Три вариации на тему радио

Герман Гетманцев, директор НИРФИ и один из создателей стенда «СУРА».

В современной физике, особенно в прикладной, трудно отделить собственно научный поиск от решения конкретных инженерных задач. В исследовательском Университете Лобачевского в Нижнем Новгороде реализуется одно из направлений программы «Передовые инженерные школы», посвященное радиолокации, радионавигации и космической радиосвязи. То есть тем областям, с которых и началось развитие радиофизики в Нижнем Новгороде, тогда городе Горьком.

Радиофизический факультет

Именно под задачи радиолокации был открыт в 1945 году первый в стране радиофизический факультет. Тогда молодые выпускники московского университета Александр Андронов, Мария Грехова, Габриель Горелик (чуть позже к этой троице присоединился Виталий Гинзбург) обратились в Госкомитет по обороне с письмом, в котором обосновывали необходимость и своевременность серьезных научных исследовательских и конструкторских работ в области радиолокации.

И наверное, не случайно радиофизический факультет, а потом, в 1956 году, также первый в стране Научно-исследовательский радиофизический институт (НИРФИ) были созданы в городе, где с 1918 по 1928 год работала Нижегородская радиолаборатория. Именно эта лаборатория заложила отечественные традиции радиотехники и радиостроительства. Сотрудники радиолаборатории не только разрабатывали мощные радиостанции и изготовляли радиолампы к ним, но и публиковали радиосхемы приемников и передатчиков, популяризируя радио среди любителей, в том числе и среди студентов.

Практическая деятельность Нижегородской радиолаборатории по внедрению коротковолновой связи сопровождалась и интересными сугубо научными результатами, такими как, например, Люксембург-Горьковский эффект. В 1930-е годы было замечено, что при радиоприеме сигнал одной радиостанции может быть промодулирован сигналом другой, отдаленной, но мощной станции. Физика эффекта связана как раз с нелинейными явлениями в ионосферной плазме, одним из интерпретаторов эффекта, замеченного как в Нидерландах (там неожиданно услышали мощную станцию «Люксембург»), так и в Горьком (отсюда двойное название эффекта), стал Виталий Гинзбург.

Любопытно, что хотя применения радиолокации мыслились прежде всего военные – обнаружение самолетов и кораблей противника, уже в популярной брошюре «Радиолокация» 1947 года Габриель Горелик описывал возможность радиолокации Луны. А аспирант Горелика – Всеволод Троицкий защищает первую в стране диссертацию по радиоастрономии – молодой науке, возникшей незадолго до Второй мировой войны.

Радиоастрономы тогда применили радиоприемную аппаратуру и радиолокационную методику для приема и анализа радиоизлучения от планет, звезд и радиоисточников в далеких галактиках. Радиоастрономия стала бурно развиваться в Горьком и окрестностях – недалеко от города на берегу Волги был развернут радиоастрономический полигон Зимёнки с целым семейством антенных решеток и параболических антенн. Чуть позже появились полигоны НИРФИ в селе Старая Пустынь под Арзамасом и на Карадаге в Крыму.

Греем воздух

А у впадения реки Суры в Волгу на границе Нижегородской области тогда же создается ионосферный нагревный стенд «Сура». Этот инструмент позволял с помощью радиовоздействия с земли менять характеристики ионосферы. А значит, и условия распространения коротких радиоволн, которые отражаются от ионосферы и от земной поверхности, распространяясь на большие расстояния в виде зигзагов – многократных переотражений.

Управление параметрами ионосферы позволяло обеспечивать сверхдальнюю радиосвязь по вполне определенному маршруту – ведь искусственное зеркало в ионосфере, созданное с помощью фазированной антенной решетки нагревного стенда, можно передвигать километров на 200 в ту или иную сторону. И это вовсе не так уж дорого – сеанс нагрева ионосферы обходится в 10 тыс. руб. платы за электричество для генераторов. Для некоторых практических задач оперативной сверхдальней связи это не такие большие деньги.

Интересно, что результат нагрева иногда можно видеть воочию – или заснять фотоаппаратом: излучение нагревного стенда возбуждает атомы кислорода и азота в ионосфере, а те переизлучают в оптическом диапазоне, и это излучение можно регистрировать на земле с помощью спектрофотометров с фотоумножителями.

