук. Те процессы, которые прежде совершенно не поддавались просчитыванию, стали вполне успешно моделироваться на вычислительных машинах. Решение любой задачи сводилось при этом к следующим последовательным шагам: 1) исходя из значения физической, химической и прочей сущности какого‑либо исследуемого процесса формулировалась задача в виде алгебраических формул, дифференциальных или интегральных уравнений или других математических соотношений; 2) с помощью численных методов задача сводилась к последовательности простых арифметических операций; 3) составлялась программа, которая определяла строгий порядок выполнения действий в установленной последовательности. (ЭВМ осуществляла в принципе тот же порядок действий, что и человек, работающий на арифмометре, но в тысячи или десятки тысяч раз быстрее.) Команды составленной программы записывались с помощью специального кода. Каждая из этих команд определяла какое‑либо определенное действие со стороны машины.

Любая команда, кроме кода проводимой операции, содержала в себе адреса. Обычно их было три — номера ячеек памяти, откуда брались два исходных числа (1‑й и 2‑й адрес), а затем номер ячейки, куда отправлялся полученный результат (3‑й адрес). Таким образом, к примеру, команда +/17/25/32 указывала, что следует сложить числа, находящиеся в 17‑й и 25‑й ячейках и результат направить в 32‑ю ячейку. Могла использоваться и одноадресная команда. В этом случае для выполнения арифметической операции над двумя числами и отсылки полученного результата требовалось три команды: первая команда вызывала одно из чисел из памяти в арифметическое устройство, следующая команда вызывала второе число и проводила заданную операцию над числами, третья команда отправляла полученный результат в память. Так осуществлялась работа вычислительной машины на программном уровне.

Вычислительные процессы при этом протекали следующим образом. Управление работой ЭВМ осуществлялось с помощью электронных ключей и переключателей, называемых логическими схемами, причем каждый электронный ключ при получении сигнала управляющего импульса напряжения включал нужную линию или цепь электрического тока. Простейшим электронным ключом могла служить уже трехэлектродная электронная лампа, которая заперта, когда на ее сетку подается большое отрицательное напряжение, и открывается, если на сетку подается положительное напряжение. Ее работу при этом можно представить как управляющий вентиль, который пропускает через себя импульс A, когда на второй его вход подан управляющий импульс B. Когда же имеется только один импульс тока A или B, то вентиль закрыт и импульс не проходит на его выход. Таким образом, только при совпадении по времени обоих импульсов A и B на выходе появится импульс. Такую схему называют схемой совпадений, или логической схемой "и". Наряду с ней в вычислительной машине используется целый набор других логических схем. Например, схема «или», которая дает на выходе импульс при появлении его на линии A или B или одновременно на обеих линиях. Другая логическая схема — схема «нет». Она, наоборот, запрещает прохождение импульса через вентиль, если одновременно подан другой запрещающий импульс, запирающий лампу.

С использованием двух этих схем можно собрать одноразрядный сумматор. Предположим, что импульсы A и B одновременно передаются на схемы «нет» и "и", причем со схемой «нет» связана шина (провод) «сумма», а со схемой "и" шина «перенос». Предположим, что на вход A поступает импульс (то есть единица), а на вход B не поступает. Тогда «нет» пропустит импульс на шину «сумма», а схема "и" не пропустит его, то есть в разряде будет значиться "1", что и соответствует правилу двоичного сложения. Предположим, что на входы A и B одновременно поступают импульсы. Это означает, что код числа A есть "1" и код B тоже "1". Схема «нет» не пропустит двух сигналов и на выходе «сумма» будет "0" Зато схема "и" пропустит их, и на шине «перенос» будет импульс, то есть "1" передастся в сумматор соседнего разряда.

В первых ЭВМ основным элементом памяти и арифметического суммирующего устройства служили триггеры. Триггерная схема, как мы помним, обладала двумя устойчивыми состояниями равновесия. Приписывая одному состоянию значение кода "0", а другому значение кода "1", можно было использовать триггерные ячейки для временного хранения кодов. В суммирующих схемах при подаче импульса на счетный вход триггера он переходил из одного состояния равновесия в другое, что полностью соответствовало правилам сложения для одного двоичного разряда (0+0=0; 0+1=1; 1+0=1; 1+1=0 и перенос единицы в старший разряд). При этом первоначальное положение триггера рассматривалось как код первого числа, а подаваемый импульс — как код второго числа. Результат образовывался на триггерной ячейке. Для того чтобы осуществить суммирующую схему для нескольких двоичных разрядов, необходимо было обеспечить перенос единицы из одного разряда в другой, что и осуществлялось специальной схемой.

Сумматор был главной частью арифметического устройства машины. Сумматор параллельного сложения кодов чисел сразу по всем разрядам имел столько одноразрядных сумматоров, сколько двоичных разрядов содержал код числа. Складываемые числа A и B поступали в сумматор из запоминающих устройств и сохранялись там с помощью триггеров. Регистры также состояли из ряда соединенных между собой триггеров T1, T2, T3, Т'1, Т'2 и т.д., в которые код числа подавался из записывающего устройства параллельно для всех разрядов. Каждый триггер хранил код одного разряда, так что для хранения числа, имеющего n двоичных разрядов, требовалось n электронных реле. Коды чисел, хранящиеся в регистрах, складывались одновременно по каждому разряду с помощью сумматоров S1, S2, S3 и т.д., число которых было равно числу разрядов. Каждый одноразрядный сумматор имел три входа. На первый и второй входы подавались коды чисел A и B одного разряда. Третий вход служил для передачи кода переноса из предыдущего разряда.

В результате сложения кодов данного разряда на выходной шине сумматора получался код суммы, а на шине «перенос» код "1" или "0" для переноса в следующий разряд. Пусть, например, требовалось сложить два числа A=5 (в двоичном коде 0101) и B=3 (в двоичном коде 0011). При параллельном сложении этих чисел на входы A1, A2 и A3 сумматора соответственно подавались коды A1=1, A2=0, A3=1, A4=0 и B1=1, B2=1, B3=0, B4=0. В результате суммирования кодов первого разряда в сумматоре S1 получим 1+1=0 и код переноса "1" в следующий разряд. Сумматор S2 суммировал три кода: коды A2, B2 и код переноса из предыдущего сумматора S1. В результате получим 0+1+1=0 и код "1" переноса в следующий третий разряд.

Сумматор S3 складывает коды третьего разряда чисел A и B и код переноса "1" из второго разряда, то есть будем иметь 1+0+1=0 и снова перенос в следующий четвертый разряд. В итоге сложения на шинах «сумма» получим код 1000, что соответствует числу 8.

В 1951 году Джой Форрестер внес важное усовершенствование в устройство ЭВМ, запатентовав память на магнитных сердечниках, которые могли запоминать и хранить сколь угодно долго поданные на них импульсы.

Сердечники изготовляли из феррита, который получался смешением окиси железа с другими примесями. На сердечнике имелось три обмотки. Обмотки 1 и 2 служили для намагничивания сердечника в том или ином направлении с помощью подачи на них импульсов различной полярности. Обмотка 3 являлась обмоткой выхода ячейки, в которой индуцировался ток при перемагничивании сердечника. В каждом сердечнике путем его намагничивания хранилась запись одного импульса, соответствующая одному разряду какого‑нибудь числа. Из сердечников, соединенных в определенном порядке, всегда можно было с большой скоростью выбрать нужное число. Так, если через обмотку сердечника подавали положительный сигнал, то сердечник намагничивается положительно, при отрицательном сигнале намагничивание было отрицательным. Таким образом, состояние сердечника характеризовалось записанным сигналом. При считывании через обмотку подавался сигнал определенной полярности, например положительный. Если перед этим сердечник был намагничен отрицательно, то происходило его перемагничивание — и в выходной обмотке (по закону электромагнитной индукции) возникал электрический ток, который усиливался усилителем. Если же сердечник был намагничен положительно, то изменения его состояния не происходило — и в выходной обмотке электрический сигнал не возникал. После выборки кода необходимо было восстановить первоначальное состояние сердечника, что и осуществлялось специальной схемой. Этот вид запоминающего устройства позволял производить выборку чисел за несколько микросекунд.

Большие объемы информации хранились на внешнем носителе, например на магнитной ленте. Запись электрических импульсов здесь была аналогична записи звука на магнитофон: через магнитные головки пропускали импульсы тока, которые намагничивали соответствующие места проходившей ленты. При считывании поле остаточного намагничивания, проходя под головками, наводило в них электрические сигналы, которые усиливались и поступали в машину. Точно так же информация записывалась на магнитный барабан, покрытый ферромагнитным материалом. В этом случае информацию можно было найти быстрее.

87. ТРАНЗИСТОР

Изобретение в конце 40‑х годов XX века транзистора стало одной из крупнейших вех в истории электроники. Электронные лампы, которые до этого в течение долгого времени были непременным и главнейшим элементом всех радио — и электронных устройств, имели много недостатков. По мере усложнения радиоаппаратуры и повышения общих требований к ней, эти недостатки ощущались все острее. К ним нужно отнести прежде всего механическую непрочность ламп, малый срок их службы, большие габариты, невысокий КПД из‑за больших тепловых потерь на аноде. Поэтому, когда на смену вакуумным лампам во второй половине XX века пришли полупроводниковые элементы, не обладавшие ни одним из перечисленных изъянов, в радиотехнике и электронике произошел настоящий переворот.

Надо сказать, что полупроводники далеко не сразу открыли перед человеком свои замечательные свойства. Долгое время в электротехнике использовались исключительно проводники и диэлектрики. Большая группа материалов, занимавших промежуточное положение между ними, не находила никакого применения, и лишь отдельные исследователи, изучая природу электричества, время от времени проявляли интерес к их электрическим свойствам. Так, в 1874 году Браун обнаружил явление выпрямления тока в месте контакта свинца и пирита и создал первый кристаллический детектор. Другими исследователями было установлено, что существенное влияние на проводимость полупроводников оказывают содержащиеся в них примеси. Например, Беддекер в 1907 году обнаружил, что проводимость йодистой меди возрастает в 24 раза при наличии примеси йода, который сам по себе не является проводником.

