Однажды на 14-м измерительном пункте, или ИП-14, пропал контакт с антенной. Хотя давайте сначала уточним, о чем речь. Измерительные пункты — маленькие военные городки. Их рабочее сердце вынесено на самый край или за несколько сотен метров от городка. Двухэтажное техническое здание, к которому стекаются все измерения полета боеголовок, а на его плоской крыше стоят огромные точные фотоаппараты.
Они непростым образом запечатлевают зарождение и пролет ярких огней, проводя оптические измерения траекторий боеголовок. Еще больший поток информации несут радиоволны. На одних пунктах есть радиолокация, на других — радиотехнические системы. Но основную часть эфирных данных занимает телеметрия.
Греческое название
Античные греки были, несомненно, великими изобретателями. Они изобрели такую огромную массу своих словесных корней, которые поныне живут на всех континентах и в разных языках, областях и направлениях. «Теле» на их языке означало «далеко», «на удалении», «через расстояние», «издали»; ну а «метрео» — «измерять». Измерения на удалении, измерения через расстояние стали называть телеметрией.
14-й измерительный пункт. Фото: Wikimapia.org
Но что, если мы, например, заляжем поодаль со снайперской винтовкой и поработаем с прицелом? Зная примерное расстояние до наблюдаемого рубежа, посмотрим в окуляр на прицельные риски в поле зрения привычного прицела снайперского оптического ПСО-1. Риски отсекают отрезки в одну тысячную удаления. Размер объекта, помещающегося ровно в одном отрезке между соседними рисками прицела, — одна тысячная расстояния до него. Если объект занимает два отрезка, его размер — две тысячных дистанции до предмета. Увидев, сколько отрезков занимает наблюдаемый объект, и зная примерную дистанцию, мы измерим его размер. Это телеметрия? Нет, это не телеметрия.
А если просто измерить в лунную ночь фазу земного спутника — полный он, в первой четверти, или в последней? Луна далеко, измеряем мы фазу ее через расстояние в 380 тысяч километров — вполне далеко вроде. Даже если в телескоп посмотреть? Нет, это тоже не телеметрия, так как для нее нужна еще одна особенность. Организованная передача данных с объекта, через это самое «далеко».
На борту должно работать устройство, передающее оттуда данные измерений на принимающую часть. Тогда это будет телеметрия.
Данные могут передаваться по каналу передачи любой природы. Если по кабелю с медными проводками внутри, получится кабельная телеметрия. Когда стоит на старте космическая ракета, к ней обязательно подведена кабель-мачта, в которой проложена масса всяких проводов, связывающих ракету со всем остальным наземным комплексом оборудования и командным центром. Множество проводов объединяются в пучки — кабели, — из-за чего она и называется кабель-мачта. Наверху кабель-мачта соединена с ракетой через разъемы. За несколько секунд до старта кабель-мачта отсоединяется и отклоняется в сторону, не мешая подъему ракеты.
По кабелям передаются данные большого количества измерений и регистраций, выполняемых внутри ракеты. Температура горючего и окислителя на разной высоте баков, давление внутри топливных баков, внутри не топливных баков (в ракете куча всяких баков и баллонов с самым разным содержимым), давления в трубопроводах и магистралях, напряжения в бортовой сети и устройствах, состояние разных клапанов, положения переключателей и тому подобная масса информации. Посредством кабельной телеметрии эти данные выводятся из ракеты и уходят далеко за пределы стартового стола, где с ними работают на безопасном удалении и в полноте технической оснащенности всякими устройствами для обработки этих данных.
Однажды с Капустина Яра запускали в космос крылатый советский аппарат «БОР» (беспилотный орбитальный ракетоплан), на которых отрабатывались задачи для создания «Бурана». И при подготовке старта с ракеты, наверху которой был установлен под обтекателем «БОР», перестала поступать информация. Во время поисков причины оказалось, что подвел кабель, проложенный в кабель-мачте. В итоге пришлось его заменить, для чего почти неделю зубилами вырубали отказавший кабель из залитых закрепляющим эпоксидным составом углублений в мачте, где были проложены кабели. После долгих и многих трудов кабель был заменен и подготовка к запуску продолжилась.
Экспериментальный аппарат БОР-4 на выставке «Авиация-90» на ВДНХ. Фото: cosmatica.org.
Данные могут передаваться и радиоволнами. Тогда это радиотелеметрия. В этом виде телеметрии данные от датчика, который что-то измеряет на борту, подаются в бортовой радиопередатчик и излучаются радиоволнами. Пройдя пространство, радиоволны улавливаются приемником на измерительном пункте. Передатчик на борту боеголовки вместе с приемником на измерительном пункте и пространством между ними составляют радиоканал — транспортное средство для информации. Покинув его, спрыгнув с радиоканала из приемника в кабель, данные поступают в регистрирующую аппаратуру на запись и дальнейшую обработку.
