...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь - Попов Георгий Леонтьевич. Страница 35
Вы еще не забыли, что мы с вами находимся на "экскурсии" на космической станции? Тогда давайте "заглянем" внутрь ее. Здесь расположена приемопередающая аппаратура. Электромагнитное колебание той частоты, которую излучала земная станция, от антенны по волноводному тракту передастся в приемник. Но что это? Приемник, оказывается, настроен совсем на другую частоту. Представьте, что будет, если у вашего домашнего радиоприемника установить ручку не на ту частоту, на которой вещает радиостанция, — вы просто ничего не услышите! В чем тут дело?
Случалось ли вам наблюдать, когда вы едете в поезде, как меняется звук свистка локомотива встречного поезда? Свисток слышится недолго, может быть 2–3 с, но и за это короткое время можно уловить, что сначала его звук высокий, а когда встречный локомотив, промелькнув мимо вашего вагона, удаляется от вас, звук становится низким. Изменению частоты колебания волн, когда наблюдатель и источник волн движутся либо навстречу друг другу, либо в разные стороны друг от друга, дали название эффект Доплера, по имени австрийского физика и астронома Христиана Доплера. Он первый открыл и объяснил это явление в 1842 г.
При перемещении спутника относительно земной станции также возникает эффект Доплера. Электромагнитные колебания, излучаемые земным передатчиком на частоте f0 воспринимаются на борту спутника как колебания с частотой f0 + Δf. Этот набег частоты Δf для спутника типа "Молния", работающего на частоте 4 ГГц, может составить через час после прохождения апогея 60 кГц. Вот потому-то приемник космической станции и настроен на другую частоту, отличающуюся на величину доплеровского сдвига.
Надо сказать, что эффект Доплера наблюдается только для тех спутников, которые имеют эллиптическую орбиту. Спутник "Молния-1", о котором вели речь, выведен как раз на такую орбиту. Траектория его движения вокруг Земли является эллипсом, верхняя точка (апогей) которого удалена от нашей планеты на расстояние около 40 тыс. км, а нижняя (перигей) — на расстояние около 500 км. Орбита спутника наклонена к плоскости экватора под углом 63,5°. Спутник, выведенный на такую орбиту, имеет период обращения 12 ч и, совершая за сутки два полных витка, появляется над одними и теми же районами Земли в одно и то же время. Скорость перемещения спутника максимальна в перигее и замедляется в апогее. С территории нашей страны он виден в течение 8 ч. Чтобы космический мост работал круглосуточно, нужно иметь три спутника, сменяющие друг друга.
Но можно сделать так, что спутник "повиснет" над Землей и будет оставаться все время неподвижным. Для этого нужно вывести его на орбиту, лежащую в плоскости экватора и удаленную от Земли на 35800 км (вспомните гениальное предвидение Артура Кларка!). Период обращения спутника на ней равен 24 ч. Вот почему спутник, вращающийся в том же направлении, что и Земля, будет казаться земному наблюдателю неподвижным. Такая орбита называется геостационарной, а спутник на ней — стационарным.
Теперь "спустимся" на Землю и завершим нашу "экскурсию" на земной станции. Земная станция — это прежде всего здание, где размещается приемопередающая аппаратура, и большая (диаметром 12–25 м) параболическая антенна, которая может одновременно передавать и принимать радиоволны (разных частот или длин, разумеется). Такая антенна очень чувствительна и может улавливать сигналы из космоса, ослабленные в сотни тысяч и даже миллионы раз. Устанавливается она на специальном опорно-поворотном устройстве. Любопытно, что масса антенны составляет 5,5 т, а вместе с опорно-поворотным устройством — 50 т. Потому здание земной станции делают обычно железобетонным.
На станции имеется устройство наведения антенны на спутник. Если он находится на геостационарной орбите, такое наведение делается только один раз. Если же спутник движется по эллиптической орбите, то необходимо еще и следить за его положением. Такое наведение и слежение осуществляются с помощью компьютеров.