Есть и еще один очень любопытный и практически полезный эффект. Как известно, земная ионосфера состоит из слоев, так вот, промежуток между слоями можно использовать как волновод, «закачивая» туда волну с помощью нагревного стенда. Распространяться такой сигнал в ионосферном волноводе может на огромные расстояния, чуть ли не кругосветно, а при определенных условиях может «вернуться» из ионосферы на земную поверхность. Такой возврат может произойти естественным образом, на так называемом «терминаторе» – границе дневной, освещенной Солнцем, и ночной ионосферы. А можно создать «окно» в ионосфере с помощью другого нагревного стенда, удаленного от первого на тысячи километров. В недалеком будущем такой эксперимент запланирован – под Иркутском будет построен нагревный стенд, находящийся, что важно, на одной широте с нижегородской «Сурой». И эта пара нагревных стендов будет уникальной установкой, других таких в средних широтах просто нет.

Более того, нагревный стенд может воздействовать на магнитосферу Земли. И здесь появляются совсем уже удивительные возможности – создание с помощью нагревного стенда «окон» для «высыпания» вниз, к Земле, «лишних» заряженных частиц – результата солнечных вспышек. Обилие таких частиц может стать угрозой для нормальной работы спутников, а «отправка» их к Земле такую угрозу снимает. Управление уже не только земной погодой, но и магнитными поясами Земли – звучит в духе научной фантастики, и при этом – вполне реально.

Я вспоминаю кадры из фильма Павла Клушанцева «Луна», где на искусственном спутнике создана метеолаборатория, и ее сотрудник световой указкой отмечает на гигантской модели земного шара циклоны и антициклоны. Выглядит грандиозно, но в чем-то мы можем превзойти эти художественные представления.

Так что польза от стенда «Сура» может быть и научной, причем в широком диапазоне, а не только практической, связанной с улучшением радиосвязи. Меняя характеристики ионосферы и зондируя ее радиоизлучением, можно лучше понять физику процессов в ионосфере земли. А это уже вполне фундаментальная наука. К тому же наработанные модели можно применить для анализа ионосфер других планет – исследование космоса с самого начала было одним из приоритетов горьковских радиофизиков.

Нагревный стенд «СУРА». Этот физический инструмент позволяет с помощью радиовоздействия с Земли менять характеристики ионосферы. Фото из архива Научно-исследовательского радиофизического института (НИРФИ) при Университете Лобачевского

Буквально на днях запущены два спутника семейства «Ионосфера» с установленными на них среди прочей аппаратуры датчиками, разработанными в НИРФИ. Спутники, пролетая над полигоном «Сура», будут измерять вариации параметров ионосферы при включении нагревного стенда, уточняя структуру ионосферы и проходящие в ней процессы.

А там все очень интересно. Взаимодействие радиоизлучения с плазмой ионосферы приводит к таким явлениям, как зарегистрированный в 1980 году «эффект Гетманцева»: плазма ионосферы сама начинает радиоизлучать под воздействием модулированного радионагрева с Земли. Кстати, в 1970-е у самого Германа Гетманцева, ученика академика Виталия Гинзбурга, была грандиозная по масштабам идея создать в ионосфере с помощью радионагрева огромную линзу, которая позволила бы усилить сигналы от далеких галактических радиоисточников.

Задача эта оказалась слишком сложна как для того уровня развития техники, так и в принципе – ионосферная «линза» разваливалась из-за возникающей в ней турбулентности и, как следствие, плазменных неоднородностей. Впрочем, изучение неустойчивостей в плазме и борьба с ними стали темами для работ другой генерации нижегородских радиофизиков – академиков Андрея Гапонова-Грехова и Александра Литвака и их учеников. Серьезным подспорьем им стала постройка в Институте прикладной физики РАН плазменной установки «Крот», наследницы целой серии лабораторных плазменных установок НИРФИ. Установка «Крот» отличается большим объемом камеры в 170 куб. м при диаметре камеры 3 м.

Плазма там создается с помощью высокочастотного разряда и «живет» доли секунды, но этого вполне достаточно. С помощью соленоидов в эту плазму «заводится» магнитное поле, а нагрев осуществляется СВЧ-генераторами разного диапазона. Таким образом, можно изучать взаимодействие мощных пучков с ионосферой в присутствии магнитных полей и моделировать не только земную ионосферу, но и процессы, идущие в ионосферах других планет и даже в звездах.

В общем, хотя «ионосферная линза» у Гетманцева не получилась, ионосферная физика сама по себе оказалась весьма богатой на эффекты и приложения.

