Создана система упрощающая связь подлодок с самолетами

MIT Media Lab / YouTube

Американские инженеры показали в действии прототип системы для прямой связи между подводными и летательными аппаратами. Она состоит из подводного акустического излучателя, звуковые волны от которого вызывают колебания поверхности воды, и радара, который считывает эти колебания и фильтрует их от колебаний, вызванных естественными волнами на поверхности воды. Разработчики успешно испытали прототип системы в бассейне с плавающими людьми и передатчиком, размещенным на глубине 3,5 метра. Разработка была представлена на конференции SIGCOMM 2018.

Связь с подводными лодками и исследовательскими подводными аппаратами представляет собой большую проблему. Радиосигналы с наземных станций, спутников или самолетов быстро поглощаются водой и не могут проникать глубоко под поверхность воды, а акустические сигналы, относительно далеко распространяющиеся под водой, практически не переходят через границу воды и воздуха. Из-за этого для связи с подводными аппаратами используются промежуточные устройства, которые располагаются на поверхности воды или под ней, но связаны через кабель с поверхностью, и преобразуют акустические сигналы в радио- или электрические сигналы и наоборот. Такой способ обладает множеством недостатков. К примеру, он слабо применим для связи с подводными лодками, потому что для этого необходимо создать огромную сеть из ретрансляторов в океанах.

Франческо Тонолини (Francesco Tonolini) и Фадель Адиб (Fadel Adib) из Массачусетского технологического института создали систему связи, позволяющую подводным аппаратам «общаться» с летательными аппаратами напрямую через границу между водой и воздухом и основанную на особенностях взаимодействия обоих типов сигналов с этой границей. Система состоит из акустического передатчика под водой и радара над водой. Акустический передатчик излучает волны на частотах от 100 до 200 герц, которые распространяются к поверхности воды. При достижении поверхности воды волны вызывают периодические колебания уровня воды на несколько единиц или десятков микрометров.

Измерить такие изменения уровня воды напрямую довольно затруднительно. Вместо этого инженеры использовали радар, работающий в миллиметровом диапазоне, и решили измерять не время пролета сигнала, а периодические изменения в фазе сигнала, происходящие при отражении от колеблющейся воды.

Принцип передачи сигнала на границе двух сред

Francesco Tonolini, Fadel Adib / SIGCOMM 2018

Инженеры провели серию испытаний в емкости с водой, а также в бассейне с глубиной 3,5 метра, в котором также плавали люди, создающие волны. Испытания показали, что система способна работать при волнах с амплитудой 8 сантиметров (суммарной разницей высоты 16 сантиметров).

Разработчики отмечают, что пока у системы есть несколько важных недостатков. Использованная ими схема позволяет проводить только односторонние сеансы связи. Кроме того, пока она не может работать в условиях больших волн. Инженеры предполагают, что это ограничение можно частично устранить, оборудовав акустический передатчик и радар системой отслеживания волн на поверхности, которая позволит в реальном времени подстраивать сигналы под условия на поверхности воды. Наконец, система требует, чтобы радар находился практически вертикально над передатчиком.

В 2016 году Министерство обороны России начало развертывание подводной системы гидроакустического обнаружения и наблюдения «Гармония». Она состоит из устанавливаемых на дне роботов, которые проводят пассивную или активную гидроакустическую разведку и периодически выпускают на поверхность буи для передачи данных на командный пункт.

Связь с подводными лодками, когда они находятся в погружённом состоянии — достаточно серьёзная техническая задача. Основная проблема состоит в том, что электромагнитные волны с частотами, используемыми в традиционной радиосвязи, сильно ослабляются при прохождении через толстый слой проводящего материала, которым является солёная морская вода.

В ряде случаев хватает простейшего решения: всплыть к самой поверхности воды и поднять антенну над водой, но тогда подводная лодка становится более уязвимой. Атомная подводная лодка может находиться в подводном положении на рабочей глубине в течение нескольких недель и даже месяцев, и связь с ней должна быть обеспечена. Для этого применяются специальные технические решения.

