I. КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА

Связь - компоненты - навигация

Финк Д. Дж. (Daniel J. Fink)

Чтобы представить возможности технического прогресса в течение ближайших 35 лет, имеет смысл оглянуться назад и дать оценку достижениям, которые имели место за такой же период времени в прошлом. Начнем с 1930 г, В то время мир все еще рукоплескал Линдбергу, в одиночестве совершившему перелет в Париж. Менее известными, но столь же важными были энергичные усилия д-ра Роберта Годдарда, в честь которого проводится эта конференция, направленные на практическую реализацию его теоретических выводов. Уже были созданы первые лабораторные образцы иконоскопа Зворыкина и передающей трубки Фарнсворта, двух краеугольных камней современного телевидения. Эти и многие другие столь же настойчивые и преданные своему делу люди обладали способностью предвидеть значение своих работ в будущем. К сожалению, такая привилегия дана далеко не всем. Выделить потенциально наиболее перспективное направление среди проводимых в настоящее время исследований так же трудно, как найти иголку в стоге сена. А для того, чтобы этому направлению была оказана соответствующая поддержка, необходима не только дальновидность руководителей промышленных фирм и государственных учреждений. Нужно, чтобы эти руководители правильно понимали специфику социальных, экономических и политических условий как внутри страны, так и за ее пределами, которые могут обеспечить быстрое и успешное развитие данного направления.

Успехи в развитии науки и техники за последние три с половиной десятилетия действительно велики, и это всем хорошо известно. Однако в течение следующих 35 лет должны быть сделаны еще более грандиозные достижения. Дело в том, что прогресс - нелинейная функция времени, а скорость, с которой мы приобретаем новые научные знания, зависит от объема уже имеющихся знаний и качества инструментов познания. Насколько известно, пока еще нет точной формулы для количественного определения темпов научно-технического прогресса. Однако все признают, что качественно научно-технический прогресс подчиняется нелинейному закону.

Если принять, что показатель степени в формуле нелинейного закона равен 2, то тогда для начала отсчета нам придется вернуться на 1000 лет назад, к тому времени, когда люди считали, что плоская земля является центром вселенной. Пройдет еще около 500 лет, прежде чем Николай Коперник потрясет ум своих современников, отказавшись от учения о неподвижности Земли как центре мироздания. Затем понадобится еще 100 лет, прежде чем Иоганн Кеплер сформулирует точные математические законы орбитального движения, на основании которых наши современные искусственные спутники удерживаются в поле притяжения своих древних естественных компаньонов в космосе.

Возможно, правильнее было бы в качестве показателя степени нелинейного закона взять не 2, а 1,3 и начать отсчет с момента, отстоящего от настоящего времени всего лишь на 100 лет. Этот период представляется мне наиболее удобной меркой для оценки будущего. На научной конференции в 1866 г. мы могли бы услышать блестящее выступление Джеймса Максвелла, выдвигающего свою теорию электромагнетизма. Через 20 лет Генрих Герц проложил путь от теории к практике и предсказал, что наука и техника сумеют освоить радиочастотный участок электромагнитного спектра. Маркони еще предстояло разработать беспроволочный трансатлантический телеграф, а де Форе еще не изобрел в то время своей слуховой трубки. Братья Райт еще катались на велосипедах, а Эйнштейн, в 1900 г. окончивший Политехнический институт в Цюрихе, ходил без работы и еще не знал, что Е = mс². Но вскоре он вывел эту формулу и тем самым дал человечеству ключ к кладовой, в которой природа хранит неисчислимые запасы энергии. В течение последующих 50 лет одно за другим были сделаны другие важные научные открытия: обнаружен электрон, открыты явления радиоактивности и распада атомного ядра, создана квантовая теория, начала развиваться радиоастрономия. Одновременно быстрыми темпами шло развитие техники: увеличивалось производство автомобилей и самолетов, совершенствовались средства радиосвязи, радиолокации и телевидения, появились электронные вычислительные машины, была освоена атомная энергия. Столь высокие темпы научно-технического прогресса смутили некоторых специалистов, которые начали поговаривать о том, что мы-де снова приближаемся к уровню насыщения, что мы выбираем последние резервы своих научных знаний и что в будущем следует ожидать лишь количественных изменений. Это гнилая теория, которая сейчас еще менее справедлива, чем когда бы то ни было раньше. Опыт показывает, что, хотя мы почти всегда чересчур оптимистичны в отношении ближайших перспектив, мы часто сильно ошибаемся и недооцениваем возможности более отдаленного будущего. В октябре 1964 г. ныне покойный д-р Хью Драйден отметил, что "жизнь оставляет позади прогнозы самых рьяных оптимистов". Он напомнил свое заявление, сделанное в 1953 г.: "У нас есть все основания считать, что искусственный спутник Земли может быть создан уже сейчас и что полет человека на Луну вполне может состояться через 50 лет". И далее: "На деле же оказалось, что для запуска первого искусственного спутника Земли потребовалось четыре года, а полет на Луну предполагается осуществить не через 50 лет после "пророческого" высказывания, а всего лишь через 16 ".