Бортовая кухня, или Телеметрический камбуз (факультативно)
Здесь настало время переходить к самому случаю, но позвольте оставить уточнение посреди истории. Телеметрия — насыщенная штука. Это механизм и процесс передачи больших массивов данных, вот почему потеря телеметрии так опустошает результаты пуска. Можно пропустить эту часть и перейти к следующей, а мы заглянем коротко в бортовую кухню. В самом общем виде она устроена примерно так.
Все начинается с датчика: он самый первый во всей дальнейшей цепочке. Датчик соприкасается с измеряемой величиной — давлением, температурой, освещенностью, ускорением, напряжением и другими измеряемыми параметрами. Он выдает из себя электрический сигнал, соответствующий измеряемой величине. Датчик — это глаз, принимающий свет и создающий из него нервный сигнал. Электрический сигнал датчика нельзя сразу запихать каким он есть в радиопередатчик для передачи. Сначала сигнал датчика надо подготовить, преобразовать в нужный для передачи вид.
С огромной быстротой сигнал режут на маленькие кусочки определенного размера, позволяющие не потерять информацию, которую он несет. Мелко нашинкованный сигнал объединяют с другими так же нашинкованными сигналами от других датчиков — очень многих.
Получившуюся окрошку, однако, не перемешивают, как обычную. Винегрет тут не годится. Наоборот, кусочки сигналов аккуратно и ровно раскладывают в строго определенном порядке красивой стройной мозаикой на большом прямоугольном подносе, называемом телеметрический кадр. При раскладывании этой мозаики нашинкованные сигналы датчиков щедро перемежают целой пригоршней всяких других технологических сигналов — не измерительной природы, не от датчиков. Например, маркерами разделения, маркерами времени, номером этого телеметрического кадра, меткой конца строки, меткой конца кадра и так далее.
Это уже собственные приправы кока — бортового повара, готовящего блюдо. Такими добавками технологических сигналов он щедро сдабривает измерительное крошево, не только для удобства приготовления и строгого сохранения блюда, но и для надежного разбора его потом, на земле.
Техническое здание измерительного пункта на камчатском принимающем полигоне. На крыше виден ряд зачехлённых фототеодолитов для траекторных измерений полёта боеголовок. Фото: Popmech.ru.
Наконец, поднос телеметрического кадра получился на загляденье ровным и правильным. Все разложено красивыми рядами, каждый кусочек каждого сигнала строго на своем месте, по всем заданным правилам. Данные располагаются в одинаковом повторяющемся порядке, рифмуясь строго по формату телеметрического кадра. Теперь телеметрический повар, выложивший этот поднос, отдает его на выпечку радиопередающему пекарю.
Дело пекаря — передача радиоволн. Прищурившись, он сует поднос с телеметрическим кадром в особую печь, полную высокочастотного электричества. Высокочастотные электрические колебания организованно возникают в специальной топке и устремляются к подносу телеметрического кадра. Тесно и тщательно соприкасаясь с этим кадром, с каждым его элементом, зернышко за зернышком, кусочек за кусочком, ряд за рядом, строчка за строчкой, высокочастотные электрические колебания точно отпечатывают на себе весь телеметрический кадр до последнего миллиметра. Одевшись в кодировку и модуляцию, они оправляются на антенну радиопередатчика.
Антенна превращает поступившие на нее электрические колебания с отпечатавшимся на них телеметрическим кадром в крылатые радиоволны. Точно сохраняя на себе отпечаток телеметрического кадра, радиоволны улетают через дымовую трубу излучателя наружу, вырываясь на свободу открытого пространства.
Вмиг промчались они через пустоту космоса и атмосферу и упали на необозримые просторы планеты. Везде и повсюду. Заодно и на ландшафты, в которых стоят ждущие их принимающие антенны. Там начинается наземная часть телеметрии.
Упавшие на местность радиоволны попадают на вход специальной антенны — очень чувствительной, чтобы принять радиосигнал с большого расстояния. Она ловит радиосигнал и пересылает его в виде волн по длинному надежному шлангу-волноводу в помещение, где находится приемник. Это аппаратная, наполненная приемно-регистрирующей аппаратурой. Здесь происходит похожая на бортовую, только обратная история. В приемнике датчик преобразует волны в электрические сигналы. С точно сохраненным на себе отпечатком телеметрического кадра, естественно. К электрическому сигналу привязывают карандаш, и им сигнал чертит свой рисунок, всю картину телеметрического кадра — точно, зернышко за зернышком, кусочек за кусочком. И вот он, пожалуйста, на столе в аппаратной лежит свежий, точно начерченный телеметрический кадр. Тот самый, который перенесли через пространство радиоволны и который был изготовлен коком там, на далеком борту.
Теперь нужно обратно разобрать этот телеметрический кадр и нашинкованные данные разных датчиков из кадра разложить отдельно — от каждого датчика в свою линию. Это несложно: помогают те самые собственные служебные приправы, которыми телеметрический кок на борту щедро сдобрил измерительное крошево. Теперь по ним легко разбираются, сортируются и отделяются кусочки одних сигналов от других. И в каждой отдельной выкладываемой линии складываются последовательные кусочки данных измерений этого датчика. Выложить их вдоль линии времени, один за другим, в порядке возникновения и поступления — и запись сложилась. Перед нами — последовательные значения той температуры или давления, которые измерял за это время выбранный датчик, там, далеко, за тысячи километров отсюда, на борту затерявшейся в пространстве, стремительно летящей боеголовки.
