3.3.  Изобретение радио как начало системы беспроводной связи

      Термин «радио» (от лат. radius, radiare, radio – испускать, облучать, излучать во все стороны) впервые ввел в обращение известный английский физик - химик В. Крукс (1832–1919). В вакуумной трубке, используя коромысловые весы в 1873 г.  он измерил атомный вес открытого им же элемента талия и обнаружил нарушение балансировки высокоточного инструмента при возникновении теплового облучения. Чуть позже было подмечено аналогичное влияние светового излучения. На основе открытия был сконструирован измерительный прибор – «радиометр».

       Впоследствии появились и другие приборы, содержащие в наименовании приставку «радио». К наиболее известным относится «радиокондуктор» (радиопроводник), предложенный французским физиком Э. Бранли (1844– 1940) для обнаружения электромагнитных колебаний в лабораторных условиях [8].

      Строго говоря, практическая эра радиосвязи берет свой отсчет с 1883 г., когда Эдисон [8] открыл эффект распыления вещества нити накаливания в электрической лампе, названный затем «эффектом Эдисона». Пытаясь продлить срок службы созданной им ранее лампы с угольной нитью введением в ее вакуумный баллон металлического электрода. При этом он обнаружил, что если приложить к электроду положительное напряжение, то в вакууме между этим электродом и нитью протекает ток. Это явление, которое было единственным фундаментальным научным открытием великого изобретателя, лежит в основе всех электронных ламп и всей электроники до транзисторного периода. Им были опубликованы материалы по так называемому эффекту Эдисона, и был получен соответствующий патент. Однако Эдисон не довел свое открытие до конечных результатов.

3.3.1.  Истоки радио (беспроводной) связи

В 1868 г., когда А.С. Попову исполнилось только 9 лет, а Г. Маркони еще не родился, Махлон Лумис (1826–1886) г.г. продемонстрировал группе американских конгрессменов и ученых работу прототипа линии беспроводной связи протяженностью примерно 22 км. Воздушные змеи поднимали провода на высоту около 190 м. На приемной стороне в провод был включен гальванометр. Когда на передающей стороне провод соединялся с землей, на приемной стороне ток в проводе резко изменялся, вызывая отклонение стрелки гальванометра. В экспериментах Лумиса впервые в радиосвязи были применены высоко поднятые над землей передающая и приемная антенны.

       Результаты экспериментов позволили М. Лумису в 1868 г. в письме к брату написать: «Международная беспроводная связь является первой из открывающихся захватывающих возможностей. Такая связь может быть создана, если научиться использовать атмосферное электричество».

       В 1869 г. Лумис обратился к правительству США с просьбой о выделении 50000 долларов на создание трансатлантического беспроводного телеграфа. В записке, направленной Лумисом в Конгресс, он дал следующее пояснение того, как работает предлагаемая им система беспроводной связи: «Вызванные колебания или волны, распространяясь от источника возмущения вдоль поверхности Земли подобно волнам в озере, достигают удаленный пункт и вызывают колебания в другом проводнике, которые могут быть обнаружены индикатором. Индикатор отмечает длительность возникших в этом проводнике колебаний и преобразует принятый сигнал в знаки, соответствующие посланному сообщению». Это пояснение полностью соответствует современным  представлениям  о  работе  систем  радиосвязи. То,  что  в 1868 г.

М. Лумис объяснял действие своей системы, говоря о распространении радиоволн вдоль поверхности Земли, поразительно. Ведь только через 19 лет (в 1887 г.) были проведены знаменитые эксперименты Генриха Герца, доказавшие реальность радиоволн, существование которых следовало из теории Дж. К. Максвелла. Об этой, ещё никем не признанной теории, созданной в середине 1860-х годов, Лумис, конечно же, ничего знать не мог.

      В 1872 г. в одной из своих лекций М. Лумис утверждал, что в будущем, на основании научных знаний, станет возможным, используя неиссякаемый источник атмосферного электричества, не только посылать сообщения с одного континента на другой без использования кабеля и искусственных батарей, но и изменять климат на Земле. В том же году он направил заявку на изобретение системы беспроволочного телеграфа в Комитет по патентам, и 30 июля 1872 г. М. Лумису был выдан первый в мире патент (№ 129971) на систему беспроводного телеграфа.              