Даже если предположить, что следующие 35 лет не принесут никаких принципиально новых открытий в науке (а такое предположение было бы абсолютно необоснованным), даже в этом случае перед техникой продолжала бы стоять довольно трудная задача полного использования открытий, сделанных в первой половине текущего столетия. В то же время мы можем с уверенностью полагать, что самое сильное влияние на жизнь и общество к 2001 г. окажут такие научные открытия и технические разработки, предсказать которые пока не представляется возможным. При этом ни о какой конкретной физической форме этих будущих открытий и разработок в настоящее время не может быть и речи. Тем не менее совершенно очевидно, что большинство из них будет направлено на удовлетворение потребностей общества. Более того, для разрешения этой проблемы вовсе не требуется ждать новых открытий. Современный уровень технического прогресса позволяет считать, что важный вклад в дело удовлетворения потребностей общества можно сделать на базе правильного использования и дальнейшего развития существующей техники, особенно тех ее средств, которые были созданы в течение последнего десятилетия.

Первоочередной задачей станет, по-видимому, усовершенствование средств связи, с помощью которых можно будет если не устранить, то хотя бы облегчить трудности, обусловленные чрезмерной концентрацией населения, причем эти трудности усугубляются не только естественной потребностью человека к продолжению своего рода, но и его способностями к массовому производству средств передвижения. Представьте себе, что в один прекрасный день наш потомок выводит из гаража свой суперавтомобиль, чтобы добраться до своей конторы. Но стоит ему съехать на автостраду, как поток машин на ней останавливается, ибо его суперавтомобиль стал той последней каплей, которая переполнила чашу пропускной способности дороги, и движение на ней прекратилось. Нашему потомку ничего не остается, как вернуться в свой комфортабельный коттедж и заняться бизнесом, не выходя из дома и используя для этого различные широкополосные средства связи. Ближняя связь будет осуществляться в основном с помощью проводных линий и, возможно, с помощью световодов или кабелей из стекловолокна. Однако для дальней связи, особенно на межконтинентальных трассах, наиболее перспективным средством станут, по-видимому, спутники-ретрансляторы, используемые как радиорелейные станции на линии прямой видимости. Такие спутники обеспечивают максимальную универсальность при минимальной стоимости.

Как известно, в течение нескольких последних лет в области спутников связи были достигнуты значительные успехи как промышленностью, так и государственными организациями, которые позволяют нам в Министерстве обороны планировать создание собственной системы примерно из 20 спутников на околосинхронных орбитах. С помощью этой системы Министерство обороны рассчитывает обеспечить удовлетворение своих потребностей в тактической и стратегической связи. Выходная мощность бортовой аппаратуры спутника, излучаемая в виде широкого луча, невелика и составляет всего лишь несколько ватт. В связи с этим для работы с такими спутниками требуются сравнительно сложные наземные станции с антеннами до 20 м в диаметре. Предполагаемый срок существования спутников на орбите будет колебаться в пределах от полутора до трех лет. Для улучшения рабочих характеристик этой системы ведутся исследования более мощной аппаратуры с повышенной чувствительностью и остронаправленным излучением. Для ориентации лучей в направлении Земли предполагается использовать пассивные гравитационно-градиентные методы. Намечено удвоить срок существования спутников на орбите и, возможно, довести его до 10 лет. Помимо обеспечения наших потребностей в стратегической связи, для чего требуется ограниченное количество цепей, мы исследуем преимущества спутников для организации тактической связи, требующей гораздо большее количество цепей. В такой системе необходима не только повышенная пропускная способность и большая емкость отдельных каналов - для обеспечения высокой подвижности наземные станции должны быть малогабаритными и легкими. Таким образом, часть функций системы будет передана с наземных станций на спутники.

Благодаря разработкам военного ведомства, а также успехам НАСА и корпорации "Комсат" будет получен технический опыт, который необходим для удовлетворения всех наших потребностей в средствах связи к началу XXI в. К тому времени системы спутниковой связи будут работать с применением больших остронаправленных антенн, молекулярных электронных схем, высокочувствительных приемников с высоким, отношением полезного сигнала к шуму и бортовых передатчиков на спутниках со средней мощностью сигнала порядка нескольких киловатт. Кроме того, будут существенно расширены пригодные для связи участки электромагнитного спектра, а срок службы аппаратуры будет ограничиваться не ее отказами, а моральным старением.