Чем же объясняются свойства полупроводников и почему они приобрели столь важное значение в электронике? Возьмем такой типичный полупроводник, как германий. В обычных условиях он имеет удельное сопротивление в 30 миллионов раз больше, чем у меди, и в 1000000 миллионов раз меньше, чем у стекла. Следовательно, по своим свойства он все же несколько ближе к проводникам, чем к диэлектрикам. Как известно, способность того или иного вещества проводить или не проводить электрический ток зависит от наличия или отсутствия в нем свободных заряженных частиц.

Германий в этом смысле не является исключением. Каждый его атом четырехвалентен и должен образовывать с соседними атомами четыре электронных связи. Но благодаря тепловому воздействию некоторая часть электронов покидает свои атомы и начинает свободно перемещаться между узлами кристаллической решетки. Это примерно 2 электрона на каждые 10 миллиардов атомов. В одном грамме германия содержится около 10 тысяч миллиардов атомов, то есть в нем имеется около 2 тысяч миллиардов свободных электронов. Это в миллионы раз меньше, чем, например, в меди или серебре, но все же достаточно для того, чтобы германий мог пропускать через себя небольшой ток. Однако, как уже говорилось, проводимость германия можно значительно повысить, если ввести в состав его решетки примеси, например, пятивалентный атом мышьяка или сурьмы. Тогда четыре электрона мышьяка образуют валентные связи с атомами германия, но пятый останется свободен. Он будет слабо связан с атомом, так что небольшого напряжения, приложенного к кристаллу, будет достаточно для того, чтобы он оторвался и превратился в свободный электрон (понятно, что атомы мышьяка при этом становятся положительно заряженными ионами). Все это заметно меняет электрические свойства германия. Хотя содержание примеси в нем невелико — всего 1 атом на 10 миллионов атомов германия, благодаря ее присутствию количество свободных отрицательно заряженных частиц (электронов) в кристалле германия многократно возрастает. Такой полупроводник принято называть полупроводником n‑типа (от negative — отрицательный).

Другая картина будет в том случае, когда в кристалл германия вводится трехвалентная примесь (например, алюминий, галлий или индий). Каждый атом примеси образует связи только с тремя атомами германия, а на месте четвертой связи останется свободное место — дырка, которую легко может заполнить любой электрон (при этом атом примеси ионизируется отрицательно). Если этот электрон перейдет к примеси от соседнего атома германия, то дырка будет в свою очередь у последнего. Приложив к такому кристаллу напряжение, получим эффект, который можно назвать «перемещением дырок». Действительно, пусть с той стороны, где находится отрицательный полюс внешнего источника, электрон заполнит дырку трехвалентного атома. Следовательно, электрон приблизится к положительному полюсу, тогда как новая дырка образуется в соседнем атоме, расположенном ближе к отрицательному полюсу. Затем происходит это же явление с другим атомом. Новая дырка в свою очередь заполнится электроном, приближающимся таким образом к положительному полюсу, а образовавшаяся за этот счет дырка приблизится к отрицательному полюсу. И когда в итоге такого движения электрон достигнет положительного полюса, откуда он направится в источник тока, дырка достигнет отрицательного полюса, где она заполнится электроном, поступающим из источника тока. Дырка перемещается так, словно это частица с положительным зарядом, и можно говорить, что здесь электрический ток создается положительными зарядами. Такой полупроводник называют полупроводником p‑типа (от positiv — положительный).

Само по себе явление примесной проводимости еще не имеет большого значения, но при соединении двух полупроводников — одного с n‑проводимостью, а другого с p‑проводимостью (например, когда в кристалле германия с одной стороны создана n‑проводимость, а с другой — p‑проводимость) — происходят очень любопытные явления. Отрицательно ионизированные атомы области p оттолкнут от перехода свободные электроны области n, а положительно ионизированные атомы области n оттолкнут от перехода дырки области p. То есть p‑n переход превратится в своего рода барьер между двумя областями. Благодаря этому кристалл приобретет ярко выраженную одностороннюю проводимость: для одних токов он будет вести себя как проводник, а для других — как изолятор.

В самом деле, если приложить к кристаллу напряжение большее по величине, чем «запорное» напряжение p‑n перехода, причем таким образом, что положительный электрод будет соединен с p‑областью, а отрицательный — с n‑областью, то в кристалле будет протекать электрический ток, образованный электронами и дырками, перемещающимися навстречу друг другу.

Если же потенциалы внешнего источника поменять противоположным образом, ток прекратится (вернее, он будет очень незначительным) — произойдет только отток электронов и дырок от границы разделения двух областей, вследствие чего потенциальный барьер между ними увеличится.

В данном случае полупроводниковый кристалл будет вести себя точно так же, как вакуумная лампа‑диод, поэтому приборы, основанные на этом принципе, назвали полупроводниковыми диодами. Как и ламповые диоды, они могут служить детекторами, то есть выпрямителями тока.

Еще более интересное явление можно наблюдать в том случае, когда в полупроводниковом кристалле образован не один, а два p‑n перехода. Такой полупроводниковый элемент получил название транзистора. Одну из его внешних областей именуют эмиттером, другую — коллектором, а среднюю область (которую обычно делают очень тонкой) — базой.

Если приложить напряжение к эмиттеру и коллектору транзистора, ток не будет проходить, как бы мы не меняли полярность. Но если создать небольшую разность потенциалов между эмиттером и базой, то свободные электроны из эмиттера, преодолев p‑n переход, попадут в базу. А так как база очень тонкая, то лишь небольшого количества этих электронов хватит для заполнения дырок, находящихся в области p. Поэтому большая часть их пройдет в коллектор, преодолев запирающий барьер второго перехода — в транзисторе возникнет электрический ток. Это явление тем более замечательно, что ток в цепи эмиттер‑база обычно в десятки раз меньше того, который протекает в цепи эмиттер‑коллектор Из этого видно, что по своему действию транзистор можно в известном смысле считать аналогом трехэлектродной лампы (хотя физические процессы в них совершенно различны), причем база играет здесь роль сетки, помещающейся между анодом и катодом. Точно так же, как в лампе, небольшое изменение потенциала сетки вызывает значительное изменение анодного тока, в транзисторе слабые изменения в цепи базы вызывают значительные изменения тока коллектора. Следовательно, транзистор может использоваться в качестве усилителя и генератора электрических сигналов.

Полупроводниковые элементы начали постепенно вытеснять электронные лампы с начала 40‑х годов. С 1940 года широкое применение в радиолокационных устройствах получил точечный германиевый диод. Радиолокация вообще послужила стимулом для быстрого развития электроники мощных источников высокочастотной энергии. Все больший интерес проявлялся к дециметровым и сантиметровым волнам, к созданию электронных приборов, способных работать в этих диапазонах. Между тем электронные лампы при использовании их в области высоких и сверхвысоких частот вели себя неудовлетворительно, так как собственные шумы существенно ограничивали их чувствительность. Применение на входах радиоприемников точечных германиевых диодов позволило резко снизить собственные шумы, повысить чувствительность и дальность обнаружения объектов.

Однако подлинная эра полупроводников началась уже после Второй мировой войны, когда был изобретен точечный транзистор. Его создали после многих опытов в 1948 году сотрудники американской фирмы «Белл» Шокли, Бардин и Браттейн. Расположив на германиевом кристалле, на небольшом расстоянии друг от друга, два точечных контакта и подав на один из них прямое смещение, а на другой — обратное, они получили возможность с помощью тока, проходившего через первый контакт, управлять током через второй. Этот первый транзистор имел коэффициент усиления порядка 100.

Новое изобретение быстро получило широкое распространение. Первые точечные транзисторы состояли из германиевого кристалла с n‑проводимостью, служившего базой, на которую опирались два тонких бронзовых острия, расположенные очень близко друг к другу — на расстоянии нескольких микрон. Одно из них (обычно бериллиевая бронза) служило эмиттером, а другое (из фосфорной бронзы) — коллектором. При изготовлении транзистора через острия пропускался ток силой примерно в один ампер. Германий при этом расплавлялся, так же как кончики остриев. Медь и имеющиеся в ней примеси переходили в германий и образовывали в непосредственной близости от точечных контактов слои с дырочной проводимостью.

Эти транзисторы не отличались надежностью из‑за несовершенства своей конструкции. Они были нестабильны и не могли работать при больших мощностях. Стоимость их была велика. Однако они были намного надежнее вакуумных ламп, не боялись сырости и потребляли мощности в сотни раз меньшие, чем аналогичные им электронные лампы. Вместе с тем они были чрезвычайно экономичны, так как требовали для своего питания очень маленького тока порядка 0, 5‑1 В и не нуждались в отдельной батарее. Их КПД достигал 70%, в то время как у лампы он редко превышал 10%. Поскольку транзисторы не требовали накала, они начинали работать немедленно после подачи на них напряжения. К тому же они имели очень низкий уровень собственных шумов, и поэтому аппаратура, собранная на транзисторах, оказывалась более чувствительной.

Постепенно новый прибор совершенствовался. В 1952 году появились первые плоские примесные германиевые транзисторы. Их изготовление было сложным технологическим процессом. Сначала германий очищали от примесей, а затем образовывали монокристалл. (Обычный кусок германия состоит из большого числа сращенных в беспорядке кристаллов; для полупроводниковых приборов такая структура материала не годится — здесь нужна исключительно правильная, единая для всего куска кристаллическая решетка.) Для этого германий расплавляли и опускали в него затравку — маленький кристалл с правильно ориентированной решеткой. Вращая затравку вокруг оси, ее медленно приподнимали. Вследствие этого атомы вокруг затравки выстраивались в правильную кристаллическую решетку. Полупроводниковый материал затвердевал и обволакивал затравку. В результате получался монокристаллический стержень. Одновременно в расплав добавляли примесь p или n типа. Затем монокристалл резали на маленькие пластинки, которые служили базой. Эмиттер и коллектор создавали различными способами. Наиболее простой метод состоял в том, что на обе стороны пластинки германия накладывали маленькие кусочки индия и быстро нагревали их до 600 градусов. При этой температуре индий сплавлялся с находящимся под ним германием. При остывании насыщенные индием области приобретали проводимость p‑типа. Затем кристалл помещали в корпус и присоединяли выводы.