      В конце жизни, будучи тяжело больным и размышляя о своей горькой судьбе, он писал: «Я не открыл новый мир, но я хотел вторгнуться туда. За свои попытки я заслужил только бедность, презрение, неприятие моих идей и полное забвение. Однако я верю, что в отдаленном будущем, когда мои открытия будут разработаны более полно, общество вспомнит того, кто в этом деле был пионером. Документы Конгресса без сомнения подтвердят, что приоритет принадлежит мне». Исторической справедливости ради следует подчеркнуть, что идея Лумиса, несмотря на ее привлекательность, не нашла своего практического применения. Необходимо было время для осмысления его идеи не только в философском, но и технологическом плане, т. е. готовности изобретателя представить обществу действующее оборудование, реально воплощающее в жизнь декларируемые возможности. Таким изобретателем, практически воплотившим идеи М. Лумиса  в повседневную жизнь людей, явился российский ученый, преподаватель – А. С. Попов.       

3.3.2.   Изобретение А. С. Попова

     После лабораторных опытов Г. Герца в начале 1880-х годов с электромагнитными волнами идея беспроводного телеграфа стала реальной перспективой, хотя многие не видели в ней большой надобности: в Европе и Америке проводной связью были охвачены целые страны, и работала она вполне надежно. Однако кабели нельзя было проложить к морским судам и в труднодоступные места. Дорого стоила и их прокладка, например через водные преграды.

      К началу 1890-х годов уже был известен прибор, способный реагировать на сильное электромагнитное излучение радиодиапазона. С ним много экспериментировал известный французский физик Э. Бранли [8]. Детектором в приемнике служил когерер, еще в середине XIX века применявшийся в различных конструкциях грозоуказателей. Данный прибор представлял собой трубку, заполненную металлическими опилками, с выведенными наружу контактами. Он довольно плохо проводил электрический ток, но под действием сильного электромагнитного поля его электрическое сопротивление резко падало. Чтобы вернуть когерер в исходное состояние, его нужно было встряхнуть.

      Первым, кто предложил и претворил в жизнь идею телеграфирования без проводов, был преподаватель морского инженерного училища Санкт-Петербурга Александр Степанович Попов. В качестве передатчика в первых опытах он использовал генератор, разработанный Герцем. Приемо-передающее устройство А. С. Попова [8] представлено на рис. 3.1.       

      В этом устройстве источником высокочастотных колебаний служила индукционная катушка с прерывателем (катушка Румкорфа). Прерыватель периодически замыкал и размыкал цепь тока первичной катушки трансформатора. При этом во вторичной, повышающей обмотке возникали импульсы напряжения. Каждый такой импульс пробивал искровой промежуток между двумя шариками разрядника и вызывал серию затухающих колебаний в колебательном контуре, образованном шариками и антенной. Колебательная система излучала в окружающее пространство радиоволны. Чувствительным элементом приемника (рис. 3.2) служил когерер – трубка с двумя контактными пластинами, разделенными слоем металлического порошка. Под действием высокочастотных токов, наводимых в антенне, порошок спекался и замыкал цепь чувствительного реле. Далее включался телеграфный аппарат, записывающий принятый сигнал на ленту, и электрический звонок, молоточек которого встряхивал порошок когерера и нарушал его проводимость.

     В принципе эта радиолиния на первый взгляд повторяла прибор Бранли.  Гениальность А. С. Попова  заключается в дополнении известного прибора устройством (молоточек звонка), позволяющим автоматически восстановить чувствительность когерера, что являлось основным условием приема высокочастотных сигналов.  На рис. 3.2 представлена схема радиоприемного устройства, предназначенного для пишущего приема радиотелеграфных сигналов, изобретенного А. С. Поповым. Принцип работы этого устройства заключается в следующем.

      Ток высокой частоты, наведенный  электромагнитными волнами,  в антенне  А, проходит по цепи: антенна А, когерер К, земля. Когерер представляет собой трубку с металлическим порошком, сопротивление которого меняется под воздействием токов высокой частоты. При прохождении тока высокой частоты через порошок  сопротивление между контактами когерера уменьшалось. Ток, создаваемый батареей Б в цепи когерер – обмотка электромагнитного реле М, возрастал и вызывал замыкание контакта К1. При замыкании этого контакта создавалась вторичная цепь по постоянному току: + батареи, контакт К1, обмотка телеграфного аппарата, обмотка звонка, замкнутый контакт когерера, - батареи. Пока замкнут контакт К1, телеграфный аппарат записывает сигналы на бумажную ленту, а молоточек звонка З, ударяя по когереру К, встряхивает металлический порошок. Встряхивание металлического порошка необходимо для восстановления высокого сопротивления когерера после прекращения действия принимаемого сигнала и обеспечения тем самым готовности приемника к приему новых сигналов.        