Содержание

Акустическая передача [ править | править код ]

  • Звук может распространяться в воде достаточно далеко, и подводные громкоговорители и гидрофоны могут использоваться для связи. Во всяком случае, военно-морские силы и СССР, и США устанавливали акустическое оборудование на морском дне областей, которые часто посещались подводными лодками, и соединяли их подводными кабелями с наземными станциями связи.
  • Односторонняя связь в погружённом положении возможна путём использования взрывов. Серии взрывов, следующих через определённые промежутки времени, распространяются по подводному звуковому каналу и принимаются гидроакустиком.

Радиосвязь в диапазоне сверхдлинных волн [ править | править код ]

Сверхдлинные радиоволны включают диапазоны крайне низких частот, сверхнизких частот, инфранизких частот и очень низких частот.

С увеличением частоты уменьшается длина волны радиопередатчика, а значит и необходимая длина элементов антенны, так как они находятся в прямой зависимости. Но с увеличением радиочастоты уменьшается и глубина проникновения в толщу земли или моря. С уменьшением частоты уменьшается количество информации, которое можно передать на конкретной частоте за единицу времени. В некоторых странах крайне низкие частоты определяются как частоты диапазона 3—300 Гц, поэтому бывают разночтения при переводе.

Радиоволны крайне низких частот или extremely low frequencies (КНЧ, ELF, 3—30 Гц) легко проходят сквозь Землю и морскую воду. Радиоволны сверхнизких частот или super low frequencies (СНЧ, SLF, 30—300 Гц) также легко проникают сквозь Землю и морскую воду, но имеют размеры элементов антенн на порядок меньше. Строительство КНЧ/СНЧ-передатчика — чрезвычайно сложная задача из-за огромной длины волны и крайне низкого КПД передатчика. Вместо сооружения полноразмерных антенн используют два очень больших электрода, заглублённых в землю в районе с достаточно низкой удельной проводимостью на расстоянии несколько десятков километров друг от друга. Электрический ток между электродами проникает глубоко в недра Земли, используя их как часть огромной антенны. По причине крайне высокой технической сложности такой антенны, только СССР и США имели СНЧ-передатчики.

Читайте также:  Пространство между обкладками плоского воздушного конденсатора

Вышеописанная схема реализована в передатчике «ЗЕВС», находящемся на Кольском полуострове в Североморске-3, к востоку от Мурманска в районе с координатами 69° с. ш. 33° в. д. H G Я O L [1] (факт существования советского СНЧ-передатчика был обнародован только в 1990 году). Такая схема антенны имеет крайне низкий КПД — на каждый ватт излучаемой энергии необходимо затратить до 100 кВт энергии генераторов [2] [3] [4] .

Приём сигнала СНЧ на подводной лодке осуществляется на магнитные антенны. Они располагаются как в надстройке лодки (для приёма на малых глубинах), так и на специальном буксируемом устройстве, которое обеспечивает приём на глубинах в сотни метров, при этом само антенное устройство находится на небольшой глубине в приповерхностном слое [5] .

Советская система «Зевс» работает на частоте 82 Гц (длина волны 3656 км), американская «Seafarer» (с англ. — «мореплаватель») — 76 Гц (длина волны 3944,64 км). Длина волны в этих передатчиках сравнима с радиусом Земли. До 1977 года использовалась система «Sanguine», находящаяся в Висконсине. Частота – 76 Гц или 45 Гц. ВМС Великобритании предпринимали попытки построить свой передатчик в Шотландии, но проект был свёрнут.

Радиоволны инфранизких частот или infra low frequencies (ИНЧ, ILF 300—3000 Гц) имеют более компактные элементы антенн, но меньшее проникновение в толщу морских и земных глубин.

Радиоволны очень низких частот или very low frequencies (ОНЧ, VLF 3—30 кГц) имеют ещё более компактные антенны по сравнению с предыдущим диапазонам, но могут проникать в морскую воду только на глубины до 20 метров, преодолевая поверхностный (скин) эффект. Подводная лодка, находящаяся на небольшой глубине, может использовать этот диапазон для связи. Подводная лодка, находящаяся гораздо глубже, может использовать буй с антенной на длинном кабеле. Буй может находиться на глубине нескольких метров и из-за малых размеров не обнаруживаться сонарами противника. Первый в мире ОНЧ-передатчик, «Голиаф», был построен в Германии в 1943 году, после войны перевезён в СССР, в 1949—1952 годах восстановлен в Нижегородской области и эксплуатируется до сих пор. В Белоруссии, под Вилейкой, функционирует мегаваттный ОНЧ-передатчик для связи с подводными лодками ВМФ России — 43-й узел связи.