Фиг.1. Радиолокационная станция системы обнаружения и сопровождения космических объектов

Особо важную роль при разработке систем космической связи будущего могут сыграть новые принципы конструирования антенн и методы их монтажа в космическом пространстве. Космические антенны, сравнимые по размерам с 50-метровой антенной радиолокаторов системы обнаружения и сопровождения космических объектов (SPADATS), вариант которой показан на фиг.1, будут иметь столь же высокую подвижность луча в широком диапазоне углов, как и их наземные прототипы. В целях экономии энергии и снижения уровня взаимных помех такие антенны будут излучать энергию в виде луча переменной ширины при автоматической регулировке размеров диаграммы направленности в зависимости от величины площадки, высвечиваемой на поверхности Земли. Гравитационно-градиентные и другие пассивные системы будут вырабатывать для спутников опорные сигналы ориентации в направлении на Землю с точностью до одного миллирадиана, тогда как в настоящее время минимальная погрешность систем пассивной стабилизации составляет ±5°. Используя методы фазирования запитывающих напряжений или электронного переключения в таких антеннах, можно будет обеспечить формирование нескольких узких лучей, которые независимо друг от друга будут немедленно направляться на заданные участки земной поверхности по соответствующим командам-запросам. Так, через спутник можно будет установить прямую связь между штатом Род-Айленд и Румынией, между штатом Вермонт и Венецией. За этими антеннами с гигантскими рефлекторами будут размещены блоки из микроминиатюрных электронных элементов.

Фиг.2. Рост плотности монтажа радиоэлектронных элементов в блоках аппаратуры.

В настоящее время в радиоэлектронной промышленности широким фронтом ведутся интенсивные работы в области микроэлектроники. В результате усилий многих организаций, направленных на уменьшение объема выпускаемых изделий, повышение их надежности и снижение производственных расходов на единицу продукции, габариты радиокомпонентов в течение последних 10 лет были сокращены на несколько порядков.

Как следует из графика фиг.2, работы по проекту "Тинкертой", проведенные примерно 15 лет назад Национальным бюро стандартов по заказу министерства ВМС, позволили получить плотность монтажа порядка 10⁴ элементов на 1 куб. фут (350 элементов на 1 дм³). В это же десятилетие Управление войск связи Министерства армии финансировало разработку микромодульного принципа конструирования радиоэлектронной аппаратуры, в результате чего плотность монтажа была увеличена до 10⁶ элементов на 1 куб. фут (35000 элементов на 1 дм³). И наконец, в связи с созданием межконтинентальных баллистических ракет с двигателями на твердом топливе (в первую очередь ракеты ВВС "Минитмен") были разработаны кремниевые интегральные схемы, плотность монтажа которых эквивалентна 10⁸ элементов на 1 куб. фут (35•10⁵ элементов на 1 дм³). С помощью этого метода на одной кремниевой галете диаметром 1 дюйм (25,4 мм) и толщиной в 0,01 дюйма (0,254 мм) можно разместить более 100 схем, каждая из которых содержит от 10 до 20 транзисторов и примерно в пять раз больше сопротивлений. В лабораториях на базе более совершенной технологии уже получены схемы с плотностью монтажа 10⁹ элементов на 1 куб. фут (35•10⁶ элементов на 1 дм³).

Если микроэлектроника будет и дальше развиваться такими же темпами, то очевидно, что в течение следующих 30 лет появятся устройства типа "функциональных блоков" с эквивалентной плотностью монтажа 1015 элементов на 1 куб. фут (35•10¹² элементов на 1 дм³). Мы будем копировать природу, "выращивая" целые блоки радиоэлектронной аппаратуры, так что в них нельзя будет выделить отдельные транзисторы, сопротивления, конденсаторы и катушки индуктивности. Эти блоки в виде отдельных монолитов, аналогичные естественным пьезоэлектрическим кристаллам, смогут самостоятельно выполнять все заданные схемные функции. Когда я говорю, что такие интегральные схемы "выращиваются", я имею в виду сходство, которое существует между технологией их производства и процессами, происходящими в живой клетке, когда она, находясь в питательной среде, размножается или восстанавливается. В процессе разработки такой технологии физики, химики и биологи, инженеры и техники, которые до этого действовали в общем-то независимо друг от друга, будут объединены более прочными узами. "Электронное дитя", которое появится в результате этого взаимовыгодного союза, может оказаться очень похожим на биологическое существо с продолжительностью жизни в несколько десятилетий.

Фиг.3. Увеличение выходной мощности СВЧ-генераторов непрерывного излучения.

К концу этого столетия электровакуумные приборы могут стать столь же архаичными, какими являются сейчас детекторные радиоприемники. Проведенные недавно исследования показали, что электромагнитная энергия, генерируемая с помощью твердотельных приборов в функции частоты, возрастала каждые три года в 10 раз (фиг.3). Первый транзистор, созданный в 1947 г., на максимальной частоте 5 Мгц вырабатывал 10 - 20 мвт, тогда как выходные мощности современных приборов на частотах 500 Мгц и 2 Ггц составляют 50 и 1 вт соответственно. В 1960 г. газовый лазер на гелий-неоновой смеси при работе на красном участке видимого спектра имел среднюю мощность излучения 5 мвт. Созданные в последнее время газовые лазеры на смеси двуокиси углерода и азота вырабатывают до 130 вт в инфракрасном диапазоне длин волн. И конечно, в импульсном режиме максимальные мощности становятся неизмеримо более высокими.