И новые инструменты для повышения «зоркости» радиоастрономов тогда, в 1970-е годы, появились. Именно в горьковском Научно-исследовательском радиофизическом институте, разработчике и «хозяине» упомянутых полигонов, Всеволод Троицкий с коллегами построили свои первые радиоинтерферометры. Разнесенные на десятки, а то и на сотни километров антенны существенно повысили разрешение инструмента.

При точной синхронизации радиотелескопов расстояние между ними фактически становится диаметром антенны, а это расстояние может быть в пределе равно диаметру Земли. С выходом землян в космос – и гораздо больше этого диаметра. Так, отечественный искусственный спутник «Радиоастрон» работал в связке с наземными инструментами, что позволило существенно повысить разрешающую способность такого радиоинтерферометра.

В фильме популяризатора науки, кинорежиссера Павла Клушанцева «Луна» на искусственном спутнике была создана метеолаборатория.  Иллюстрация из книги Павла Клушанцева «К другим планетам», Л., 1959 г.

Вообще вынос радиотелескопов за земную атмосферу дал очень ценные научные результаты. Герман Гетманцев в соавторстве с Виталием Гинзбургом и Иосифом Шкловским в самом начале «космической эры» опубликовал статью «Радиоастрономические исследования с помощью искусственных спутников Земли», ставшую, по сути дела, развернутой программой внеатмосферных исследований космического и околоземного пространства с помощью радиотелескопов. В свое время на весь мир прогремел эксперимент по радиосвязи между английской обсерваторией «Джодрелл Бэнк» и полигоном НИРФИ в Зимёнках через спутник-ретранслятор «Эхо-2», запущенный США.

В целом оправдался прогноз, сделанный Андреем Сахаровым ровно 50 лет назад. В своей статье «Мир через полвека» Сахаров писал: «Я предполагаю, что мощные телескопы, установленные на космических научных лабораториях или на Луне, дадут возможность увидеть планеты, обращающиеся вокруг ближайших звезд». Теперь мы их увидели.

Радиоинтерферометр может решить и задачи диагностики крупных антенн – совместная работа небольшой опорной антенны с тестируемой антенной при последовательном переборе направлений на далекий радиоисточник позволяет сегмент за сегментом проверить антенное зеркало, составить карту дефектов, появившихся на нем со временем. Такого рода детальная диагностика антенны получила название радиоголографии. На кафедре распространения радиоволн и радиоастрономии Университета Лобачевского с успехом тестируют самые крупные – до 70 м – отечественные антенны.

Разумеется, во всех этих исследованиях все более важной становится компьютерная обработка принятых сигналов. Они, как правило, сразу же после попадания на антенну переводятся «в цифру», что позволяет манипулировать ими с высокой скоростью и точностью.

Наконец, все это касается и задач радиообщения спутников между собой. Сейчас спутники «общаются» через Землю, но уже предпринимаются попытки завязать их в общую сеть. Помимо оперативности связи появляется возможность объединить вычислительные ресурсы спутников. Как правило, по отдельности они невелики из-за ограничений по весу доставляемого на орбиту груза, но в варианте сети вычислительные мощности могут быть значительны. Кроме того, появляется возможность перейти при межспутниковой связи на терагерцовые волны, которые не поглощаются в безвоздушном пространстве.

В этом промежуточном между радио- и оптическом диапазоне скорость обмена данными резко возрастает по сравнению с радиосвязью. Такие распределенные орбитальные вычислительные центры могли бы решать задачи управления космическими аппаратами в дальнем космосе. Скажем, зондами для исследования атмосферы и ионосферы далеких планет Солнечной системы и их естественных спутников.

Инопланетный разум

Все начиналось с исследования Луны Всеволодом Троицким и его коллегами. Троицкий и Кротиков – соавторы открытия о росте температуры недр Луны с глубиной. Именно Троицкий заявил: «Луна – твердая!» на совещании у Сергея Королева при обсуждении советской программы разработки лунных посадочных модулей.