Рис. 3.1                                                          Рис. 3. 2

      Следует обратить особое внимание на то, что до Попова никому не удавалось автоматически восстановить чувствительность когерера.

      Впервые он публично продемонстрировал разработанный прибор 25 апреля (7 мая) 1895 г. на заседании Физического отделения Русского физико-химического общества в физической лаборатории Петербургского университета. Этот день в нашей стране ежегодно отмечается как День радио.

       В январе 1896 г. А. С. Попов, выступая на собрании морских офицеров в Кронштадте, указал на возможность телеграфирования без проводов для связи между военно-морскими кораблями. Сообщение вызвало огромный интерес, но Попову было рекомендовано не разглашать своего открытия. Несмотря на это подробная статья о результатах опытов Попова по радиосвязи была опубликована в январе 1896 г. в «Журнале физико-химического общества».
      Менее чем через год, 24 (12) марта 1896 года, на очередной сессии РФХО с помощью аппаратуры Попова была передана первая в мире текстовая радиограмма, которая кроме приема на слух записывалась на телеграфную ленту. П. Н. Рыбкин, ассистент А. С. Попова, находился на расстоянии 250 метров в здании химического факультета и передавал кодированные сигналы. В качестве источника электромагнитных колебаний использовался вибратор Герца с катушкой Румкорфа. Текст передаваемой радиограммы присутствующим был неизвестен. К выходу разработанного Поповым приемника было подключено регистрирующее устройство –  телеграфный аппарат  Морзе.  Знаки  азбуки Морзе,  которые передавал  помощник  Попова

П. Н. Рыбкин, «были ясно слышны».  Появлявшиеся на ленте аппарата знаки расшифровывал учитель А. С. Попова Ф. Ф. Петрушевский и записывал их мелом на доске. По окончании передачи на доске появилась запись, состоящая из двух слов: «HEINRICH HERTZ». Таким образом, русский изобретатель отдал должное великому ученому-физику, впервые исследовавшему электромагнитные волны.

       А. С. Попов предложил использовать беспроводную связь для оперативной связи с кораблями в Балтийском море и Финском заливе, для получения сообщений от судов, терпящих бедствие.

      К концу XIX века в развитых странах на телеграфе и телефоне операторы пользовались головными телефонами (их еще называли и называют наушниками). Наряду с этим при проведении пробных экспериментов и опытов передачи электромагнитных колебаний по воздуху, выполненных Бранли, Лоджем, Поповым, Маркони, головные телефоны не применяли. Была очевидна их необходимость для чтения кодов азбуки Морзе, также как и в электросвязи. Однако непонятно было, куда их подключить. Несмотря на кажущуюся сейчас простоту технического решения задачи, никому из «великих» европейских умов не приходила в голову идея соединения головных телефонов с разработанными устройствами (когерерами).

      Впервые в звуковом виде эфирные телеграммы были прослушаны на головной телефон в России. Это событие произошло в мае 1899 г., когда П. Н. Рыбкин и А. С. Троицкий – ассистенты А. С. Попова устанавливали радиосвязь в Кронштадтской гавани между фортами «Милютин» и «Константин». По совету Троицкого, используя головные телефоны, Рыбкин выявлял причину неисправности в приемнике форта «Милютин». При подключении головного телефона параллельно когереру (радиокондуктору) он услышал громкие телеграфные посылки от передающей станции форта «Константин». Через несколько дней по этой же схеме Троицкий принял и расшифровал звуковые импульсы от находящегося на удалении 26 км участвующего в работах миноносца № 115. Об открытии было сообщено находящемуся в командировке за границей Попову. Понимая серьезность сообщения, Попов прервал поездку и быстро возвратился в Россию. По прибытии он высоко оценил возможность приема прерывистых сигналов «на слух» повысившую чувствительность приемной аппаратуры. В течение месяца им были разработаны три варианта «приемников телефонных депеш» с головными телефонами без реле, электрических звонков и механического «встряхивания» когерера.