В 1955 году фирмой «Белл систем» был создан диффузионный германиевый транзистор. Метод диффузии состоял в том, что пластинки полупроводника помещали в атмосферу газа, содержащего пары примеси, которая должна была образовать эмиттер и коллектор, и нагревали пластинки до температуры, близкой к точке плавления. Атомы примесей при этом постепенно проникали в полупроводник.

88. АВТОПИЛОТ

Автопилот представляет собой совокупность нескольких устройств, совместная работа которых дает возможность автоматически, без участия человека, управлять движением самолета или ракеты. Создание автопилота составило важную эпоху в истории авиации, так как сделало воздушные полеты гораздо более безопасными. Что же касается ракетной техники, где все полеты осуществляются в беспилотном режиме, то без надежных автоматических систем управления эта техника вообще не могла бы развиваться. Главная идея автоматического пилотирования заключается в том, что автопилот строго поддерживает правильную ориентацию перемещающегося в пространстве аппарата. Благодаря этому аппарат, во‑первых, удерживается в воздухе и не падает, а во‑вторых, не сбивается с заданного курса, поскольку от правильной ориентации прежде всего и зависит траектория его полета. В свою очередь, ориентация аппарата в пространстве определяется тремя углами. Во‑первых, это угол тангажа, то есть угол между продольной осью аппарата и плоскостью земли (или, как говорят, плоскостью горизонта). Отслеживание этого угла позволяет самолету сохранять продольную устойчивость — не «клевать носом», а ракете, совершающей полет по баллистической траектории, — точнее поразить цель. Во‑вторых, это угол рысканья, то есть угол между продольной осью аппарата и плоскостью полета (так мы назовем плоскость, перпендикулярную плоскости горизонта и проходящую через точку старта и точку цели). Угол рысканья указывает на отклонение аппарата от заданного курса. И, в‑третьих, это углом крена, то есть угол, который возникает при повороте корпуса аппарата вокруг его продольной оси. Своевременное исправление крена позволяет самолету сохранять поперечную устойчивость и гасит беспорядочное вращение ракеты. Автоматическое управление аппаратом было бы невозможно, если бы не существовало надежного и простого способа определения этих углов. К счастью, такой способ есть, и он основан на свойстве быстро вращающегося гироскопа сохранять неизменным в пространстве положение своей оси.

Простейшим гироскопом является детский волчок, быстро вращающийся вокруг своей оси. Попробуйте повалить его щелчком, и вы увидите, что это невозможно — волчок лишь отскочит в сторону и будет продолжать вращение.

Однако ось OA волчка не имеет постоянной ориентации, поскольку ее конец A не закреплен. Гироскопы, применяемые в технике, имеют намного более сложное устройство: ротор (собственно волчок) закрепляется здесь в рамках (кольцах) 1 и 2 так называемого карданова подвеса, что дает возможность оси AB занять любое положение в пространстве.

Такой гироскоп может совершать три независимых поворота вокруг осей AB, DE и GK, пересекающихся в центре подвеса O, который остается неподвижным относительно основания.

Главное свойство быстро вращающегося гироскопа, как уже было сказано, состоит в том, что его ось стремится устойчиво сохранять в мировом пространстве приданное ей первоначальное направление. Например, если эта ось была изначально направлена на какую‑то звезду, то при любых перемещениях самого прибора и случайных толчках она будет продолжать указывать на эту звезду даже тогда, когда ее ориентация относительно земных осей изменится. Впервые это свойство использовал в 1852 году французский физик Фуко для экспериментального доказательства вращения Земли вокруг ее оси. Отсюда и само название «гироскоп», что в переводе с греческого означает «наблюдать вращение».

Второе важное свойство гироскопа обнаруживается, когда на его ось (или рамку) начинает действовать какая‑то внешняя сила, стремящаяся повернуть ее относительно центра подвеса. Например, если сила P будет действовать на конец оси AB, то гироскоп, вместо того чтобы отклониться в сторону действия силы (как это было бы в том случае, если бы ротор не вращался), будет наклоняться в направлении, строго перпендикулярном действию силы, то есть (в нашем случае) начнет вращаться вокруг оси DE, причем с постоянной скоростью. Это вращение называется прецессией гироскопа, и оно будет тем медленнее, чем быстрее вращается вокруг оси AB сам гироскоп. Если в какой‑то момент действие внешней силы прекращается, то одновременно прекращается и прецессия, и ось AB мгновенно останавливается.

Прецессию можно наблюдать и у такого простого гироскопа, каким является детский волчок, у которого роль центра подвеса играет точка опоры. Если волчок раскрутить таким образом, что ось его будет не перпендикулярна полу, а наклонена к нему под каким‑то углом, то можно увидеть, что ось такого волчка отклоняется не в сторону действия силы тяжести (то есть вниз), а в перпендикулярном направлении, то есть ось начинает вращаться вокруг перпендикуляра к полу, опущенного в точку опоры.

На этих двух свойствах гироскопа основано несколько приборов, использующихся в автопилоте. В 70‑х годах XIX века гироскопы начали применять в военном деле в автоматах курса морских торпед. В момент пуска торпеды ротор установленного на ней гироскопа раскручивался до скорости в несколько тысяч оборотов в минуту. После этого его ось была все время направлена на цель.

К оси гироскопа прикреплялся эксцентрик — диск, центр которого был сдвинут от оси вертикального кольца автомата. Эксцентрик упирался в шток золотника: когда торпеда шла точно на цель, поршеньки золотника закрывали отверстия трубопроводов 1 и 2, и поршень рулевой машины оставался неподвижным. Если же торпеда по какой‑то причине отклонялась от курса, то эксцентрик, связанный с гироскопом, оставался неподвижен, а шток золотника под действием пружины соскальзывал влево или вправо и открывал отверстие, через которое сжатый воздух по трубопроводу 1 или 2 поступал в рулевую машину. Под действием сжатого воздуха поршень рулевой машины приходил в движение и перекладывал руль, так что торпеда возвращалась на правильный курс.

Затем гироскопы нашли широкое применение в авиации. В главе, посвященной аэроплану, уже говорилось о том, какой важной проблемой для первых авиаторов было сохранение в полете правильной ориентации самолетов. Многие конструкторы думали тогда над созданием автоматических стабилизаторов. В 1911 году американский летчик Сперри разработал первый автоматический стабилизатор с массивным гироскопом. Впервые самолет с таким стабилизатором поднялся в воздух в 1914 году. А в начале 20‑х годов фирма Сперри создала уже настоящий автопилот. Первые автопилоты управляли только рулями и следили за сохранением заданного режима полета. Дальнейшее их развитие привело к появлению систем, автоматизирующих управление как рулями, так и двигателями летательного аппарата. Подобные автопилоты уже допускали полеты без экипажа и управление летательным аппаратом на расстоянии. Они нашли применение в первых ракетах.

Раньше других с проблемой автоматического управления ракетой столкнулись немецкие конструкторы — создатели первой в истории баллистической ракеты «Фау‑2». (Подробнее об этой ракете будет говориться в следующей главе.) Автомат стабилизации «Фау‑2» состоял из гироскопических приборов «Горизонт» и «Вертикант».

«Горизонт» позволял определить плоскость горизонта и угол наклона (угол тангажа) ракеты относительно этой плоскости. Ротор 1 гироскопа был в то же время якорем асинхронного электродвигателя, обмотка 2 которого питалась переменным током. Перед стартом ракеты «Горизонт» располагали таким образом, чтобы ось вращения ротора была параллельна линии горизонта. Для этой цели в состав системы управления входил маятник (отвес) 5, фиксировавший отклонение оси гироскопа. Если эта ось отклонялась вверх или вниз от горизонтального направления, маятник также отклонялся в сторону и замыкал контакт с одной или с другой стороны. При этом на электромагнит 6 поступал сигнал той или иной полярности. Электромагнит начинал действовать на ось гироскопа вдоль оси игрек вверх или вниз от центра вращения. Вследствие этого возникала прецессия, разворачивающая гироскоп перпендикулярно отклоняющей силе. Прецессия продолжалась до тех пор, пока ось ротора не возвращалась в горизонтальное положение. Как только это происходило, контакт маятника 5 размыкался и прецессия мгновенно прекращалась. Перед стартом корректирующее устройство отключалось.

Отклонение ракеты от заданного угла тангажа фиксировалось с помощью потенциометра — простого по своему устройству датчика с переменным сопротивлением. Он представлял собой кольцеобразный каркас, на который наматывалась проволока. По этому каркасу скользила щетка‑контакт. Если щетка находилась в начале каркаса, в цепь включалось меньшее число витков проволоки, соответственно сопротивление потенциометра при этом было меньше и напряжение на выходе тоже оказывалось незначительным (как известно, падение напряжения U определяется законом Ома U=I•R, где I — сила тока, R — сопротивление). Если щетка передвигалась в конец каркаса, сопротивление потенциометра возрастало, и, следовательно, увеличивалось напряжение на выходе. Щетка была связана с чувствительным устройством, которое отмечало малейшие изменения напряжения.

Если во время полета угол между продольной осью аппарата и плоскостью горизонта по каким‑то причинам начинал отклоняться от заданного, то потенциометр 8, связанный с корпусом аппарата, поворачивался вместе с ним относительно неподвижного в пространстве гироскопа и соединенной с ним контактной щетки. При этом на выходе потенциометра появлялся электрический сигнал, пропорциональный по величине углу отклонения. Этот сигнал усиливался и поступал на горизонтальные рули рулевой машины, которые выравнивали ракету. Такое простое устройство, впрочем, могло эффективно работать только при сравнительно незначительном времени полета. Во время длительного полета следовало учитывать вращение Земли, поэтому в этом случае в направление оси гироскопа приходилось вносить коррекцию.

