Артур Кларк Голоc через океан

 

XVIII. ТРАНСАТЛАНТИЧЕСКИЙ ТЕЛЕФОН

В начале этой главы я хотел бы привести слова одного шотландского проповедника, который имел обыкновение говорить прихожанам: "Ну, а теперь мы подошли к самой трудной части моей проповеди, но, взглянув ей смело в лицо, мы пройдём и её".

К сожалению, я не могу воспользоваться этой фразой: то, о чём пойдёт речь, действительно "самая трудная часть", однако решить, сумели ли мы пройти до конца книги, может только читатель.

Справедливости ради следует сказать, что разобраться в таком сложном инженерном сооружении, как трансатлантический телефон, может только человек, обладающий специальными знаниями в области электроники. И всё же я верю, что основные проблемы и их решения будут поняты и читателем без специальной подготовки и даже тем, кто не решается ввернуть новую электролампочку взамен перегоревшей. Поэтому мы разделим путь к существу вопроса на два этапа. Настоящая глава полностью лишена технических тонкостей (по крайней мере, у меня было стремление сделать её такой). Некоторые места придётся, возможно, прочесть дважды, но я думаю, что тот, кто дочитает главу до конца, поймёт основное. В то же время многие читатели, знакомые с основами электроники, пожелают, видимо, детальнее рассмотреть эту проблему - их я отсылаю к главе XXI и надеюсь, что она доставит им удовольствие.

Мы уже знаем, как быстро по всему миру распространился телефон после изобретения Грэхема Белла в 1876 году. Но телефонная связь на длинные расстояния, даже на земле, стала практически возможной спустя сорок лег после изобретения телефона, после того как триод разрешил проблему усиления тока телефонной передачи. Затухающие сигналы в телеграфной линии легко усиливаются с помощью реле, но попытка сделать то же самое в телефонной связи не удавалась, и это в течение нескольких десятилетий ставило в тупик лучшие умы человечества.

Сегодня при телефонном разговоре на длинные дистанции человеческий голос усиливается с помощью системы электронных ламп на усилительных пунктах, расположенных на расстоянии 60-80 километров друг от друга; без этого усиления слышимость совершенно пропадает уже через несколько сот километров. Но усиление - лишь одно из преобразований человеческой речи при передаче её на большие расстояния. Обычно мало кому известно, что дальняя телефонная (и телеграфная) связь осуществляется с помощью радиотехнической аппаратуры, но только проводящей ток средой служат жилы кабеля или провода.

С момента зарождения электросвязи умы учёных были направлены на то, чтобы передать как можно больше сообщений по одному проводу, т.е. "уплотнить" цепь. Ведь и Белл изобрёл телефон, пытаясь воплотить в жизнь идею своего "гармонического телеграфа", в надежде осуществить передачу полудюжины телеграмм по одному проводу с помощью пластинок, имеющих различную частоту колебаний. Тот же принцип сейчас с успехом используется нами при настройке радиоприёмника на определённую станцию. Более того, этот же принцип положен в основу одновременной передачи десятков, сотен и даже тысяч телефонных разговоров по одному проводнику *.

* Вернее, по паре проводников, образующих одну цепь между двумя пунктами передачи.

Когда вы говорите по телефону, по проводам передаётся электрический ток не той частоты, которая соответствует звуковым колебаниям вашего голоса, а более высокой частоты. Она получается в результате преобразования тока звуковой частоты с помощью установленного на телефонной станции миниатюрного радиопередатчика. Сигналы таких передатчиков, каждый из которых настроен на определённую частоту, и передаются по проводам. При этом два одновременных разговора не мешают друг другу, ибо каждый из них передаётся по линии своим передатчиком и на своих частотах. Точно так же не мешают друг другу различные программы, принимаемые одной коллективной радио- или телевизионной антенной.

Приёмное устройство отделяет одну передачу от другой (или "фильтрует" их, как говорят в технике) и преобразует сигналы в звуки членораздельной речи.

Таким образом, принцип высокочастотного телефонирования по проводам аналогичен принципу радиопередачи. Но так как к качеству передачи музыкальных и концертных программ по радио предъявляются более высокие требования, чем к качеству передачи разговорной речи, полоса частот канала радиовещания вдвое-втрое шире полосы частот телефонного канала.