Требования к уровню мощности первичных источников питания для космических объектов, использующих солнечное излучение и энергию ядерного деления, будут со временем быстро увеличиваться. В конце 70-х и начале 80-х годов в целях снижения веса могут применяться системы питания, состоящие из электрогенераторов средней мощности, которые в установившемся режиме будут вырабатывать несколько десятков киловатт, и химических батарей для накопления энергии, которые будут включаться в случае резкого увеличения нагрузки. В будущем для удовлетворения потребности в гораздо более высоких уровнях мощности могут понадобиться весьма мощные энергетические реакторы и электрогенераторное оборудование для работы на удаленных объектах, а это вызовет тенденцию к разработке автономных источников питания и методов прямого преобразования энергии. В основу этих методов к концу 80-х и началу 90-х годов могут быть заложены усовершенствованные принципы размещения аппаратуры, например установка блока преобразования внутри сердечника источника тепловой энергии. К началу следующего столетия можно ожидать, что системы с промежуточным преобразованием энергии в электричество уступят место системам с прямым преобразованием, в которых исходный вид энергии - ядерное излучение или тепло - непосредственно преобразуется в конечную требуемую форму энергии без применения промежуточных электрогенераторов. Примером устройства, работающего таким образом, может служить лазер с накачкой от солнечных лучей.

Выше говорилось в основном об усовершенствовании методов и аппаратуры как в макро-, так и в микроскопических масштабах. Однако вполне возможно, что наиболее драматические изменения в области радиоэлектроники произойдут в результате более полного использования ресурсов нашей природной кладовой - электромагнитного спектра.

Как известно, в "доме Герца", что расположен на территории электромагнитного "поместья Максвелла", средства связи ютятся в крохотной каморке. Каморка явно перенаселена: там живут коммерческие, промышленные, политические и военные квартиросъемщики. Каждый занимает свой угол и часто ссорится с соседями. Трудности усугубляются еще и тем, что эти жильцы растут, они требуют больше площади и больше внимания. Увеличиваются потребности в связи для финансовой и торговой деятельности, для обучения, развлечения и медицинского обслуживания населения, а также и для военного ведомства. Эти потребности в сочетании с бурным ростом населения и пополнением лагеря развивающихся стран неминуемо приведут к освоению дополнительных участков электромагнитного спектра.

Практически вся радиосвязь осуществляется в полосе менее 10000 Мгц (10¹⁰ гц). В прошлом потенциальные возможности использования полосы 10¹⁶ гц, охватывающей весь спектр электромагнитных колебаний вплоть до ультрафиолетового участка, ограничивались как природными причинами, так и уровнем развития техники. Требовались весьма мощные генераторы и чувствительные детекторы с высоким к. п. д. С появлением лазера все эти ограничения снимаются. И хотя максимальная мощность, которую развивают в непрерывном режиме современные лабораторные образцы лазеров, составляет всего лишь около 130 вт, это в 10⁵раз выше, чем давал гелий-неоновый лазер Али Явона в 1960 г.

Следует ожидать, что к 2001 г. средняя мощность, генерируемая практически во всем спектре, будет измеряться мегаваттами. Но (и это очень большое но), чтобы использовать весь электромагнитный спектр в системах спутниковой связи, потребуется решить задачу по преодолению препятствия в виде облачного покрова Земли. Облака можно было бы прожигать лучом световой энергии и таким образом получать открытые каналы связи между наземными станциями и спутниками. Однако реализация такого решения потребует чрезмерно больших расходов, хотя с технической точки зрения оно реализуемо. Возможный вариант решения поставленной задачи предусматривает размещение нескольких мощных лазерных передающих станций на вершинах горных пиков, где облачность - довольно редкое явление. Получение хотя бы одного канала связи через спутник в такой системе будет зависеть от наличия облаков в соответствии с законами статистики. Возможен и третий путь: на базе проводимых в настоящее время исследований могут быть разработаны способы управления погодой в каком-либо районе земного шара с тем, чтобы постоянно поддерживать оптический контакт со спутником связи. Эта задача может быть решена совершенно новым, оригинальным способом, который еще не открыт. Во всяком случае, всеобщая потребность в дополнительных средствах связи может либо вынудить нас пойти по одному из известных путей, либо подтолкнуть к какому-то новому решению поставленной задачи. Под давлением этих потребностей все помещения "дома Герца", без сомнения, окажутся вскоре полностью занятыми.

Для обеспечения связи между всеми странами мира вовсе недостаточно просто подключить их к глобальной сети станций. Представители многих стран в ООН не могут объясняться друг с другом без помощи переводчиков. Использование переводчиков в тысячах телефонных переговоров по межконтинентальным линиям связи, которые ведутся ежедневно, вряд ли целесообразно.