«Горизонт» позволял не только сохранять, но и изменять угол тангажа в соответствии с заданной программой. Из описанной схемы видно, что если в установленный момент потенциометр 8 повернуть на какой‑то заданный угол, то рули сработают так, словно на тот же угол отклонился сам аппарат. Следовательно, поворачивая потенциометр, можно вызвать поворот ракеты. «Горизонт» включал в себя очень простой программный механизм, состоящий из металлической ленты 10, эксцентрика 11, шагового мотора 12 и храпового колеса 13. Эксцентрик имел профиль поверхности, соответствующий заданной программе. Шаговый мотор приводил его в движение через червячную передачу (шаговый мотор представлял собой электромагнит с якорем, когда на электромагнит подавался импульс, якорь притягивался к магниту и своим ребром сдвигал храповое колесо на один зуб). Таким образом, скорость вращения храпового колеса зависела от частоты импульсов, подаваемых на электромагнит. Стопор 14 представлял собой защелку, не допускавшую поворот храпового колеса в обратном направлении.

Идентично с «Горизонтом» работал «Вертикант». Перед стартом ракеты ось ротора гироскопа располагалась перпендикулярно к намеченной плоскости полета, поэтому гироскоп оказывался нечувствителен к эволюциям ракеты по тангажу, но реагировал на повороты по крену и курсу. Коррекция гироскопа была такой же, как у «Горизонта», и осуществлялась до старта с помощью маятника 3 и электромагнита 4. После взлета потенциометр 5 реагировал на рысканье ракеты и передавал сигналы на рули. Так как ось, направленная на цель, совпадала с продольной осью ракеты, то при возникновении крена потенциометр 7 в полете перемещался относительно неподвижного движка (щетки), связанной с гироскопом. Сигнал передавался на рули, которые исправляли крен.

89. БАЛЛИСТИЧЕСКАЯ РАКЕТА

За свою почти тысячелетнюю историю развития ракетная техника прошла гигантский путь от примитивных «огненных стрел» до мощнейших современных ракет‑носителей, способных выводить на орбиту многотонные космические аппараты. Изобретена же ракета была в Китае. Первые документальные сведения о ее боевом применении связаны с осадой монголами китайского города Пиен‑Кинга в 1232 году. Китайские ракеты, запускавшиеся тогда из крепости и наводившие страх на монгольскую конницу, представляли собой небольшие мешочки, набитые порохом и привязанные к стреле обычного лука.

Вслед за китайцами зажигательные ракеты начали использовать индийцы и арабы, но с распространением огнестрельного оружия ракеты потеряли свое значение и на много веков были вытеснены из широкого военного употребления.

Вновь интерес к ракете как к боевому оружию пробудился в XIX веке. В 1804 году значительные усовершенствования в конструкцию ракеты внес английский офицер Уильям Конгрев, который впервые в Европе сумел наладить массовое производство боевых ракет. Масса его реактивных снарядов достигала 20 кг, а дальность полета — 3 км. При надлежащей сноровке ими можно было поражать цели на расстоянии до 1000 м. В 1807 году англичане широко применили это оружие при бомбардировке Копенгагена. В короткий срок по городу было выпущено более 25 тысяч ракет, в результате чего город был почти полностью сожжен. Но вскоре развитие нарезного огнестрельного оружия сделало применение ракет малоэффективным. Во второй половине XIX века они были сняты с вооружения в большинстве государств. Вновь почти на сто лет ракета получила отставку.

Впрочем, различные проекты использования реактивной тяги уже в то время появлялись то у одного, то у другого изобретателя. В 1903 году вышла работа «Исследование космических пространств реактивными приборами» русского ученого Константина Циолковского. В ней Циолковский не только предсказал, что ракета станет когда‑нибудь тем транспортным средством, которое выведет человека в космос, но и впервые разработал принципиальную схему нового жидкостного реактивного двигателя. Вслед за тем в 1909 году американский ученый Роберт Годдард впервые высказал идею о создании и использовании многоступенчатой ракеты. В 1914 году он взял патент на эту конструкцию. Преимущество использования нескольких ступеней заключается в том, что после полного израсходования топлива из баков ступени она отбрасывается. Тем самым уменьшается масса, которую необходимо разогнать до еще более высоких скоростей. В 1921 году Годдард провел первые испытания своего жидкостного реактивного двигателя, который работал на жидком кислороде и эфире. В 1926 году он произвел первый публичный запуск ракеты с жидкостным двигателем, которая, правда, поднялась всего на 12, 5 м. В дальнейшем Годдард уделял много внимания устойчивости и управляемости ракет. В 1932 году он впервые запустил ракету с гироскопическими рулями. В конечном итоге его ракеты, имея стартовый вес до 350 кг, поднимались на высоту до 3 км. В 30‑е годы интенсивные работы по совершенствованию ракет велись уже в нескольких странах.

Принцип работы жидкостного реактивного двигателя в общих чертах очень прост. Топливо и окислитель находятся в отдельных баках. Под высоким давлением они подаются в камеру сгорания, где интенсивно перемешиваются, испаряются, вступают в реакцию и воспламеняются. Образующиеся при этом горячие газы с большой силой выбрасываются назад через сопло, что приводит к появлению реактивной тяги.

Однако реальное воплощение этих простых принципов наталкивалось на большие технические трудности, с которыми и столкнулись первые конструкторы. Наиболее острыми из них оказались проблемы обеспечения устойчивого горения топлива в камере сгорания и охлаждения самого двигателя. Очень непростыми были также вопросы о высокоэнергетическом горючем для ракетного двигателя и о способах подачи компонентов топлива в камеру сгорания, поскольку для полного сгорания с выделением максимального количества тепла они должны были хорошо распыляться и равномерно перемешиваться между собой во всем объеме камеры. Кроме того, требовалось разработать надежные системы, регулирующие работу двигателя и управление ракетой. Понадобилось множество экспериментов, ошибок и неудач, прежде чем все эти трудности были благополучно преодолены.

Вообще говоря, жидкостные двигатели могут работать и на однокомпонентном, так называемом унитарном, топливе. В качестве такового могут выступать, например, концентрированная перекись водорода или гидразин. При соединении с катализатором перекись водорода H2O2 с большим выделением тепла разлагается на кислород и воду. Гидразин N2H4 в этих условиях разлагается на водород, азот и аммиак. Но многочисленные испытания показали, что более эффективными являются двигатели, работающие на двух отдельных компонентах, один из которых является горючим, а другой окислителем. Хорошими окислителями оказались жидкий кислород O2, азотная кислота HNO3, различные окислы азота, а также жидкий фтор F2. В качестве горючего мог применяться керосин, жидкий водород H2, (в соединении с жидким кислородом он является чрезвычайно эффективным горючим), гидразин и его производные. На начальных этапах развития ракетной техники в качестве горючего часто использовался этиловый или метиловый спирт.

Для лучшего распыления и перемешивания топлива (окислителя и горючего) использовались специальные форсунки, расположенные в передней части камеры сгорания (эта часть камеры называется форсуночной головкой). Она, как правило, имела плоскую форму, образованную из множества форсунок. Все эти форсунки выполнялись в виде двойных трубок для одновременной подачи окислителя и горючего. Впрыск топлива происходил под большим давлением. Мелкие капельки окислителя и горючего при высокой температуре интенсивно испарялись и вступали друг с другом в химическую реакцию. Основное горение топлива происходит вблизи форсуночной головки. При этом сильно возрастали температура и давление образующихся газов, которые затем устремлялись в сопло и с большой скоростью вырывались наружу.

Давление в камере сгорания может достигать сотен атмосфер, поэтому горючее и окислитель необходимо подводить под еще более высоким давлением. Для этого в первых ракетах использовался наддув топливных баков сжатым газом или парами самих компонентов топлива (например, парами жидкого кислорода). Позже стали применять специальные высокопроизводительные насосы большой мощности с приводом от газовых турбин. Для раскрутки газовой турбины на начальном этапе работы двигателя подавали горячий газ от газогенератора. Позже стали применять горячий газ, образующийся из компонентов самого топлива. После разгона турбины этот газ попадал в камеру сгорания и использовался для разгона ракеты.

Проблему охлаждения двигателя первоначально пытались решить, применяя особые жаропрочные материалы или специальную охлаждающую жидкость (например, воду). Однако постепенно был найден более выгодный и эффективный метод охлаждения путем использования одного из компонентов самого топлива. Перед вступлением в камеру один из компонентов топлива (например, жидкий кислород) проходил между ее внутренней и наружной стенкой и уносил с собой значительную часть тепла от самой теплонапряженной внутренней стенки. Отработана эта система была далеко не сразу, и поэтому на первых этапах создания ракет их старты часто сопровождались авариями и взрывами.

Для управления в первых ракетах применялись воздушные и газовые рули. Газовые рули располагались у среза сопла и создавали управляющие силы и моменты за счет отклонения вытекающей из двигателя струи газа. По форме они напоминали лопасти весла. Во время полета эти рули быстро обгорали и разрушались. Поэтому в дальнейшем от их использования отказались и стали применять специальные управляющие ракетные двигатели, которые имели возможность поворачиваться относительно осей крепления.

В СССР опыты по созданию ракет на жидкостных двигателях начались в 30‑е годы. В 1933 году московская группа изучения реактивного движения (ГИРД) разработала и запустила первую советскую ракету ГИРД‑09 (конструкторы Сергей Королев и Михаил Тихонравов). Эта ракета при длине 2, 4 м и диаметре 18 см имела стартовую массу 19 кг. Масса топлива, состоящего из жидкого кислорода и сгущенного бензина, равнялась примерно 5 кг. Двигатель развивал тягу до 32 кг и мог работать 15‑18 с. При первом запуске из‑за прогара камеры сгорания газовые струи начали вырываться сбоку, что привело к завалу ракеты и ее пологому полету. Максимальная высота полета составляла 400 м.

В последующие годы советские ракетчики провели еще несколько запусков. К сожалению, в 1939 году Реактивный научно‑исследовательский институт (в который в 1933 году была преобразована ГИРД) был разгромлен НКВД. Многие конструкторы были отправлены в тюрьмы и лагеря. Королев был арестован еще в июле 1938 года. Вместе с Валентином Глушко, будущим главным конструктором ракетных двигателей, он провел несколько лет в спец КБ в Казани, где Глушко числился главным конструктором двигательных установок для самолетов, а Королев его заместителем. На некоторое время развитие ракетостроения в СССР прекратилось.