Один телефонный канал может быть использован для одновременной передачи двадцати четырёх телеграфных сообщений *. В наши дни существовавшее раньше различие между телеграфными и телефонными цепями практически исчезло. Оба вида сообщений передаются по одним и тем же линиям. Сотни жил телефонного кабеля прежнего типа заменены в настоящее время одной парой проводников.

* Для передачи одного телеграфного сообщения достаточна полоса частот шириной 125 гц. Частотная ширина одного телефонного канала немногим более 3000 гц (от 300 до 3400 гц). Принцип многоканальной телеграфной передачи такой же, как и многоканальной телефонии.

Эти проводники, конечно, далеки от тех, которыми в своё время пользовались Грэхем Белл, Эдисон и "другие пионеры связи. Множество изолированных проводников, скрученных попарно наподобие миниатюрного осветительного электрошнура, в настоящее время заменены коаксиальным кабелем, в котором внутренний проводник помещён в пустотелую медную трубку - внешний проводник. Между внешним и внутренним проводниками расположена обычно полиэтиленовая изоляция. С появлением телевидения каждый может видеть коаксиальный кабель у себя дома (он соединяет антенну с телевизором) *, но впервые он был разработан для нужд многоканальной телеграфной и телефонной связи.

* Один коаксиальный кабель при условии частотного уплотнения заменяет несколько тысяч скрученных или, как их принято называть, симметричных пар. Но это не значит, что коаксиальные кабели целиком вытеснили обычные симметричные кабели. Применяются и те, и другие в зависимости от конкретных условий эксплуатации. По симметричным кабелям возможна высокочастотная передача телефонных разговоров, телеграмм, радиовещательных программ, но невозможна передача телевизионных программ.

Многоканальное уплотнение, позволяющее резко уменьшить число жил в кабеле, применяется на междугороднх магистралях, а также на соединительных линиях между районными АТС.

На городских распределительных телефонных сетях по-прежнему используются многопарные кабели, содержащие до нескольких тысяч пар. Рекордным является число 4000 пар, скрученных из 8000 тонких медных жил диаметром по 0,32 мм каждая, покрытых изоляцией в виде тонкого слоя пористого полиэтилена толщиной всего в 0,08 мм.

По коаксиальному кабелю можно передавать очень широкую полосу частот. Для примера достаточно сказать, что применённый для соединения с телевизионной антенной такой кабель позволяет вести приём или передачу на частотах порядка 50 миллионов герц и выше. Если бы возникла необходимость, по этому кабелю можно было бы вести передачу с частотой в несколько миллиардов герц. Иными словами, по коаксиальному кабелю можно передавать одновременно, во всяком случае на небольшие расстояния, около миллиона телефонных разговоров, и при этом они не будут мешать друг другу.

Тремя основными элементами современной дальней связи являются: во-первых, кабель, во-вторых, усилительные станции, установленные на линии через каждые 60 - 70 километров с тем, чтобы компенсировать ослабление сигналов по мере их продвижения вследствие потерь в линии, и, наконец, приёмная и передающая аппаратура, которая позволяет осуществить одновременную передачу десятков и сотен разговоров по одной цепи и затем разделить их по частоте. Если три эти элемента подобраны и изготовлены надлежащим образом, телефонная связь практически не ограничена расстоянием. Имеются в виду технические возможности, так как иногда эта связь ограничивается определённым расстоянием из чисто экономических соображений.

Со времени второй мировой войны, а точнее с момента появления радиолокации основным соперником коаксиального кабеля стала связь на ультракоротких волнах с помощью радиорелейных линий *. Большинство людей, вероятно, видели высокие башни, обрамлённые загадочными кронами с параболическими рефлекторами или раструбами. Башни эти воздвигаются либо на крышах телефонных станций, либо стоят на возвышенностях вдали от жилья. Это те же усилительные станции, только соединены они между собой не медными проводами, а узкими пучками радиоволн. Пучок этот остро сфокусирован; будь он видимым, он напоминал бы пучок лучей прожектора. Устанавливаются башни одна от другой на расстоянии прямой видимости, по возможности на возвышенных местах. Дистанция между ретрансляционными радиорелейными станциями примерно та же, что и между усилительными станциями на линии коаксиального кабеля, т.е. около 65 километров. В горной местности этот интервал может быть увеличен.