Логический путь к решению этой исторически сложившейся проблемы давно известен, но придерживаться его всегда было довольно трудно из-за препятствия в виде национального престижа, которое сложнее преодолеть, чем технические трудности. Необходимо выбрать один мировой язык с тем, чтобы население всех стран помимо своего родного языка изучало еще и общий стандартный язык. Первая попытка в этом направлении была предпринята около 75 лет назад, когда был создан "эсперанто". Число приверженцев этого искусственного языка непрерывно растет благодаря простоте его структуры и национальной нейтральности. Создать новый язык для той же цели будет, по-видимому, довольно просто. Его основой должна стать современная теория информации, а его назначение должно состоять в том, чтобы обеспечить наиболее эффективную передачу мысли, устно или письменно, без каких-либо затруднений с точки зрения произношения и правописания. И конечно, этот язык должен удовлетворять требованиям с точки зрения сокращения времени связи и сужения полосы используемых частот.

Если считать, что прогресс в области международной связи определяется успехами в создании второго языка в качестве стандарта, то, к сожалению, придется констатировать, что показатель степени в формуле закона, описывающего темпы развития в этом направлении, будет меньше единицы. Другими словами, они будут гораздо ниже темпов развития технических средств связи. Таким образом, хотя это в общем и менее желательно, решение задачи по созданию мировой системы связи на базе технических средств может быть достигнуто гораздо раньше. Для автоматического перевода сообщений с одного языка на другой в такой системе, так же как и в системах с многоканальным входом, будут применяться электронные вычислительные машины. Допустим, что вам надо связаться из Вашингтона с абонентом в Швеции. Для этого в 2001 г. вы снимете трубку своего всеязыкового видеофона, назовете требуемый вам номер (дисковый и кнопочный набор к тому времени устареет) и, как только связь будет установлена, начнете говорить на своем родном языке. В это время машина-переводчик, установленная либо на спутнике связи, либо на главной наземной станции, будет переводить ваше сообщение на язык абонента, с которым вы разговариваете. С помощью специальной ручки точной регулировки вы сможете даже выбрать подходящий акцент: южный, западный, а если захотите, то и иностранный.

На протяжении своей многовековой истории человек научился не только выражать свои мысли при помощи речи, он придумал также много способов для передачи их на большие расстояния, применяя для этого такие средства, как сигнальные костры, барабаны, фонари, почту, телеграф, телефон и радио. Теперь ему предстоит научиться увеличить дальность действия других своих органов, например органов зрения и органов, создающих мускульные усилия. Дело в том, что хотя человек и представляет собой весьма сложный механизм, в котором способность мыслить объединяется со способностью легко пользоваться любыми инструментами, он развивался в земных условиях и, следовательно, не подготовлен к существованию на других планетах или в просторах космоса. Если рассматривать человека как систему, то можно сказать, что ее рабочие характеристики не удовлетворяют требованиям, которые выдвигаются окружающими условиями в космосе. В некоторых случаях характеристики системы рассчитаны с большим запасом, в других случаях они выбраны гораздо ниже требуемых значений. Чтобы жить и работать, человек должен нести с собой в космос свой земной "реквизит". А это значит, что для защиты от воздействия вакуума и других особенностей космического пространства человек должен либо находиться в герметичной кабине, либо одевать громоздкий и тяжелый скафандр. Независимо от степени совершенства как кабина, так и скафандр существенно ограничивают возможности активной деятельности человека в космосе и далеко не обеспечивают привычного для него комфорта. Более того, находясь в такой кабине или в таком скафандре, человек может вдруг обнаружить, что он сам, его реакции и естественные функции становятся препятствиями при выполнении стоящих перед ним задач. Так, например, если он пытается установить в требуемое положение большой телескоп с точностью 10^-8 рад, то движения его рук, дыхание и даже удары сердца могут вызвать появление момента, которого будет достаточно для нарушения ориентации телескопа.

В человеческом организме, как в электромеханической системе, объединены датчики (зрение, слух, вкус, осязание и обоняние), самоприспосабливающаяся быстродействующая вычислительная машина с запоминающим устройством, емкость которого, как считают, составляет 10¹⁵ бит, и комплект хорошо развитых исполнительных органов (конечностей) со свободой перемещения до 320°. При работе и выполнении наблюдений в космосе самым важным и ответственным из датчиков будут для человека глаза. Большую помощь при монтаже различных конструкций из блоков окажет человеку и чувство осязания. В то же время органы слуха в связи с отсутствием атмосферы, через которую передается звук, будут практически бесполезными, так как в космосе человек не сможет слышать звуки, сопровождающие различные явления. Органы слуха понадобятся ему лишь для переговоров с другими членами экипажа или для связи по радио с наземными пунктами управления. Даже такой замечательный инструмент, как глаз человека, обладает целым рядом существенных недостатков. Так, он видит объекты лишь в очень узкой полосе спектра, точнее, в диапазоне длин волн между 4000 и 7500 А(ангстрем). Кроме того, человек в отличие от совы не может повернуть голову на 360°, поэтому поле его зрения при неподвижном корпусе ограничивается передним сектором 180°.