Гораздо более ощутимых результатов добились немецкие исследователи. В 1927 году здесь образовалось общество Межпланетных путешествий, которым руководили Вернер фон Браун и Клаус Ридель. С приходом к власти фашистов эти ученые стали работать над созданием боевых ракет. В 1937 году возник ракетный центр в Пенемюнде. В его строительство за четыре года было вложено 550 миллионов марок. В 1943 году численность основного персонала в Пенемюнде составляла уже 15 тысяч человек. Здесь находились крупнейшая в Европе аэродинамическая труба и завод по производству жидкого кислорода. В центре были разработаны самолет‑снаряд «Фау‑1», а также первая в истории серийная баллистическая ракета «Фау‑2» со стартовой массой 12700 кг (баллистической называется такая ракета, которая управляется только на начальном участке полета; после выключения двигателей она летит как свободно брошенный камень). Работа над ракетой началась еще в 1936 году, когда Брауну и Риделю были приданы в помощь 120 сотрудников и несколько сотен рабочих. Первый экспериментальный запуск «Фау‑2» состоялся в 1942 году и оказался неудачным. Из‑за отказа системы управления ракета врезалась в землю через 1, 5 минуты после старта. Новый старт в октябре 1942 года оказался успешным. Ракета поднялась на высоту 96 км, достигла дальности 190 км и разорвалась в четырех км от заданной цели.

При создании этой ракеты было сделано множество находок, широко используемых потом в ракетостроении, но было также много недоработок. На «Фау» впервые была применена турбонасосная подача топлива в камеру сгорания (до этого обычно применялось вытеснение его сжатым азотом). Для раскрутки газовой турбины использовали перекись водорода. Проблему охлаждения двигателя пытались сначала решить, используя для стенок камеры сгорания толстые стальные листы с плохой теплопроводностью. Но первые же старты показали, что из‑за этого двигатель быстро перегревается. Чтобы снизить температуру горения, пришлось разбавлять этиловый спирт 25% воды, что в свою очередь сильно снизило КПД двигателя.

В январе 1944 года начался серийный выпуск «Фау». Эта ракета с дальностью полета до 300 км несла боевой заряд весом до 1 т. С сентября 1944 года немцы стали обстреливать ими территорию Великобритании. Всего было изготовлено 6100 ракет и проведено 4300 боевых пусков. До Англии долетело 1050 ракет и половина из них взорвалась непосредственно в Лондоне. В результате этого погибло около 3 тысяч человек и вдвое больше получило ранения. Максимальная скорость полета «Фау‑2» достигала 1, 5 км/с, а высота полета — около 90 км. Ни перехватить, ни сбить эту ракету у англичан не было никакой возможности. Но из‑за несовершенной системы наведения они в целом оказались достаточно неэффективным оружием. Однако с точки зрения развития ракетной техники «Фау» представляли собой гигантский шаг вперед. Главное заключалось в том, что в будущее ракет поверили во всем мире. После войны ракетостроение получило во всех государствах мощную государственную поддержку.

США оказались поначалу в более благоприятных условиях многие немецкие ракетчики во главе с самим Брауном после разгрома Германии были доставлены в Америку, точно так же как и несколько готовых «Фау». Этот потенциал послужил исходным пунктом для развития американской ракетной индустрии. В 1949 году, установив «Фау‑2» на небольшую исследовательскую ракету «Вак‑Корпорэл», американцы осуществили ее запуск на высоту 400 км. На базе той же «Фау» под руководством Брауна была в 1951 году создана американская баллистическая ракета «Викинг», развивавшая скорость около 6400 км/ч. В 1952 году тот же Браун разработал для США баллистическую ракету «Редстоун» с дальностью полета до 900 км (именно эта ракета была использована в 1958 г. в качестве первой ступени при выведении на орбиту первого американского спутника «Эксплорер‑1»).

СССР пришлось догонять американцев. Создание собственных тяжелых баллистических ракет здесь также началось с изучения немецких «Фау‑2». Для этого сразу же после победы в Германию была направлена группа конструкторов (в числе которых находились Королев и Глушко). Правда, им не удалось заполучить ни одной готовой целой «Фау», но по косвенным признакам и многочисленным свидетельствам представление о ней было составлено достаточно полное.

В 1946 году в СССР начались собственные интенсивные работы по созданию автоматически управляемых баллистических ракет дальнего действия. Организованное Королевым НИИ‑88 (позже ЦНИИМаш в подмосковных Подлипках, ныне город Королев) сразу получило значительные средства и всестороннюю государственную поддержку. В 1947 году на базе «Фау‑2» была создана первая советская баллистическая ракета Р‑1. Этот первый успех дался с огромным трудом. При разработке ракеты советские инженеры столкнулись с множеством проблем. Советская промышленность не выпускала тогда необходимых для ракетостроения марок стали, не было нужной резины и нужных пластмасс. Огромные трудности возникли при работе с жидким кислородом, поскольку все имевшиеся тогда смазочные масла мгновенно загустевали при низкой температуре, и рули переставали работать. Пришлось разрабатывать новые типы масел. Общая культура производства ни в коей мере не соответствовала уровню ракетной техники. Точность изготовления деталей, качество сварки долгое время оставляли желать лучшего. Испытания, проведенные в 1948 году на полигоне Капустин Яр, показали, что Р‑1 не только не превосходят «Фау‑2», но и уступают им по многим параметрам. Почти ни один старт не проходил гладко. Пуски некоторых ракет откладывались из‑за неполадок по много раз. Из 12 предназначенных для испытаний ракет с большим трудом удалось запустить только 9. Испытания, проведенные в 1949 году, дали уже значительно лучшие результаты: из 20 ракет 16 попали в заданный прямоугольник 16 на 8 км. Не было ни одного отказа в запуске двигателя. Но и после этого прошло еще много времени, прежде чем научились конструировать надежные ракеты, которые стартовали, летели и попадали в цель. В 1949 году на базе Р‑1 была разработана геофизическая высотная ракета В‑1А со стартовой массой около 14 т (при диаметре около 1, 5 м она имела высоту 15 м). В 1949 году эта ракета доставила на высоту 102 км контейнер с научными приборами, который затем благополучно вернулся на землю. В 1950 году Р‑1 была принята на вооружение.

С этого момента советские ракетчики уже опирались на собственный опыт и вскоре превзошли не только своих учителей‑немцев, но и американских конструкторов. В 1950 году была создана принципиально новая баллистическая ракета Р‑2 с одним несущим баком и отделяющейся головной частью. (Топливные баки в «Фау» были подвесные, то есть не несли на себе никакой силовой нагрузки. Советские конструкторы поначалу переняли эту схему. Но в дальнейшем они перешли к использованию несущих баков, когда наружная оболочка, то есть корпус ракеты, служил в качестве стенок топливных баков, или, что то же самое, топливные баки составляли корпус ракеты.) По своим размерам Р‑2 была вдвое больше Р‑1, но благодаря применению специально разработанных алюминиевых сплавов превосходила ее по весу всего на 350 кг. В качестве топлива здесь по‑прежнему использовались этиловый спирт и жидкий кислород.

В 1953 году была принята на вооружение ракета Р‑5 с дальностью полета 1200 км. Созданная на ее базе геофизическая ракета В‑5А (длина — 29 м, стартовая масса около 29 т) могла поднимать грузы на высоту до 500 км. В 1956 году были проведены испытания ракеты Р‑5М, которая впервые в мире пронесла через космос головную часть с ядерным зарядом. Ее полет завершился подлинным ядерным взрывом в заданном районе Аральских Каракумов в 1200 км от места старта. Королев и Глушко после этого получили звезды Героев Социалистического труда.

До середины 50‑х годов все советские ракеты были одноступенчатыми. В 1957 г. с нового космодрома в Байконуре была успешно запущена боевая межконтинентальная многоступенчатая баллистическая ракета Р‑7. Эта ракета длиной около 30 м и весом около 270 т состояла из четырех боковых блоков первой ступени и центрального блока с собственным двигателем, который служил второй ступенью. В первой ступени использовался двигатель РД‑107, во второй ступени — РД‑108 на кислородно‑керосиновом топливе. При старте все двигатели включались одновременно и развивали тягу около 400 т.

О преимуществах многоступенчатых ракет перед одноступенчатыми уже говорилось выше. Возможны две схемы расположения ступеней. В первом случае наиболее массивная ракета, расположенная внизу и срабатывавшая в самом начале полета, называется первой ступенью. Обычно на нее устанавливается вторая ракета меньших размеров и массы, которая служит второй ступенью. На ней в свою очередь может размещаться третья ракета и так далее в зависимости оттого, сколько требуется ступеней. Это тип ракеты с последовательным расположением ступеней. Р‑7 относилась к другому типу — с продольным разделением ступеней. Отдельные блоки (двигатели и баки с горючим) первой ступени располагались в ней вокруг корпуса второй ступени, и при старте двигатели обеих ступеней начинали работать одновременно. После выработки топлива блоки первой ступени отбрасывались, а двигатели второй ступени продолжали работать дальше.

Несколькими месяцами позже, в том же 1957 году, именно эта ракета вывела на орбиту первый в истории искусственный спутник Земли.

90. АТОМНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Первая в мире атомная электростанция была построена в СССР через девять лет после атомной бомбардировки Хиросимы. Этому важнейшему в истории техники событию предшествовала лихорадочная и напряженная работа по созданию собственного ядерного оружия. Эту работу возглавил видный ученый и талантливый организатор Игорь Курчатов. В 1943 году Курчатов создал в Москве свой исследовательский центр (в то время он носил название Лаборатории № 2, а позже был преобразован в Институт атомной энергии). В этой и в некоторых других лабораториях в кратчайшие сроки были повторены все исследования американских ученых, получены чистый уран и чистый графит. В декабре 1946 года здесь же была осуществлена первая цепная реакция на опытном ядерном ураново‑графитовом реакторе Ф1. Мощность этого реактора едва достигала 100 Вт. Однако на нем удалось получить важные данные, послужившие основой для проектирования большого промышленного реактора, разработка которого уже шла полным ходом.