Недостатки радиосвязи указанных диапазонов:

  • Линия связи является односторонней. Подводная лодка на борту не может иметь свой передатчик из-за огромного требуемого размера антенны. Даже приёмные антенны КНЧ/СНЧ-связи отнюдь не малы: лодки используют выпускаемые буксируемые антенны длиной от сотен метров.
  • Скорость такого канала крайне мала — порядка нескольких знаков в минуту. Таким образом, разумно предположить, что передаваемые сообщения содержат общие инструкции или команды по использованию других видов связи.

Спутники [ править | править код ]

Если субмарина находится в надводном положении, то она может использовать обычный диапазон радиосвязи, как и прочие морские суда. Это не означает использование обычного коротковолнового диапазона: чаще всего это связь с военным спутником связи. В США подобная система связи называется «спутниковая подсистема обмена информацией с подводными лодками» (англ. Submarine Satellite Information Exchange Sub-System , SSIXS) [6] , часть морской системы спутниковой связи на ультравысоких частотах (англ. Navy Ultra High Frequency Satellite Communications System , UHF SATCOM).

Вспомогательные подводные лодки [ править | править код ]

В 1970-х годах в СССР был разработан проект модификации подводных лодок проекта 629 для использования их в качестве ретрансляторов сигнала и обеспечения связи кораблей из любой точки мира с командованием ВМФ. По проекту было модифицировано три субмарины.

Что за нелепый вопрос? «Как связаться с подводной лодкой»

Взять спутниковый телефон и позвонить. Коммерческие системы спутниковой связи, такие как INMARSAT или «Иридиум», позволяют, не выходя из московского офиса, дозвониться до Антарктиды. Единственный минус – высокая стоимость звонка, впрочем, у Минобороны и Роскосмоса, наверняка, действуют внутренние «корпоративные программы» с солидными скидками…

Действительно, в век Интернета, «Глонасс» и беспроводных систем передачи данных проблема связи с подводными лодками может показаться бессмысленной и не очень остроумной шуткой – какие здесь могут быть проблемы, спустя 120 лет после изобретения радио?

А проблема здесь одна – лодка, в отличие от самолетов и надводных кораблей, движется в глубинах океана и совершенно не реагирует на позывные обычных КВ, УКВ, ДВ-радиостанций – соленая морская вода, являясь превосходным электролитом, надежно глушит любые сигналы.

Ну… если потребуется – лодка может всплыть на перископную глубину, выдвинуть радиоантенну и провести сеанс связи с берегом. Проблема решена?
Увы, не все так просто – современные атомоходы способны месяцами находиться в подводном положении, лишь изредка поднимаясь к поверхности для проведения планового сеанса связи. Основная важность вопроса состоит в надежной передаче информации с берега на подводную лодку: неужели для трансляции важного приказа придется ждать сутки и более – до следующего по графику сеанса связи?

Иными словами, в момент начала ядерной войны подводные ракетоносцы рискуют оказаться бесполезными – в то время, когда на поверхности будут греметь бои, лодки продолжат спокойно выписывать «восьмерки» в глубинах Мирового океана, не подозревая о трагических событиях, происходящий «наверху». А как же наш ответный ядерный удар? Зачем нужны морские ядерные силы, если их невозможно вовремя применить?
Как вообще связаться с притаившейся на морском дне субмариной?

Первый способ довольно логичен и прост, в то же время он весьма сложен в реализации на практике, а дальность действия такой системы оставляет желать лучшего. Речь идет о звукоподводной связи – акустические волны, в отличие от электромагнитных, распространяются в морской среде гораздо лучше, чем по воздуху – скорость звука на глубине 100 метров составляет 1468 м/с!

Остается лишь установить на дне мощные гидрофоны или заряды взрывчатки – серия взрывов с определенным интервалом однозначно покажет подлодкам необходимость всплыть и принять важную шифрограмму по радиосвязи. Способ годится для операций в прибрежной зоне, но «перекричать» Тихий океан уже не получится, в противном случае потребная мощность взрывов превысит все разумные пределы, а образовавшаяся волна-цунами смоет все от Москвы до Нью-Йорка.