Связь с помощью ультракоротких волн имеет то преимущество перед проводной связью, что её можно устанавливать в труднодоступной местности, там, где проложить кабель сложно и дорого. Проложить кабель вообще не всегда просто. Горы, реки, болотистые места и, наконец, сопротивление владельцев отдельных участков - серьёзные препятствия для сооружения кабельных линий.

Но используем ли мы коаксиальную кабельную или ультракоротковолновую радиорелейную линию - в том и в другом случаях для обеспечения качественной связи станции усиления устанавливают на расстоянии не более 60-70 километров друг от друга. На поверхности земли это не составляет особого труда, но как быть в случае, если на пути линии связи возникает водная преграда протяжённостью значительно больше, чем несколько десятков километров?

Некоторые улучшения, внесённые в конструкцию подводного кабеля, позволили увеличить этот предел. Так, в 1947 году между Англией и Голландией был проложен 150-километровый подводный кабель, который позволял одновременно вести 84 телефонных разговора. Сегодня несложно изготовить кабель, допускающий передачу несколько меньшего количества разговоров, но на расстояние уже, скажем, в 350-400 километров без какого-либо промежуточного усиления *.

* В наши дни с кабелями из проводников для передачи сигналов успешно конкурируют светопроводящие кабели. - V.V.

Но четыреста километров - это только одна десятая часть расстояния через Атлантику. Ну и что же, - могут спросить, - разве нельзя в десять раз усилить сигнал, подаваемый в линию, или сигнал, поступающий в приёмное устройство? И проблема подводной телефонной связи через Атлантику будет решена!

К сожалению, простая арифметика здесь неприменима. Ток в подводном кабеле ослабевает не пропорционально расстоянию, а гораздо быстрее (более подробно это изложено в главе XX). Уменьшение тока по мере его прохождения по подводному кабелю происходит в масштабах, которые измеряются астрономическими цифрами. Нет, простым увеличением в 10 раз здесь ничего не добьёшься.

Примерный расчёт показывает, что если бы для передачи по первому трансатлантическому телефонному кабелю использовали энергию всех существующих на земле электростанций, то всё равно уже через 370 километров по длине кабеля, т.е. на расстоянии всего лишь одной десятой пути через Атлантику, переданную энергию трудно было бы обнаружить даже с помощью самых чувствительных приборов. На первый взгляд, это кажется парадоксальным, ибо в то же время батарея размером с напёрсток посылает по подводному кабелю телеграфный сигнал, легко преодолевающий Атлантический океан. Объяснение следует искать в используемой частоте передачи. При работе на частотах в сотни тысяч герц потери несоизмеримо больше, чем в случае, когда передача ведётся на постоянном токе.

Но при всех условиях существует предел количества энергии, которое можно передать по кабелю без повреждения его изоляции и расплавления проводников. Повреждение кабеля прокладки 1858 года, происшедшее из-за избытка энергии, обусловленного наличием в схеме огромных катушек доктора Уайтхауза, может служить подтверждением этого положения.

С другой стороны, усиливать сигналы до бесконечности тоже нельзя. После какой-то определённой степени усиления результатом дальнейших попыток становится шум. Если, скажем, указатель диапазона при настройке радиоприёмника установить в положение между станциями, то будет слышен устойчивый свист, производимый бесчисленными передатчиками. Но отличить одну станцию от другой нельзя, пока не настроишься на определённую волну - сигналы как бы тонут в общем шуме.

В радиоприёмнике или в другом виде усилителя большинство шумов и помех является следствием того, что ток обычно не течёт плавно. Образно говоря, распространение тока по проводнику подобно песчаной лавине. Каждый электрон, непрерывно колеблясь, производит свой шум, шумы накапливаются и в результате усиления перекрывают слабый полезный сигнал.

Теперь нам более или менее ясно, насколько трудно было разрешить проблему трансатлантической телефонной передачи по подводному кабелю. Единственный способ, так же как и при наземной дальней связи, - это установка усилителей на таком расстоянии один от другого, при котором посланный сигнал может быть усилен до того, как он будет поглощён шумами, возникающими в проводнике. Это легко сказать, но куда труднее сделать. На практике возникали трудности, долгое время казавшиеся непреодолимыми.