Опыта по строительству такого реактора в СССР не было никакого. После некоторых размышлений Курчатов решил поручить эту работу НИИхиммаш, которым руководил Николай Доллежаль. Хотя Доллежаль был чистый химик‑машиностроитель и никогда не занимался ядерной физикой, его знания оказались очень ценными. Впрочем, собственными силами НИИхиммаш тоже не сумел бы создать реактор. Работа пошла успешно только после того, как к ней подключилось еще несколько институтов. Принцип действия и устройство реактора Доллежалю были в общих чертах ясны: в металлический корпус помещались графитовые блоки с каналами для урановых блоков и регулирующих стержней — поглотителей нейтронов. Общая масса урана должна была достигать рассчитанной физиками необходимой величины, при которой начиналась поддерживаемая цепная реакция деления атомов урана. В результате реакции деления ядер урана возникали не только два осколка (два новых ядра), но и несколько нейтронов Эти нейтроны первого поколения и служили для поддержания реакции, в результате которой возникали нейтроны второго поколения, третьего и так далее. В среднем на каждую тысячу возникших нейтронов только несколько рождались не мгновенно, в момент деления, а чуть позднее вылетали из осколков. Существование этих так называемых запаздывающих нейтронов, являющихся мелкой деталью в процессе деления урана, оказывается решающим для возможности осуществления управляемой цепной реакции. Часть из них запаздывает на доли секунды, другие — на секунды и более. Количество запаздывающих нейтронов составляет всего 0, 75% от их общего количества, однако они существенно (примерно в 150 раз) замедляют скорость нарастания нейтронного потока и тем самым облегчают задачу регулирования мощности реактора. Именно за это время, манипулируя поглощающими нейтроны стержнями, можно вмешаться в ход реакции, замедлить ее или ускорить. Большинство нейтронов рождается одновременно с делением, и за короткое время их жизни (примерно стотысячные доли секунды) невозможно как‑либо повлиять на ход реакции, как невозможно остановить уже начавшийся атомный взрыв. Отталкиваясь от этих сведений, коллектив Доллежаля сумел быстро справиться с задачей. Уже в 1948 году был построен плутониевый завод с несколькими промышленными реакторами, а в августе 1949 года была испытана первая советская атомная бомба.

После этого Курчатов мог уделить больше внимания мирному использованию атомной энергии. По его поручению Фейнберг и Доллежаль начали разрабатывать проект реактора для атомной электростанции. Первый делал физические расчеты, а второй — инженерные. То что ядерный реактор может быть не только производителем оружейного плутония, но и мощной энергетической установкой, стало ясно уже первым его создателям. Одним из внешних проявлений протекающей ядерной реакции наряду с радиоактивным излучением является значительное выделение теплоты. В атомной бомбе эта теплота освобождается мгновенно и служит одним из ее поражающих факторов. В реакторе, где цепная реакция находится как бы в тлеющем состоянии, интенсивное выделение тепла может продолжаться месяцы и даже годы, причем несколько килограммов урана могут выделить столько же энергии, сколько выделяют при сгорании нескольких тысяч тонн обычного топлива. Поскольку советские физики уже научились управлять ядерной реакцией, проблема создания энергетического реактора сводилась к поиску способов съема с него тепла. Опыт, полученный в ходе экспериментов Курчатовым, был очень ценным, однако не давал ответа на многие вопросы. Ни один из построенных к этому времени реакторов не был энергетическим. В промышленных реакторах тепловая энергия была не только не нужна, но и вредна — ее приходилось отводить, то есть охлаждать урановые блоки. Проблема сбора и использования тепла, выделившегося в ходе ядерной реакции, ни в СССР, ни в США еще не рассматривалась.

Важнейшими вопросами на пути проектирования энергетического реактора для АЭС были: какой тип реактора (на быстрых или на медленных нейтронах) будет наиболее целесообразен, что должно являться замедлителем нейтронов (графит или тяжелая вода), что может служить теплоносителем (вода, газ или жидкий металл), какими должны быть его температура и давление. Кроме того, было много и других вопросов, например, о материалах, о безопасности для персонала и об увеличении КПД. В конце концов Фейнберг и Доллежаль остановились на том, что уже было опробовано: стали разрабатывать реактор на медленных нейтронах с графитовым замедлителем и водяным теплоносителем. В их использовании уже был накоплен хороший практический и теоретический опыт. Это предрешило успех их проекта. В 1950 году технический совет Министерства среднего машиностроения из нескольких предложенных вариантов выбрал реактор, разработанный НИИхиммаш. Проектировать электростанцию в целом (ее решено было строить в Обнинске) поручили одному из Ленинградских НИИ, возглавляемому Гутовым. Планируемая мощность первой атомной электростанции 5000 кВт — во многом была выбрана случайно. Как раз тогда МАЭС списал вполне работоспособный турбогенератор мощностью 5000 кВт и переправил его в строящийся Обнинск. Под него и решили проектировать всю АЭС.

Энергетический реактор был не столько промышленным, сколько научным объектом. Непосредственно строительством АЭС руководила Обнинская физико‑энергетическая лаборатория, основанная в 1947 году. В первые годы здесь не было ни достаточных научных сил, ни необходимого оборудования. Условия жизни также были далеки от приемлемых. Город только строился. Неасфальтированные улицы покрывались весной и осенью непролазной грязью, в которой безнадежно вязли машины. Большинство жителей ютилось в дощатых бараках и неуютных «финских» домиках. Лаборатория располагалась в совершенно случайных и неприспособленных для научных целей зданиях (одно — бывшая детская колония, другое — особняк Морозовых). Электричество вырабатывала старая паровая турбина на 500 кВт. Когда она останавливалась, весь поселок и стройка погружались в темноту. Сложнейшие расчеты производились вручную. Однако ученые (многие из которых только недавно вернулись с фронта) стойко переносили трудности. Мысль, что они проектируют и строят первую в мире атомную электростанцию, будоражила умы и возбуждала огромный энтузиазм.

Что касается чисто научных проблем, они тоже были очень непростыми. Принципиальное отличие энергетического реактора от промышленного заключалось в том, что во втором типе реактора вода служила только охладителем и никаких иных функций не несла. К тому же излишки тепла, отводимые водой, были таковы, что температура ее изрядно не дотягивала до точки кипения. Здесь же воде предстояло выступать в роли энергоносителя, то есть служить для образования пара, способного выполнять полезную работу. А значит, требовалось сколько возможно поднять температуру и давление. Для эффективной работы турбогенератора требовалось по крайней мере получить пар с температурой свыше 200 градусов и давлением 12 атм (что, кстати, было для того времени очень мало, но решили пока ограничиться этими параметрами).

При строительстве за основу была взята конструкция промышленного реактора. Только вместо урановых стержней предусматривались урановые тепловыводящие элементы — твэлы. Разница между ними заключалась в том, что стержень вода обтекала снаружи, твэл же представлял собой двустенную трубку. Между стенками располагался обогащенный уран, а по внутреннему каналу протекала вода. Расчеты показали, что при такой конструкции нагреть ее до нужной температуры много проще. По эскизным чертежам вырисовывался следующий облик реактора. В средней части цилиндрического корпуса диаметром более 1, 5 м находится активная зона — графитовая кладка высотой около 170 см, пронизанная каналами. Одни из них предназначались для твэлов, другие — для стержней, поглощающих нейтроны и автоматически поддерживающих равновесие на заданном уровне. В нижнюю часть сборки твэлов должна поступать холодная вода (которая на самом деле отнюдь не холодная — температура ее около 190 градусов). Пройдя через тепловыводящие элементы и став на 80 градусов горячее, она попадала в верхнюю часть сборки, а оттуда — в коллектор горячей воды. Чтобы не вскипеть и не превратиться в пар (это могло вызвать ненормальную работу реактора) она должна была находиться под давлением в 100 атм. Из коллектора горячая радиоактивная вода текла по трубам в теплообменник‑парогенератор, после чего, пройдя через циркулярный насос, возвращалась в коллектор холодной воды. Этот ток назывался первым контуром. Теплоноситель (вода) циркулировала в нем по замкнутому кругу, не проникая наружу. Во втором контуре вода выступала в роли рабочего тела. Здесь она была нерадиоактивна и безопасна для окружающих. Нагревшись в теплообменнике до 190 градусов и превратившись в пар с давлением 12 атм, она подводилась к турбине, где и производила свою полезную работу. Покинувший турбину пар должен был конденсироваться и снова направляться в парогенератор. КПД всей энергетической установки составлял 17%.

Эта вроде бы простая в описании схема на самом деле была технически очень сложной. Теории реактора тогда не существовало — она рождалась вместе с ним. Особенно сложным элементом были твэлы, от устройства которых во многом зависело КПД всей установки. Процессы, протекавшие в них, были очень сложны со всех точек зрения: предстояло решить, как и каким образом загружать в них уран, до какой степени необходимо его обогащать, каким образом добиться циркуляции воды, находившейся под высоким давлением, и как обеспечить теплообмен. Из нескольких вариантов были выбраны твэлы, разработанные Владимиром Малых — с ураново‑молибденовым порошком (уран был обогащен до 5%), спрессованным с тонко измельченным магнием — этот металл должен был создать эффективный тепловой контакт урано‑молибденового сплава со стенкой твэла.

Не только начинка твэла, но и его оболочка создавала проблему. Материал тепловыводящих элементов должен был обладать прочностью, противокоррозийной стойкостью и не должен был менять своих свойств под длительным воздействием радиации. Лучший с химической точки зрения материал — нержавеющая сталь — не нравился физикам, так как он сильно поглощал нейтроны. В конце концов, Доллежаль все‑таки остановился на стали. Чтобы компенсировать ее поглощающие свойства, решено было увеличить процент обогащенного урана (уже много позже для твэлов был разработан специальный циркониевый сплав, удовлетворявший всем необходимым условиям). Изготовление твэлов и сварка нержавеющей стали оказались чрезвычайно трудными. Каждый твэл имел несколько швов, а таких твэлов было 128. Между тем требования к герметичности швов предъявлялись самые высокие — их разрыв и попадание горячей воды под высоким давлением в активную зону реактора грозили бедой. Одному из многих институтов, которые трудились над этой проблемой, была поручена разработка технологии сварки нержавеющей стали. В конце концов работа была с успехом выполнена. Реактор был пущен в мае 1954 года, а в июне того же года АЭС дала первый ток.