Читайте также:  Готика 2 ночь ворона от акеллы

Конечно, можно проложить по дну сотни и тысячи километров кабелей – к гидрофонам, установленным в районах наиболее вероятного нахождения стратегических ракетоносцев и многоцелевых атомных подлодок… Но существует ли иное, более надежное и эффективное решение?

Der Goliath. Страх высоты

Обойти законы природы невозможно, но в каждом из правил есть свои исключения. Морская гладь не прозрачна для длинных, средних, коротких и ультракоротких волн. В то же время, сверхдлинные волны, отражаясь от ионосферы, без труда распространяются за горизонтом на тысячи километров и способны проникать в глубины океанов.

Выход найден – система связи на сверхдлинных волнах. И нетривиальная проблема связи с подводными лодками решена!

Но почему все радиолюбители и эксперты в области радиотехники сидят с таким унылым выражением лиц?

Сверхдлинные волны – радиоволны с длиной волны свыше 10 километров. В данном случае, нас интересует диапазон очень низких частот (ОНЧ) в пределах от 3 до 30 кГц, т.н. «мириаметровые волны». Даже не пытайтесь искать этот диапазон на ваших радиоприемниках – для работы со сверхдлинными волнами нужны антенны потрясающих размеров, длиной во многие километры – ни одна из гражданских радиостанций не работает в диапазоне «мириаметровых волн».

Чудовищные габариты антенн – вот главная загвоздка на пути создания ОНЧ-радиостанций.

И все же, исследования в данной области проводились еще в первой половине XX века – их результатом стал невероятный Der Goliath («Голиаф»). Очередной представитель немецкого «вундерваффе» – первая в мире сверхдлинноволновая радиостанция, созданная в интересах Кригсмарине. Сигналы «Голиафа» уверенно принимались подлодками в районе мыса Доброй Надежды, при этом, излучаемые супер-передатчиком радиоволны могли проникать в воду на глубину до 30 метров.

Вид «Голиафа» потрясает воображение: передающая ОНЧ-антенна состоит из трех зонтичных частей, смонтированных вокруг трех центральных опор высотой 210 метров, углы антенны закреплены на пятнадцати решетчатых мачтах высотой 170 метров. Каждое антенное полотно, в свою очередь, состоит из шести правильных треугольников со стороной 400 м и представляет из себя систему стальных тросов в подвижной алюминиевой оболочке. Натяжение антенного полотна производится 7-тонными противовесами.

Максимальная мощность передатчика – 1,8 Мегаватт. Рабочий диапазон 15 – 60 кГц, длина волн 5000 – 20 000 м. Скорость передачи данных – до 300 бит/с.

Монтаж грандиозной радиостанции в пригороде г. Кальбе завершился весной 1943 года. Два года «Голиаф» служил в интересах Кригсмарине, координируя действия «волчьих стай» на просторах Атлантики, до тех пор, пока в апреле 1945 «объект» не был захвачен американскими войсками. Спустя некоторое время местность перешла под управление советской администрации – станцию немедленно разобрали и вывезли в СССР.

Шестьдесят лет немцы гадали, где же русские спрятали «Голиаф». Неужели эти варвары пустили шедевр немецкой конструкторской мысли на гвозди?
Тайна открылась в начале XXI века – немецкие газеты вышли с громкими заголовками: «Сенсация! «Голиаф» найден! Станция по-прежнему находится в рабочем состоянии!»

Высоченные мачты «Голиафа» взметнулись ввысь в Кстовском районе Нижегородской области, у поселка Дружный – именно отсюда ведет свое вещание трофейный супер-передатчик. Решение о восстановлении «Голиафа» было принято еще в далеком 1949 году, первый выход в эфир состоялся 27 декабря 1952 года. И вот, уже более 60 лет легендарный «Голиаф» стоит на страже нашего Отечества, обеспечивая связь с идущими под водой подлодками ВМФ, одновременно являясь передатчиком службы точного времени «Бета».

Впечатленные возможностями «Голиафа», советские специалисты не стали останавливаться на достигнутом и развили немецкие идеи. В 1964 году в 7 километрах от города Вилейка (Республика Беларусь) была построена новая, еще более грандиозная радиостанция, более известная, как 43-й узел связи ВМФ.