Земные станции строят, как правило, за несколько десятков километров от города и соединяют их кабельной или радиорелейной линией с телецентрами, междугородными телефонными станциями, телеграфами, вычислительными центрами.
Необходимо иметь в виду, что "космический радиомост" вообще может быть только частью длинной магистрали, в которую на равных правах входят и кабели, и радиорелейные линии. Словом, биты, которые вы с нетерпением ожидаете, скажем, на экране своего дисплея, могут "мчаться" к вам, "ныряя" под землю, "выскакивая" на поверхность и "пересаживаясь" на радиолуч, "проносясь" в спутнике и вновь возвращаясь в подземную магистраль. И не забудьте, что все это делается в одно мгновенье! Что и говорить, лихие "наездники" эти биты.
Мирная профессия гиперболоида
То заря ли? Или это
от него исходит свет? М. де Унамуно
"Первый удар луча пришелся по заводской трубе, — она заколебалась, надломилась посредине и упала… Почти сейчас же влево от трубы поднялся столб пара над крышей длинного здания, порозовел, перемешался с черным дымом. Еще левее стоял пятиэтажный корпус. Внезапно все его окна погасли. Сверху вниз, по всему фасаду, побежал огненный зигзаг. Еще и еще… Здание осело, рухнуло, его костяк закутался облаками дыма…
Теперь был виден весь завод, раскинувшийся на много километров. Половина зданий его пылала, как картонные домики. Внизу, у самого города, грибом поднимался серо-желтый дым. Луч гиперболоида бешено плясал среди этого разрушения, нащупывая самое главное — склады взрывчатых полуфабрикатов. Зарево разливалось на полнеба. Тучи дыма, желтые, бурые, серебристо-белые снопы искр взвивались выше гор…"
Вспомнили? Так в романе А.Н. Толстого "Гиперболоид инженера Гарина" описана чудовищная разрушительная сила светового луча. Возомнивший себя сверхчеловеком и мечтающий поставить на колени весь мир авантюрист Петр Гарин изобрел прибор — гиперболоид, концентрирующий свет в виде чрезвычайно тонкого, нерасходящегося луча невероятной мощности.
Стало чуть ли не традицией начинать рассказ об оптических квантовых генераторах — лазерах — с эпизодов из этого фантастического романа. Не удалось избежать этого соблазна и нам.
Тому есть веское объяснение. Роман А.Н. Толстого — предупреждение человечеству. Писатель показал, какими бедами могут обернуться новые открытия, если попадут в руки агрессивных сил. И хотя в наши дни также существует угроза применения лазерного оружия (например, в космосе), вот уже почти три десятилетия лучи лазера несут мирную службу людям. С его помощью делают тончайшие хирургические операции, ведут сварку металлов, измеряют расстояния, создают интегральные микросхемы, управляют химическими процессами, исследуют строение атома.
Расскажем еще об одной уникальной способности лазера. История того, как его "научили" передавать цифровую информацию.
Световой поток… Над его тайнами размышляли многие поколения ученых. Еще в III в. до н. э. замечательный математик и механик древней Греции Архимед пытался сконцентрировать поток солнечного света в тонкий луч. До наших дней дошла легенда о том, как во время осады Сиракуз римлянами он сжег неприятельский флот при помощи зажигательных зеркал. Английский физик, механик, астроном и математик Исаак Ньютон (1643–1727) обнаружил, что белый свет не так прост, как кажется. Он сложен и с помощью призмы разлагается на простые цвета. Голландский механик, физик и математик Христиан Гюйгенс (1629–1695) высказал предположение о волновом характере света, а английский физик Джеймс К. Максвелл (1831–1879) доказал, что световая волна — это электромагнитное колебание. В 1900 г. немецкий физик Макс Планк (1858–1947) выдвинул теорию, по которой свет излучается порциями — квантами. Это противоречило всем сложившимся представлениям о волновой природе электромагнитного излучения.