На первой АЭС была тщательно продумана система управления протекающими в реакторе процессами. Были созданы устройства для автоматического и ручного дистанционного управления регулирующими стержнями, для аварийной остановки реактора, приспособлений для замены твэлов. Известно, что ядерная реакция начинается лишь при достижении некоторой критической массы делящегося вещества. Однако в процессе работы реактора ядерное горючее выгорает. Поэтому необходимо рассчитать значительный запас топлива, чтобы обеспечить работу реактора более или менее значительное время. Влияние этого сверхкритического запаса на ход реакции компенсировалось специальными стержнями, поглощающими избыточные нейтроны. При необходимости увеличить мощность реактора (по мере выгорания горючего) регулирующие стержни несколько выдвигались из активной зоны реактора и устанавливались в таком положении, когда реактор находится на грани цепной реакции и идет активное деление ядер урана. Наконец, были предусмотрены стержни аварийной защиты, опускание которых в активную зону мгновенно гасило ядерную реакцию.

91. ПЛАСТМАССЫ

Широкое распространение пластмасс — одна из отличительных черт нашего времени. Фактически все натуральные волокна, смолы и материалы уже имеют сейчас свои искусственные заменители. Создано множество других веществ с такими свойствами, которые не встречаются в природе. И это, по‑видимому, только начало грандиозного переворота, равного по своему значению великим материальным революциям прошлого — освоению бронзы и железа.

Как правило, пластмасса — это сложное органическое соединение, включающее в себя несколько компонентов. Важнейшим из них, задающим основные свойства материала, является искусственная смола. Производство любой пластмассы начинается с приготовления этой смолы. Вообще, смолы занимают промежуточное положение между твердыми и жидкими веществами. С одной стороны, они имеют многие качества твердых тел, но им также в большой степени свойственна текучесть, то есть способность легко менять свою форму. По своему внутреннему строению смолы также занимают обособленное положение: у них нет жесткой кристаллической решетки, как у большинства твердых тел; они не имеют определенной точки плавления и при нагревании постепенно размягчаются, превращаясь в вязкую жидкость. Подобно каучуку, к которому они очень близки по своим свойствам, смолы относятся к полимерам, то есть их молекулы состоят из огромного числа одинаковых (часто очень простых по своему строению) звеньев.

Искусственные (синтетические) смолы могут быть получены как результат химической реакции двух типов: реакции конденсации и реакции полимеризации. Во время реакции конденсации при взаимодействии двух или более веществ образуется новое вещество и при этом еще выделяются побочные продукты (вода, аммиак и другие). Фенольные смолы, например, получаются из фенола и формальдегида: две молекулы фенола связываются между собой как бы мостиком метиленовой группой, содержащейся в формальдегиде, при этом выделяется вода. Потом эти, уже двойные, молекулы связываются между собой. В конце концов получается большая молекула линейного или трехмерного строения. При реакции полимеризации во взаимодействие вступают молекулы одного и того же вещества. Соединяясь между собой, они образуют новое вещество — полимер без выделения побочных продуктов. Как уже отмечалось в главе о каучуке, к реакции полимеризации способны все органические вещества, имеющие в своей молекуле атомы углерода с двойной или тройной связью.

Смола связывает, или, как иногда говорят, цементирует, все составные части пластмассы, придает ей пластичность и другие ценные качества — твердость, водостойкость, механические и электроизоляционные свойства. Помимо смолы во многих типах пластмасс важное место (50‑70% массы) занимают так называемые наполнители, которые могут быть как органическими, так и минеральными веществами. Среди органических наполнителей наиболее важным считается целлюлоза (применяемая в виде бумаги, ткани или линтера — хлопковых отчесов; их пропитывают раствором смолы, затем сушат и прессуют). К неорганическим наполнителям относятся слюда, шифер, тальк, асбест, стеклянная ткань и графит. Как правило, наполнители значительно дешевле смолы, а введение их при правильном подборе — почти не ухудшает свойств пластмасс. Иногда введение удачно подобранного наполнителя даже улучшает качество пластмассы. Его можно улучшить также с помощью специальных добавок и пластификаторов. Первые, взятые даже в небольшом количестве, придают пластмассам новые свойства (например, добавка металла делает из диэлектрика проводящую пластмассу). А пластификаторы, образуя со смолой раствор, смягчают ее и сообщают ей дополнительную пластичность.

Начало производства пластмасс на основе искусственных материалов относится к первой трети XIX века. В 1830 году в Англии была выпущена одна из первых пластмасс — камптуликон. Основу этого слоистого материала составляла джутовая ткань, на которую накатывалась смесь из каучука, измельченной пробки и некоторых других компонентов. Впрочем, из‑за высокой цены на каучук, производство этой пластмассы не получило широкого распространения. В 1863 году англичанин Уолтон заменил каучук линоксином и таким образом положил начало производству линолеума. Вплоть до настоящего времени его повсеместно применяют в качестве полового покрытия, так как он стирается гораздо медленнее, чем дерево и даже мрамор.

Начало широкому использованию пластмасс положило изобретение целлулоида, созданного на основе целлюлозы. (Целлюлоза, или клетчатка, составляет основу древесины и других растительных материалов; ее молекула состоит из огромного числа простых по строению звеньев; в очищенном виде это бесцветное, неплавкое и нерастворимое вещество.) В 1845 году было установлено, что при обработки целлюлозы (хлопковой ваты) азотной и серной кислотами образуется азотнокислый эфир, известный под названием пироксилина. Этот материал очень опасен и в сухом виде взрывается с огромной силой. Однако позже заметили, что во влажном состоянии он совсем не опасен. Возник вопрос: если вода лишает пироксилин взрывчатой силы, то, может быть, есть и другой способ повлиять на его свойства. Оказалось, что если влажную нитроцеллюлозу смешать с камфарой, то получится пластмасса, которую можно обрабатывать на вальцах, прессовать и формовать. В 1869 году братья Хайет получили таким образом целлулоид, который стали производить промышленно с 1872 года. Целлулоид обладал большой прочностью, был красив и мог окрашиваться в любые цвета или использоваться в качестве прозрачной пленки. Эта пластмасса вскоре получила широчайшее распространение. Из нее стали делать фото — и кинопленку, гребенки, коробки, детские игрушки, пуговицы, пояса. Однако у целлулоида был один важный недостаток — он оказался горюч и очень легко воспламенялся.

В 1872 году немецкий химик Байер путем соединения фенола с формальдегидом в присутствии соляной кислоты синтезировал новое смолообразующее вещество. Из‑за отсутствия в то время дешевого формальдегида это открытие не получило промышленного применения. Лишь в начале XX века стало налаживаться заводское производство фенол‑формальдегидовых смол, особенно после того, как в 1908 году английский исследователь Бакеланд нашел способ производства из того же сырья фенопластов, обладающих способностью при нагревании переходить в неплавкое и нерастворимое состояние. Они приобрели большое техническое значение. Пластмассы на основе этих смол были названы по имени их изобретателя бакелитами. Сырьем для фенол‑формальдегидовых смол служат фенол (карболовая кислота) и формалин (формалин — это раствор газа формальдегида в воде; формальдегид получают искусственно, окисляя метиловый спирт кислородом воздуха при температуре 500‑600 градусов). Прежде всего эти смолы стали применяться как заменитель природной смолы — шеллака для электроизоляции. Но вскоре оказалось, что они обладают множеством свойств, каких не имели ни шеллак, ни другие природные смолы. Фенопласты стали быстро завоевывать себе обширные области применения и долгое время занимали ведущее место среди пластмасс. Изделия из них отличались теплостойкостью, водостойкостью, очень большой механической прочностью и хорошими изоляционными свойствами. Их широко применяли для изготовления штепселей, розеток, патронов и других предметов электрической аппаратуры, а также в химической промышленности в качестве материала для чанов, резервуаров и труб, используемых в агрессивных средах. Наполнителем в этих пластмассах обычно служила древесная мука. Позже на основе фенольных смол стали получать такие широко используемые в машиностроении пластмассы, как гетинакс, текстолит и другие. Изделия из них получают горячим прессованием ткани, бумаги или фанеры, пропитанных смолой. Таким образом можно изготовить очень прочные и легкие детали (например, шестерни или подшипники), с успехом заменяющие металлические. Причем в отличие от последних, эти детали работают бесшумно и не поддаются разрушительному воздействию смазочных масел. Да и изготовлять их намного проще и дешевле, чем детали из металла. Если же в качестве наполнителя использовать стеклянные нити, образуются пластмассы, обладающие повышенной прочностью.

Еще одной широко распространенной разновидностью пластмасс стали карбамидные пластмассы. Основным исходным материалом для производства карбамидных смол является мочевина. (Мочевина была первым в истории органическим веществом, которое удалось синтезировать искусственным путем; немецкий химик Велер получил ее в 1828 г. из цианистого калия, сульфата и аммония, но практическое применение она получила только через сто лет.) В 1918 году чешский химик Джон взял патент на способ изготовления новой смолы из мочевины и формальдегида. Эта смола обладала многими замечательными свойствами: она была бесцветной, прочной, малогорючей, теплостойкой, прекрасно пропускала не только световые, но и ультрафиолетовые лучи (которые не пропускает обычное стекло) и легко окрашивалась в любые цвета. При этом, правда, она имела один существенный недостаток — поглощала влагу. Вскоре было положено начало производству карбамидных пластмасс. Они получили распространение как прекрасный отделочный и декоративный материал. К семейству этих пластмасс относится так же мипор, обладающий замечательными тепло — и звукоизоляционными свойствами.