На сегодняшний день, ОНЧ-радиостанция под Вилейкой, наряду с космодромом Байконур, военно-морской базой в Севастополе, базами на Кавказе и в Средней Азии, входит в число действующих зарубежных военных объектов Российской Федерации. На узле связи «Вилейка» служат порядка 300 офицеров и мичманов ВМФ РФ, не считая вольнонаемных граждан Белоруссии. Юридически, объект не имеет статуса военной базы, а территория радиостанции передана России в безвозмездное пользование до 2020 года.

Главной достопримечательностью 43-го узла связи ВМФ РФ, безусловно, является ОНЧ-радиопередатчик «Антей» (RJH69), созданный по образу и подобию немецкого «Голиафа». Новая станция гораздо крупнее и совершеннее трофейной немецкой аппаратуры: высота центральных опор увеличилась до 305 м, высота боковых решетчатых мачт достигла 270 метров. Помимо передающих антенн, на территории площадью 650 га расположен ряд технических строений, в том числе высокозащищенный подземный бункер.

43-й узел связи ВМФ РФ обеспечивает связь с атомными лодками, несущими боевое дежурство в акваториях Атлантического, Индийского и северной части Тихого океана. Помимо своих основных функций, гигантский антенный комплекс может быть использован в интересах ВВС, РВСН, Космических войск РФ, также «Антей» применяется для ведения радиотехнической разведки и РЭБ и входит в число передатчиков службы точного времени «Бета».

Мощные радиопередатчики «Голиаф» и «Антей» обеспечивают надежную связь на сверхдлинных волнах в Северном полушарии и на большей площади Южного полушария Земли. Но как быть, если районы боевого патрулирования подлодок сместятся в южную Атлантику или в экваториальные широты Тихого океана?

Для особых случаев в составе авиации Военно-Морского Флота имеется специальная техника: самолеты-ретрансляторы Ту-142МР «Орел» (по классификации НАТО Bear-J) – составная часть резервной системы управления морскими ядерными силами.

Созданный в конце 1970-х годов на базе противолодочного самолета Ту-142 (который, в свою очередь, является модификацией стратегического бомбардировщика Т-95), «Орел» отличается от прародителя отсутствием поисковой аппаратуры – взамен на месте первого грузового отсека находится бобина с буксируемой 8600-метровой антенной ОНЧ-радиопередатчика «Фрегат». Помимо сверхдлинноволновой станции, на борту Ту-142МР имеется комплекс аппаратуры связи для работы в обычных диапазонах радиоволн (при этом самолет способен исполнять функции мощного КВ-ретранслятора даже без подъема в воздух).
Известно, что по состоянию на начало 2000-х годов несколько машин данного типа все еще числились в составе 3-ей эскадрильи 568-го гв. смешанного авиаполка авиации Тихоокеанского флота.

Читайте также:  Linux узнать количество оперативной памяти

Разумеется, использование самолетов-ретрансляторов есть не более чем вынужденная (резервная) полумера – в случае реального конфликта Ту-142МР может быть легко перехвачен вражеской авиацией, кроме того, кружащий в определенном квадрате самолет демаскирует подводный ракетоносец и явственно указывает противнику положение субмарины.

Морякам требовалось исключительно надежное средство для своевременного доведения приказов военно-политического руководства страны до командиров атомных подводных лодок, находящихся на боевом патрулировании в любом уголке Мирового океана. В отличие от сверхдлинных волн, проникающих в толщу воды всего на пару десятков метров, новая система связи должна обеспечить надежный прием экстренных сообщений на глубинах 100 и более метров.

Да…перед связистами возникла весьма и весьма нетривиальная техническая задача.

ЗЕВС

…В начале 1990-х годов ученые Стэнфордского университета (Калифорния) опубликовали ряд интригующих заявлений, касающихся исследований в области радиотехники и радиопередачи. Американцы стали свидетелями необычного явления – научная радиоаппаратура, размещенная на всех континентах Земли регулярно, в одно и то же время, фиксирует странные повторяющиеся сигналы на частоте 82 Гц (или, в более привычном для нас формате 0,000082 МГц). Указанная частота относится к диапазону крайне низких частот (КНЧ), в этом случае длина чудовищной волны составляет 3658,5 км (четверть диаметра Земли).