Телевизионные камеры, которые будут применяться в 2001 г., будут воспринимать изображения объектов не только в оптическом, но если необходимо, то и в ультрафиолетовом и инфракрасном участках спектра. Они будут рассчитаны на получение трехмерных изображений при сканировании в пределах 360°. Уже сейчас намечается несколько путей решения проблемы трехмерного телевидения. Один из предлагаемых методов предусматривает использование расщепленной оптики, имитирующей угловые соотношения глаз человека. При этом информация по каждому оптическому каналу будет передаваться на Землю, где будет восстанавливаться в трехмерном индикаторном устройстве вместе с информацией, поступающей по другому каналу. Это миниатюрное устройство может быть выполнено в виде очков, через которые каждый глаз будет наблюдать изображение, поступающее по соответствующему телевизионному каналу. На базе двух отдельных изображений в глазах наблюдателя будет воссоздаваться трехмерный образ объекта.

Гораздо более изящное и перспективное решение этой же проблемы основано на применении метода голографии, который был предложен английским ученым Деннисом Табором почти 20 лет назад. До недавнего времени этот метод имел весьма узкую область применения в связи с тем, что в целях сокращения времени экспозиции объект должен был освещаться сильным когерентным светом. После появления лазеров голография, представляющая собой по существу трехмерную фотографию без применения объективов, достигла огромных успехов.

Несколько слов об основных принципах голографии для тех, кто с ними незнаком. Когда вы смотрите на меня сейчас, на ваши глаза воздействует некоторая часть исключительно сложного и динамичного электромагнитного поля, которое существует в пространстве между вами и мной и которое создается отраженным светом. Если бы можно было сделать разрез этого поля по перпендикуляру к линии, соединяющей нас, "заморозить" его и сохранить, то впоследствии мы могли бы "разморозить" его и разрешить электромагнитным волнам продолжать свой путь к вам. В промежутке между операциями "замораживания" и "размораживания" я бы мог сойти с трибуны и, расположившись в одном из кресел рядом с вами, наблюдать за тем, как я сам делаю доклад о будущем.

На практике (фиг.4) этот эффект достигается благодаря облучению объекта пучком когерентного света. Отраженный свет смешивается затем с частью исходного когерентного пучка, которая отражается от зеркала. В результате на фотопластинке образуется интерференционная картина. После проявления фотопластинка превращается в диапозитив, на котором в "замороженном" виде зафиксирована интерференционная картина. Пока на ней ничего невозможно разобрать. Однако если теперь на этот диапозитив направить луч исходного когерентного источника света, то получится дифракционная картина, воссоздающая действительное и мнимое изображения реального объекта.

На первый взгляд кажется, что этот метод ничем не лучше моментальной фотографии и киносъемки или записи на видеомагнитофоне, которую можно в любое время воспроизвести на экране телевизора. Однако во всех этих случаях получается плоское двумерное изображение объекта, тогда как голограмма воспроизводит исходное изображение объекта в трех измерениях во всех его подробностях, словом, дает полное впечатление реальности. Голограмму практически невозможно отличить от изображения объекта, наблюдаемого в действительности. Если при наблюдении восстановленной картины вы слегка переместите голову, то благодаря эффекту параллакса сможете увидеть также объекты, которые находятся непосредственно за мной и которые во всех других случаях были бы не видны. Трудно переоценить значение голографии для работ по исследованию и освоению космического пространства, особенно если учесть, что ее можно использовать в сочетании с другими техническими средствами.

Фиг.4. Принцип получения голограммы.

Для выполнения ручных операций в условиях сильной радиации специалистами Аргоннской национальной лаборатории были созданы манипуляторы, которые очень похожи на руки человека. Оператор просовывает руки в выполненные как перчатки инструменты и начинает работать так, как он делал бы это в нормальных условиях. С помощью следящей системы из 14 сервомеханизмов движения рук и пальцев оператора передаются манипуляторам, которые выполняют аналогичные движения. В этих устройствах предусмотрена силовая обратная связь, чтобы оператор мог "ощущать" выполняемую работу так же, как ее ощущает, например, человек, удерживающий головку болта плоскогубцами. На основе этого и других аналогичных методов можно будет обеспечить точное воспроизведение перемещений ног, головы, рук и корпуса человека. В октябре 1965 г. Уильяме Брэдли, сотрудник Института военных исследований, опубликовал статью, в которой дал более глубокий анализ проблем дистанционного управления человекоподобными манипуляторами, которые он называет "телеагентами".

В более отдаленном будущем станет возможным использование слабых электрических сигналов, так называемых миогенных импульсов, которые вырабатываются мышцами человека при выполнении тех или иных движений. С помощью серебряных электродов, укрепленных на коже над моторными точками мышцы, эти сигналы воспринимаются чувствительными электронными приборами и используются для управления протезами. Дополнительные исследования в этой области физиологии могут привести к разработке весьма перспективного метода измерения естественных движений человека и их передачи на расстояние.

Нетрудно представить себе время, когда руководитель космического полета, не выходя из своего удобного кабинета, сможет не только наблюдать за абсолютно реальным изображением событий, происходящих в космосе на расстоянии в несколько сотен километров, но и точно управлять действиями находящегося там человекообразного робота. Синхронизируя движения своей головы с перемещениями камеры в космосе, он сможет увидеть, что делается вокруг, выше и ниже робота в пределах наблюдаемого пространства. При дистанционном управлении положением камеры в космосе его руки будут ощущать сопротивление механизма.