В последующие годы было синтезировано много новых пластмасс. Большое распространение в технике получили прочные прозрачные пластмассы, с успехом заменяющие хрупкое стекло. Наиболее пригодным для этих целей оказался полиметилметакрилат, получаемый из ацетона, синильной кислоты и метилового спирта. Из него производят прочное и легкое органическое стекло. Незаменимым материалом для высокочастотной изоляции стал полистирол (его получают из этилена и бензола).

В 1940 году немецкий химик Мюллер и независимо от него советский ученый Андрианов получили первые силиконовые пластмассы. Молекулы этих пластмасс наряду с углеродом включают в себя кремний. Это сообщает новому виду пластмасс очень ценные свойства: они отличаются высокой теплостойкостью (выдерживают температуру до 400‑500 градусов), стойки к воде, кислотам и органическим растворителям. Все это обеспечило им широкую область применения.

Долгое время химикам не удавалось полимеризовать этилен. (Этилен — легкий газ с формулой CH2=CH2.) Только в 1937 году эту проблему удалось отчасти разрешить: под огромным давлением в 1200 атм этилен сжижался, при этом разрывалась двойная связь в его молекуле и начиналась реакция полимеризации. (В результате получалась молекула[‑CH2‑CH2‑]n.) После того как синтезировалось 10‑30% полиэтилена, этилен растворялся в нем, и реакция прекращалась. При понижении давления этилен испарялся и использовался затем в новом цикле реакции. Этот способ был очень дорогим, поэтому полиэтилен не мог тогда получить значительного применения. В 1953 году Цинглер разработал более простой способ производства полиэтилена: при значительно более низком давлении этилен растворялся в бензине, затем под давлением в 10 атмосфер и в присутствии катализатора (алкилированного треххлористого титана) начиналась реакция полимеризации. С утверждением этого способа производства полиэтилен (прекрасный изолятор, невосприимчивый к действию кислот) сделался одной из самых широко применяемых пластмасс.

О запуске первого спутника в СССР стали думать еще в ту пору, когда шли работы над баллистической ракетой Р‑7. В 1956 году была образована группа ученых во главе с академиком Мстиславом Келдышем, которой было поручено разрабатывать программу научных экспериментов для первого искусственного спутника Земли. После предварительного анализа всех бортовых систем, которыми должен был быть снабжен этот спутник, выходило, что никак нельзя уложиться в массу, меньше чем 1250 кг (масса одной оболочки составляла 250 кг, система энергопитания — 450 кг; кроме того, большой вес имели массивные антенны). Существовавшие тогда ракеты не могли сообщить первую космическую скорость (около 8 км/с) такому тяжелому аппарату. Тогда в конце 1956 года один из сотрудников Королева, Михаил Тихонравов, предложил проект более простого и легкого спутника с массой около 80 кг. В июне 1957 года были готовы чертежи окончательной компоновки этого спутника, а в конце августа начались его испытания.

Для выведения спутника на орбиту КБ Королева на базе Р‑7 разработало специальную двухступенчатую ракету с общей массой 267 тонн, состоявшую из четырех боковых ракетных блоков ЖРД РД‑107 и одного центрального блока ЖРД РД‑108. Все двигатели при старте включались в работу одновременно. Спустя 120 секунд после старта боковые блоки отбрасывались (вторая ступень к этому времени достигала высоты 50 км и имела скорость 2, 3 км/с). Центральный блок продолжал работать еще 180 секунд. На высоте 200 км центральный блок отключался, после чего спутник отделялся от него с помощью пружинного толкателя, сбрасывал защитный тепловой экран и начинал свободный полет. Успешный старт ракеты состоялся 4 октября 1957 года. Этот день открыл начало новой космической эры в истории Земли.

Первый спутник знаменовал собой узловой пункт развития техники. С одной стороны, он символизировал завершение сложного этапа развития баллистических ракет, а с другой — являлся тем зародышем, из которого выросла вся позднейшая космическая техника.

Спутник имел форму шара диаметром 580 мм. Масса его равнялась 83, 6 кг. На внешней поверхности шара были установлены антенны радиопередатчиков в виде четырех стержней. Длина двух из них составляла 2, 4 м, остальных — 2 м. Стержни соединялись с антенными изоляторами, закрепленными на корпусе спутника с помощью шарниров, что давало им возможность поворачиваться на некоторый угол. Вся аппаратура вместе с источниками энергии размещалась в герметическом корпусе из алюминиевого сплава. Перед пуском спутник был заполнен газообразным азотом. Для поддержания стабильной внутренней температуры была разработана система принудительной циркуляции азота. К антеннам подключались два радиопередатчика, излучавшие каждый на своей частоте один и тот же сигнал, похожий на телеграфный. Внутри корпуса размещались чувствительные датчики, которые несколько меняли передаваемый сигнал (частоту передаваемых импульсов и их длительность) при изменении температуры и давления внутри спутника. Мощность радиопередатчиков была достаточна для уверенного приема их сигналов всеми радиолюбителями земного шара. Источник питания должен был обеспечивать работу всей аппаратуры в течение трех недель.

Уже 3 ноября 1957 года в космос был выведен второй советский спутник массой 508, 3 кг. Он представлял собой последнюю ступень ракеты носителя, на которой в нескольких контейнерах размещалась научная измерительная аппаратура и отсек с собакой Лайкой.

В передней части спутника находился спектрограф для исследования Солнца, сферический контейнер с радиопередатчиками и герметическая кабина с собакой. В корпусе ракеты располагались два прибора для изучения космических лучей. По своей конструкции сферический контейнер был подобен первому ИСЗ. Здесь кроме передатчиков находились источник питания и различные датчики. Герметическая кабина, в которой помещалась Лайка, имела вид цилиндра. На ее съемном днище был устроен иллюминатор из оргстекла. В кабине, изготовленной из алюминиевых сплавов, имелись приспособление для кормления, кондиционер, регенерационные установки и система терморегулирования. Регенерация происходила с помощью химических элементов, которые поглощали углекислоту и выделяли кислород. Специальные датчики регистрировали пульс, давление и дыхание собаки. Все это, а также информация о температуре и давлении в кабине сообщалось на Землю с помощью специальной аппаратуры, которая включалась часовым программным устройством. Программа наблюдений была рассчитана на семь суток, но и после этого полет спутника продолжался еще много дней. Только 14 апреля 1958 года, совершив около 2370 оборотов, второй спутник сгорел в атмосфере.

В это время в космосе летал уже третий спутник — американский «Эксплорер‑1». Причина, по которой американский ИСЗ оказался в космосе не первым и даже не вторым, имеет не только техническую подоплеку. В 1955 году, когда правительство США приняло решение о подготовке к запуску спутника, были предложены три конкурирующие программы, за каждой из которых стояло свое могущественное военное ведомство: Армия, ВВС и ВМФ. Предпочтение в конце концов было отдано проекту ВМФ «Авангард», который и получил привилегированное финансирование. Между тем армия уже в то время располагала лучшей американской ракетой «Редстоун», созданной под руководством Брауна. (Браун в то время возглавлял Редстоунский арсенал, где и была разработана эта ракета.) В сентябре 1956 года Армия осуществила успешный запуск четырехступенчатой баллистической ракеты «Юпитер‑C», в которой в качестве первой ступени использовалась брауновская «Редстоун», а в качестве второй, третьей и четвертой — твердотопливные ракеты «Бэби Серджент». Три ступени этой ракеты были натуральные, а четвертая вместо топлива несла в баках песок. Эта ступень достигла высоты 1094 км. Позже неоднократно старались доказать, что, если бы четвертая ступень была заправлена топливом, она вполне могла бы стать первым ИСЗ, и космическая эра началась бы на год раньше. Но, как бы то ни было, этого не случилось. Между тем проект «Авангард», который с самого начала преследовали неудачи, закончился скандальным провалом: при запуске 6 декабря 1957 года ракета «Авангард», едва оторвавшись от стартового стола, упала на землю в пределах стартовой площадки и сгорела. После этого для спасения престижа было решено произвести запуск спутника на базе ракеты «Редстоун». Спутник «Эксплорер‑1» создавался в чрезвычайной спешке в Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технического университета. Вес спутника составлял 8, 21 кг, причем на аппаратуру приходилось 5 кг. Кроме счетчика Гейгера на его борту располагался микрофон для регистрации метеоритных частиц, датчики температуры, радиопередатчики и источники питания. Запуск состоялся 31 января 1958 года и был успешным. Спутник проработал на орбите восемь недель. Несмотря на свои миниатюрные размеры, «Эксплорер‑1» позволил сделать важные наблюдения. Именно благодаря его сообщениям был обнаружен пояс радиации, окружающий Землю на высоте более 1000 км.

В том же году, 15 мая, СССР запустил свой третий спутник. Его уже можно было назвать настоящей автоматической научной станцией. Длина спутника составляла 3, 5 м, диаметр — 1, 5 м, вес — 1327 кг, причем на научную аппаратуру приходилось 968 кг. Устройство и конструкция этого спутника были проработаны гораздо тщательнее, чем двух первых. Для автоматического управления работой всей научной и измерительной аппаратурой на нем было установлено электронное программно‑временное устройство, выполненное целиком на полупроводниковых элементах.

Кроме бортового источника питания, спутник был снабжен солнечной батареей. Напряжение, создаваемое этой батареей, было больше, чем у бортового аккумулятора, поэтому на солнечной стороне вся аппаратура питалась от нее. Благодаря этому третий спутник эксплуатировался намного дольше, чем два первых — он находился в полете 691 день, и последний сигнал с него был принят 6 апреля 1960 года.

Первые космические аппараты отличались своей индивидуальностью. Даже не вникая глубоко в их конструкцию, по одному только внешнему виду можно было сразу сказать, что это совершенно разные устройства. Но аппараты, изготовляемые каждый раз по индивидуальному заказу, обходились дорого. Поэтому в последующие годы в СССР было принято решение перейти от индивидуального производства спутников к серийному. Таким серийным советским спутником стал «Космос». 16 марта 1962 года был запущен первый спутник этой серии.

Познавательные статьи:



Алгоритмические операторы Matlab

Конструирование и порядок расчёта дорожной одежды

Исследования учёных: почему помогают молитвы?

Почему терпят неудачу многие предприниматели?