Скорость передачи за один сеанс – три знака каждые 5-15 минут. Сигналы поступают прямо из земной коры – у исследователей возникает мистическое ощущение, будто бы сама планета разговаривает с ними.
Мистика – удел средневековых мракобесов, а продвинутые янки сразу догадались, что имеют дело с невероятным КНЧ-передатчиком, размещенным где-то на другом конце Земли. Где? Ясно где – в России. Похоже, эти безумные русские «закоротили» целиком всю планету, используя её в качестве гигантской антенны для передачи зашифрованных сообщений.

Секретный объект «ЗЕВС» расположен в 18 километрах южнее военного аэродрома Североморск-3 (Кольский полуостров). На карте Google Maps хорошо видны две просеки (по диагонали), протянувшиеся через лесотундру на два десятка километров (ряд интернет-источников указывает длину линий в 30 и даже в 60 км), кроме того заметны технические здания, сооружения, подъездные пути и дополнительная 10-километровая просека к западу от двух основных линий.

Просеки с «фидерами» (рыбаки сразу догадаются, о чем идет речь), иногда ошибочно принимают за антенны. На самом деле это два гигантских «электрода» через которые прогоняют электрический разряд мощностью в 30 МВт. Антенной является сама планета Земля.

Выбор данного места для установки системы объясняется низкой удельной проводимостью здешнего грунта – при глубине контактных скважин 2-3 километра, электрические импульсы проникают глубоко в недра Земли, пронизывая планету насквозь. Импульсы гигантского КНЧ-генератора отчетливо фиксируются даже научными станциями в Антарктиде.

Представленная схема не лишена своих недостатков – громоздкие размеры и чрезвычайно низкий КПД. Несмотря на колоссальную мощность передатчика, мощность выходного сигнала составляет считанные Ватты. Кроме того, прием столь длинных волн также влечет за собой немалые технические сложности.

Прием сигналов «Зевса» осуществляется подлодками на ходу на глубине до 200 метров на буксируемую антенну длиной около одного километра. Ввиду чрезвычайно низкой скорости передачи данных (один байт за несколько минут), система «ЗЕВС» очевидно используется для передачи простейших закодированных сообщений, к примеру: «Подняться к поверхности (выпустить радиобуй) и прослушать сообщение по спутниковой связи».

Ради справедливости стоит отметить, что впервые подобная схема впервые была задумана в США в годы Холодной войны – в 1968 годы был предложен проект секретного объекта ВМС под кодовым именем Sanguine («Оптимистичный») – янки намеревались превратить 40% площади лесов штата Висконсин в гигантский передатчик, состоящий из 6000 миль проложенных под землей кабелей и 100 высокозащищенных бункеров для размещения вспомогательной аппаратуры и генераторов электроэнергии. По задумке создателей, система была способна выдержать ядерный взрыв и обеспечить уверенную трансляцию сигнала о ракетном нападении на все атомные подлодки ВМС США в любом районе Мирового океана.

В 1977-1984 годах проект был реализован в менее абсурдной форме в виде системы Seafarer («Мореплаватель»), чьи антенны располагались в местечке Клэм Лэйк (шт. Висконсин) и на базе ВВС США «Сойер» (шт. Мичиган). Рабочая частота американской КНЧ-установки – 76 Гц (длина волны 3947,4 км). Мощность передатчика Seafarer – 3 МВт. Система была снята с боевого дежурства в 2004 году.

В настоящее время перспективным направлением для решения проблемы связи с подводными лодками является применение лазеров сине-зеленого спектра (0,42-0,53 мкм), чье излучение с наименьшими потерями преодолевает водную среду и проникает на глубину до 300 метров. Помимо очевидный трудностей с точным позиционированием луча, «камнем преткновения» данной схемы является высокая потребная мощность излучателя. Первый вариант предусматривает использование спутников-ретрансляторов с крупноразмерными отражающими рефлеткторами. Вариант без ретранслятора предусматривает наличие на орбите мощного источника энергии – для питания лазера мощностью 10 Вт потребуется энергоустановка с мощностью выше на два порядка.

В заключении стоит отметить, что отечественный Военно-Морской Флот – один из двух флотов в мире, обладающий полным комплектом морских ядерных сил. Помимо достаточного количества носителей, ракет и боевых блоков, в нашей стране, проводились серьезные исследования в области создания систем связи с подводными лодками, без которых морские СЯС утратили бы свое зловещее значение.