Обычная усилительная станция на междугородной телефонной магистрали занимает помещение в несколько комнат; для её питания требуется энергия абсолютно надёжной и достаточно мощной силовой установки. Усилительная станция длительно работает при минимальном уходе, но всё же нуждается время от времени в некоторой регулировке и замене изношенных деталей. Особенно это касается усилительных ламп. Владельцы радиоприёмников и телевизоров хорошо знают, что лампы медленно, а иногда и не очень медленно, теряют свои качества и постепенно выходят из строя. Было бы ещё полбеды, если бы мы точно знали срок их службы. Но ведь радиолампа может выйти из строя завтра или простоять ещё пятьдесят лет. Никто не может сказать заранее, насколько её хватит.

Проектирование подводных телефонных усилительных станций, которые бы исправно в течение десятилетий функционировали на морском дне под давлением в несколько сот килограмм на квадратный сантиметр, естественно, стало основной проблемой трансатлантической телефонной связи. Её пытались решить тремя различными путями, и на них стоит остановиться хотя бы для того, чтобы понять, почему они были отвергнуты.

Справедливости ради следует сказать, что один путь вообще всерьёз не рассматривался. Телефонная связь Америки с Европой могла быть осуществлена по линии, почти полностью проходящей по суше через территорию Советского Союза. Единственную подводную секцию длиной около 150 километров, не требующую установки подводных усилительных станций, пришлось бы проложить в Беринговом проливе (как мы уже видели в главе XI, подобную безуспешную попытку предприняли после неудачной прокладки первого трансатлантического телеграфного кабеля). Однако вряд ли такое решение было бы целесообразным как по политическим, так и по экономическим соображениям. Потребовалось бы пересечь линией связи огромную территорию, установить сотни усилительных станций, обеспечить постоянное наблюдение за ними и за всей линией в целом.

Итак, задача установления телефонной связи между Европой и Америкой всё же сводилась к сооружению линии в Атлантике.

А что, если использовать ультракоротковолновую связь, оборудовав ретрансляционные вышки на судах, поставленных на якоря через каждые шестьдесят-семьдесят километров по всей трассе? Но тогда потребовалось бы минимум пятьдесят судов с экипажами и соответствующим оборудованием. Капиталовложения оказались бы огромными, а расходы на содержание флотилии - ещё больше. При решении этой проблемы возник бы, кроме того, ряд чисто практических трудностей, а именно: как быть в случае шторма, аварии, каким образом судам поддерживать нужную дистанцию и определённое положение друг относительно друга, как при постоянной качке посылать строго направленные пучки волн от одной вышки к другой.

На первый взгляд, вполне приемлемым был третий путь. Самолёт, поднятый на высоту около 12 километров, может поддерживать прямую радиосвязь в пределах "видимости", с учётом кривизны поверхности Земли, с другим летательным аппаоатом, поднятым на такую же высоту, на расстоянии 800-900 километров от первого. (Кстати, Соединённые Штаты сравнительно недавно изготовили радиолокационные установки, которые для увеличения радиуса действия подняты в воздух). Таким образом, на всю Атлантику потребуется только четыре самолёта, снарядить и обслуживать которые, казалось бы, значительно проще, чем пятьдесят судов. Но это опять приведёт к большим затратам на эксплуатацию установок и содержание экипажа. Хотя, возможно, проблема межконтинентальной связи решится в будущем именно таким путём; в этом случае роль летательного аппарата будет играть искусственный спутник Земли.

Сегодня же единственным практическим решением проблемы трансатлантической и вообще трансокеанской телефонии являются подводные усилители, вмонтированные в уложенный на океанское дно кабель. В первой трансатлантической телефонной линии 102 таких усилителя исправно работают с 1956 года. Половина их участвует в передаче сообщений с востока на запад, половина - в обратном направлении.

Гигантское ожерелье лежит на дне океана. Едва ли у ювелиров есть изделия, которые изготовлялись бы с такой тщательностью и с такими затратами человеческого труда. И это не удивительно, так как подводным усилителям предстоит работать глубоко на морском дне, где нет человеческих глаз и рук, которые могли бы вовремя прийти им на помощь.