В то же время трудно согласиться с тем, что роботы будут столь полно воспроизводить человека, а силовая обратная связь будет столь эффективна, что отпадет всякая необходимость в присутствии самого человека на месте событий. Более того, исследования без личного участия никогда полностью не удовлетворяли человека. Да и тяга к приключениям еще так сильна, что люди будут продолжать стремиться к полетам на Марс и другие планеты. А при таких продолжительных полетах методы дистанционного управления с помощью описанных выше замкнутых систем окажутся непригодными уже в 2001 г. в связи с задержкой прохождения сигнала, обусловленной известным ограничением, связанным с конечным значением скорости света. Поэтому по мере увеличения расстояния будет расти и время, требуемое для выполнения той или иной команды, и в конце концов задержка станет столь большой, что придется отказаться от системы дистанционного управления, и человек сам будет выполнять все эти операции во время дальних перелетов в космосе. А для этого нам предстоит решить целый ряд проблем в области навигации, наведения, управления и двигательных установок. Какие методы будут применяться для исследования новых областей космического пространства в 2001 г.? Некоторое представление о них мы могли бы получить на основании нашего прошлого опыта.

Когда человек впервые отправляется в неизвестные места, он берет с собой снаряжение, которое должно помочь ему выжить в новых условиях: палатку и спальный мешок, оружие, продовольствие, котелок. Однако со временем, по мере знакомства с новым местом, человек начинает пользоваться "подручными средствами". Если он находится в лесу, то он строит для себя дом из бревен, на равнине - хижину из дерна, в горах - убежище из камней; он начинает питаться плодами земли, которые он находит вокруг себя.

Аналогичную картину мы наблюдаем и в ходе освоения космоса, которое началось на наших глазах. На первых спутниках применялись устройства, оправдавшие себя на Земле. Они должны были выдержать тяжелые условия работы в космосе. На этих спутниках устанавливались автономные источники питания в виде аккумуляторных батарей. Для создания управляющего момента использовались струйные рули. Однако вскоре стало очевидно, что электроэнергию можно получать непосредственно в космосе, и появились солнечные элементы. Магнитное поле Земли, градиент гравитационного поля, давление излучения уже рассматриваются сейчас не как помехи, влияние которых как-то нужно устранить, а как источники управляющих моментов для систем стабилизации. В настоящее время на орбитах находится целый ряд спутников ВМС, которые стабилизированы в пространстве только с помощью гравитационно-градиентных устройств, создающих необходимые вращающие моменты. В системе стабилизации спутника DME-A, запущенном НАСА, используется магнитное поле Земли как для обеспечения любой требуемой скорости вращения, так и для прецессирования оси вращения в любое заданное положение. Давление излучения пока еще не использовалось в конкретных устройствах стабилизации в качестве единственного источника управляющих усилий, но это вполне возможно.

Аналогичным образом можно предсказать и развитие методов навигации. Во всех случаях, когда местность имеет достаточное количество ориентиров, штурман отказывается от компаса и секстанта и переходит к навигации методом опознавания местных предметов. Компас и секстант применяются лишь на бескрайних океанских просторах, где трудно найти надежные ориентиры, которые позволили бы быстро и однозначно определить текущие координаты подвижного объекта. Можно ли считать, что в навигационном отношении космос аналогичен океану? Хотя это может показаться странным, но я считаю, что для навигации в космосе будет весьма широко применяться метод определения текущих координат по характерным особенностям района. Один из наиболее удивительных результатов обработки информации, полученной с помощью спутников, состоит в коренном пересмотре наших представлений о межпланетном пространстве как о совершенно однообразной пустыне. Теперь мы считаем космос весьма оживленным местом, в котором постоянно "дует" солнечный ветер. Состав частиц и скорость этого ветра определяются степенью солнечной активности и магнитными полями планет, встречающихся на его пути. Со своей стороны солнечный ветер также оказывает влияние на эти поля. Таким образом, даже в межзвездном пространстве существует непрерывный поток самой разнообразной радиации, характеристики которой, помимо всего прочего, зависят от места наблюдения. Следовательно, расстояние до Солнца можно, по-видимому, определить достаточно просто по суммарной интенсивности радиации в соответствующей полосе. Далее, если невозможно измерить напряженность гравитационного поля на космическом корабле, так как на все его элементы оно воздействует с одинаковой силой, то градиент этого поля можно определить и проинтегрировать. Таким путем можно получить направление и напряженность суммарного градиента гравитационного поля. Зная этот градиент и несколько направлений на ближайшие астрономические объекты, можно достаточно точно определить координаты своего местоположения. Определение направлений вообще никаких трудностей не представляет, так как природа дала нам для этого картину звездного неба, которой мы сможем пользоваться еще долго после 2001 г. И лишь только в целях удобства будут созданы космические маяки, аналогичные морским буям и плавучим маякам. Такие искусственные средства уже существуют. Для облегчения навигации в околоземном пространстве министерством ВМС создана система навигации с использованием спутников. Вскоре начнется эксплуатация системы "Омега", которая благодаря сочетанию естественных и искусственных средств позволит опознать любой объект, находящийся в любой точке земного шара, и определить его координаты. Как показали испытания, погрешность в определении координат точки на поверхности Земли после одного измерения составляет около 50 м. Несколько замеров с последующей статистической обработкой результатов дают ошибку менее 5 м.