       Уже через два месяца на «параллельную схему» Рыбкина – Троицкого были получены патенты в Великобритании и Франции, несколько позже была оформлена «российская привилегия».

       В ходе испытаний, проводимых на кораблях Балтийского флота, Поповым было установлено влияние на дальность связи не только мощности источника радиоволн и высоты передающей антенны, но и оснастки металлических частей кораблей. В 1897 г.  он сделал очень важное открытие: если между двумя кораблями проходил другой корабль, то радиосвязь временно прекращалась. Попов правильно объяснил это явление отражением электромагнитных волн, проходящим судном. Это открытие послужило развитию нового направления – радиолокации.

      Летом 1899 г. Попов обнаружил, что при присоединении телефонной трубки к когереру передаваемые сигналы четко слышны даже при увеличении дальности  связи  (до  28 км ). Он  сразу  получил  привилегию  на  новый   тип

 «... телефонного приемника депеш, посылаемых с помощью какого-либо источника электромагнитных волн по системе Морзе». Приемники такого типа начали изготавливать французская фирма «Дюкрете» и Кронштадтская мастерская беспроволочного телеграфа. В 1897 г. Попов писал: «...вопрос о телеграфировании между судами эскадры можно считать решенным».
Осенью 1899 г. Попов впервые использовал радиосвязь для спасения корабля и людей. При переходе из Кронштадта в Либаву броненосец Балтийского флота «Генерал-адмирал Апраксин» во время жестокого шторма наскочил на подводные камни возле острова Гогланд в Финском заливе и из-за полученных пробоин должен был зазимовать вблизи пустынного острова.
Специальная комиссия Морского министерства подтвердила, что спасение броненосца возможно лишь при условии надежной связи между местом аварии и Петербургом. Но до ближайшего города на Финском побережье было более 40 км, по подсчетам, прокладка подводного кабеля связи обошлась бы в огромную сумму – около 2000 руб. И вот тогда в министерстве вспомнили об изобретении А. С. Попова! Была создана специальная «Экспедиция по устройству телеграфа без проводников», а Попов и Рыбкин были назначены техническими руководителями работ. Выяснилось, что устройство двух радиостанций будет стоить в 20 (!) раз дешевле, чем прокладка кабеля связи. Впервые нужно было осуществить радиосвязь на большое расстояние через покрытый льдом залив и лесные массивы по берегам. Кроме того, из-за необходимости срочной связи пришлось воспользоваться старой аппаратурой. Несмотря на непогоду и сильные морозы, 3 февраля 1900 г.  с кораблем была установлена надежная радиосвязь. Станции работали до начала навигации, когда снятый с камней броненосец отбыл в Кронштадт. За время работы радиостанции обменялись 400 радиограммами. Неожиданный случай еще раз убедительно доказал возможности радиосвязи: во время работ по спасению броненосца оторвало в море льдину с 50 рыбаками, и после получения радиограммы из морского штаба в море отправился ледокол «Ермак», спасший жизнь морякам. Европейские специалисты очень высоко оценили работы Попова, так как до него никто не осуществлял столь длительной радиосвязи на большое расстояние. «Гогландской победой» стали называть новое мировое достижение Попова, и чиновники-адмиралы были вынуждены признать значение радиосвязи для флота. В апреле 1900 г. был издан приказ «ввести беспроволочный телеграф на боевых судах флота». С 1900 года началось радио вооружение кораблей русского военно-морского флота. Первые 25 радиостанций были изготовлены по чертежам А. С. Попова в радиотелеграфных мастерских в г. Кронштадте.

      В период между русско-японской и первой мировой войнами последователями А. С. Попова было создано первое подлинно отечественное радиопредприятие – радиотелеграфное депо (завод) морского ведомства в Петербурге. В Минном классе и Минной школе Кронштадта начали готовить радиоспециалистов.
      Но отечественная радиопромышленность только зарождалась, поэтому корабли Балтийского флота приходилось оснащать зарубежной радиоаппаратурой. Особенно остро это проявилось во время русско-японской войны.

      По существу, разработанные Поповым и его сотрудниками аппаратура беспроводной связи и методика ее применения стали началом коренного переворота в жизни нашей цивилизации. Приоритет  А. С. Попова в изобретении радио окончательно признали век спустя, и в ознаменование  100-летия этого события ЮНЕСКО объявило 1995 год Всемирным годом радио.