На радиоастрономических полигонах нижегородскими радиоастрономами велись радионаблюдения Солнца, Луны, планет и их спутников, а также радиогалактик в созвездиях Лебедя, Ориона и Кассиопеи. Я сам, так уж вышло, будучи студентом-второкурсником поработал оператором радиотелескопа в Крыму. Спустя много лет память об удивительном сочетании теплой южной ночи с пением цикад в сочетании с шуршанием перышек самописцев, принимающих радиоголос далекой Кассиопеи, вылилось в стихотворный цикл, где перемешаны волнующие любого тайны «звездного неба над головой» и красота «нравственного закона внутри». А надо сказать, что человеческие отношения на радиополигонах были полны нежной дружбы и радости от общего дела.

В какой-то момент Всеволод Троицкий увлекся и увлек других проблемой поиска внеземных цивилизаций, вскоре он стал одним из лидеров отечественной программы поиска инопланетного разума. Троицкий выступал убежденным сторонником концепции множества обитаемых миров, его дискуссии со скептиками, которых вскоре возглавил астроном Иосиф Шкловский (изначально веривший во внеземную жизнь), публиковались на страницах популярного журнала «Знание – сила». Я хорошо помню эти статьи, проиллюстрированные фотографиями нирфинских радиотелескопов. Троицкий-радиоастроном стал героем нескольких телевизионных фильмов горьковского режиссера Юрия Беспалова. Убежденность в том, что человечество не одиноко во Вселенной, тогда, в 1970–1980-е разделяли многие астрономы, как отечественные, так и зарубежные. Конкретных оснований для этого было не так уж много.

Скажем, наблюдаемое в спектрах звезд наличие изотопов некоторых тяжелых элементов, не вписывающееся в теорию звездообразования. Астрофизики Карл Саган и Иосиф Шкловский высказали тогда довольно шокирующую гипотезу, предположив, что высокоразвитые цивилизации, активно развивающие атомную энергетику, сбрасывают все возрастающее количество отходов радиоактивного распада на свою звезду – а куда же их еще девать, если на планете места для их захоронения при таком интенсивном производстве атомной энергии не остается? Как ни странно, количественные оценки с учетом запаса урана на типичной планете выглядят вполне реалистично. Но вот каких-то других намеков на наличие в космосе сверхцивилизаций обнаружить не удавалось.

Программа, предложенная Троицким на таллинской конференции по проблемам поиска жизни во Вселенной в декабре 1981 года, была грандиозна – предполагалось построить сотню радиотелескопов по всей стране, и первыми в этом ряду можно считать радиотелескопы, уже работающие на радиополигонах Горьковского радиофизического института в Зимёнках, в Старой Пустыни и в Крыму.

Троицкий писал: «В Научно-исследовательском радиофизическом институте создается система «Обзор». Она будет состоять из нескольких десятков радиотелескопов. Таким образом, будет перекрыта диаграммами вся небесная полусфера. Система «Обзор» может наращиваться постепенно. Предполагается к 1995 году довести число лучей до 100. Наблюдения с двадцатью лучами может быть начато уже в 1990 году». Однако, как сказал Троицкий в одной из телепередач, «космос молчит».

Но не только поиском внеземного разума занимались горьковские радиоастрономы. Лунная радиоастрономическая методика была перенесена на исследования Венеры и Меркурия. Теперь, уже в наше время, речь идет о Юпитере и Сатурне и об их спутниках. А потом, наверно, заговорим об экзопланетах – мир един, и то, что отработано здесь, на Земле, пригодится в дальнем космосе.

Но и Луна не забыта, ее радиолокация продолжается в НИРФИ с применением стенда «Сура» – одна секция облучает Луну мощным импульсным радиосигналом, а другая принимает радиоэхо. Радиосигнал при этом два раза проходит через ионосферу, но специальная (в том числе спектральная) обработка принятого импульса позволяет получить ценные сведения именно о Луне, например, о составе лунного грунта и на поверхности, и на небольшой, около 50 м, глубине из-за известного физикам скин-эффекта. Таким образом, можно обнаружить под поверхностью Луны водяные озера или залежи определенных минералов – существенное дополнение к анализу лунного грунта спускаемыми аппаратами.

И во всех этих задачах исследователи неизбежно опираются на инженерные решения, связанные как с самими передатчиками и приемниками, так и с системами обработки сигналов. Через технологические тернии – к звездам! А также планетам, к туманностям, черным дырам, квазарам – знанием и волей человека и всем разнообразием радиовариаций. 

Нижний Новгород

Автор благодарит за полезное обсуждение статьи сотрудников НИРФИ и Университета Лобачевского Алексея Шиндина, Савелия Грача, Андрея Калинина и Михаила Гущина.