Развитие методов точной навигации и картографирования земной поверхности с помощью спутников представляет собой типичный пример обратной связи в технике. Для выполнения точных измерений требовалось точное слежение за спутниками на орбите, интерполяция и прогнозирование их координат. А для этого в свою очередь нужно было точно знать параметры гравитационного поля Земли. Как показала практика, наилучшим способом измерения этого поля является обеспечение точного слежения за спутниками. Благодаря тесному сотрудничеству НАСА и Министерства обороны, примером которого могут служить запуски таких спутников, как ANNA, BE-C и GEOS, гравитационное поле изучено настолько подробно, что мы можем теперь выполнять упомянутые выше точные измерения без особых затруднений. Каковы будут погрешности навигационных измерений в 2001 г. - один метр или один сантиметр? А может быть, один миллиметр? Уже в 1966 г. методы навигации и картографирования с помощью спутников позволили существенно облегчить и ускорить исследование немногих оставшихся неизвестными районов земного шара (главным образом в Южной Америке).

По-прежнему будут применяться и более прозаические бортовые навигационные приборы, в развитии которых за последние десятилетия можно отметить поразительные достижения. Особый интерес представляет повышение точности средств отсчета времени, или, что одно и то же, устройств для контроля частоты и обеспечения стабильной работы. В середине XVIII в. англичанин Гаррисон получил приз в 20 000 фунтов за изобретение сверхточного хронометра, ошибка которого через два месяца работы составляла несколько секунд. С тех пор в результате непрерывных усовершенствований, вызываемых потребностями систем навигации кораблей и самолетов и систем наведения ракет, стабильность приборов для отсчета времени достигла порядка 10^-14, что соответствует ошибке в 1 сек за миллион лет. Совершенствуются и другие приборы, используемые для навигации и наведения. Погрешность астроориентаторов (фиг.5) снизится, по-видимому, до 0,001". Основные элементы инерциальных платформ - гироскопы и акселерометры - будут совсем непохожи на современные приборы. Следует ожидать дальнейшего уменьшения их габаритов и повышения точности. Так, скорость ухода гироскопов (фиг.6), которая у некоторых экспериментальных приборов в настоящее время составляет 10^-4 град!час, станет менее 10^-6 град/час. Предельная чувствительность акселерометров (фиг.7), составляющая сейчас 10^-6 g, будет, возможно, доведена до 10^-10 g.

Фиг.5. Перспективы повышения точности астроориентаторов.

Совершенные навигационные средства малого веса и габаритов, высокой точности и надежности в сочетании с более подробными знаниями о космических навигационных ориентирах превратят полеты человека за пределы нашей солнечной системы, даже продолжительностью в несколько десятилетий, во вполне осуществимое и заманчивое предприятие.

Фиг.6. Перспективы понижения скорости ухода гироскопов.

Фиг. 7. Перспективы повышения чувствительности акселерометров.

Короче говоря, космическая техника может стать важным фактором формирования общества в XXI в. Используя достижения всех других наук, как физических, так и биологических, космическая техника обеспечит развитие средств связи и таким образом позволит сократить до минимума потребности людей в поездках по маловажным поводам. Роботы, обладающие известным интеллектом и способностью выполнять самые разнообразные операции, освободят человека от трудных работ в космосе. Используя точные, компактные и надежные приборы, располагая достаточными знаниями о космическом пространстве, человек сможет приступить к осуществлению полетов к звездам.

Все эти рассуждения, как мне кажется, приводят к выводу о том, что нам необходим более точный метод долгосрочного прогнозирования. Возможно, именно в этой области наибольшую пользу сможет принести сверхмощная электронно-вычислительная машина. Именно об этом я и подумал, когда получил недавно письмо от руководителей одной из наших ведущих исследовательских лабораторий. В этом письме содержится предложение, которое, как мне кажется, представляет большой интерес с точки зрения возможного решения задачи прогнозирования. Его суть в следующем:

"Лаборатория им. Линкольна осуществляет программу исследований в области твердого тела, в результате которой выращены особые кристаллы. Такие кристаллы до сих пор не были обнаружены в природе в естественном виде и не были созданы искусственно. Однако нам еще не удалось найти нужный материал для "магического кристалла", через который можно было бы различать будущее с расстояния в 50 лет. Если бы поиски этого материала были оформлены как проект, финансируемый правительством, то соответствующие работы могли бы вполне продолжаться вплоть до 2001 г.".

Далее...