Остается добавить, что телеметрические кадры создаются и запихиваются в печь радиопередачи быстро, происходит это множество раз в секунду. Телеметрический кадр может содержать информацию от нескольких десятков и сотен датчиков. Поток результатов измерения какой-то одной величины, порождаемых одним датчиком, называют каналом. Каждый датчик, грубо говоря, — канал измерений. А всю кухню, в которую мы заглянули, включая те места, куда не заглянули, именуют радиотелеметрической системой. Многоканальность телеметрических систем различна. Для объектов попроще каналов может быть двадцать четыре, или пятьдесят, или сотня, или две. На кораблях «Аполлон» телеметрия содержала полторы тысячи каналов, на «Шаттле» телеметрическая система вмещала 12 тысяч каналов. А измеряют каждую величину иногда по несколько тысяч раз в секунду. И тысячи раз за секунду улетают в пространство новые телеметрические кадры.
Ромашка, или Гриб с сотами
На земле все выглядит необычно и технически красиво и называется сплошь драгоценными названиями. На пункте находилось антенно-фидерное устройство АФУ «Жемчуг», оно же в просторечии — «ромашка». Неподалеку от торца технического здания, смотревшего в сторону вздыбленной мощи Шивелуча, на квадратном основании стояла вертикальная бетонная морковка двухметровой высоты, с пустотой внутри и серой железной дверью. Она была основанием от другой системы — квадратного плоского «Изумруда». Наверху этого конического сталагмита возвышалось странное и живописное создание рук человеческих. Этот агрегат имел размеры несколько метров и напоминал ромашку с четкими шестиугольными лепестками, вырезанными из шляпки гриба-боровика. На лепестках уходили вперед шляпки тонкие сетчатые пчелиные соты.
Антенно-фидерные устройства «Жемчуг». Фото: Vk.com.
Симбиоз грибов, цветов и пчел внешне непонятен. Позади «шляпки гриба» находятся раскоряченные в пространстве «корни» — разнесенные на трубчатых кронштейнах многоугольники ветрокомпенсаторов. Эти шесть «лопухов» разного размера и формы компенсируют разворачивающее действие ветра на «шляпку гриба», создавая на ветру свой поворачивающий момент, уравновешивающий разворачивающий момент «шляпки». Выделяясь на фоне зелени леса светло-серой окраской, эта штуковина спереди покрыта радиопрозрачным лаком. Принимает она радиоволны метрового и дециметрового диапазона. Внутри каждой «соты» на лепестке гриба, включая центральную, полностью скрытую шляпкой, находятся расположенные крест-накрест два вибратора. Они воспринимают колебания электрического поля пришедшей от боеголовки радиоволны: один в вертикальной, другой — в горизонтальной плоскости, или в вертикальной и горизонтальной поляризации.
Вся чувствительность антенны собрана в узкую иглу и направлена точно вперед, сразу и резко падая при небольшом отклонении направления приема в сторону.
Другими словами, ее диаграмма чувствительности напоминает шпагу. И этой шпагой антенна может установить контакт с объектом в небе с очень большого расстояния. Словно шпага огромной длины в полторы тысячи километров. Но стоит объекту уйти немного вбок от острия или шпаге отклониться от объекта — и шпага промахивается, связь с объектом теряется. Поэтому в процессе приема сигнала «Жемчуг» должен быть наведен на свою целевую боеголовку (которая ему назначена для прицельного наведения) с максимальной точностью. Такое наведение осуществляется на протяжении всего полета боеголовки.
Когда боеголовка летит еще далеко в космосе, она практически не смещается по небу, просто сокращая расстояние до измерительного пункта. Наведенный на нее «Жемчуг» кажется неподвижным. Но с появлением постепенного смещения боеголовок в небе он тоже заметно меняет угол своего взгляда, потихоньку поворачивается. Когда же боеголовка визуально разгоняется в быстрое движение наискось по небу, серый гриб-ромашка с такой же неожиданной для его размеров быстротой разворачивается за ней, не выпуская боеголовку из точного прицеливания. Гриб наводится по специально рассчитанной баллистиками программе в то место, где должна быть боеголовка в эту секунду. Вибраторы под шляпкой гриба принимают сигнал — каждый в своей поляризации, — и передают его в волноводы.
Антенно-фидерное устройство «Жемчуг». Фото: vmulder.livejournal.com
Прием сигнала всегда ожидается с напряженным вниманием, как поклевка на утренней глади. После запуска ракеты на принимающем полигоне нет никакой информации о том, что с ней происходит над Землей. Как отработали первая и вторая разгонные ступени. Отделилась ли боевая ступень, как отработала она, развелись ли боеголовки. Иногда случается, что ракета со старта ушла, а на Камчатку ничего не пришло. Идут ли в район падения разведенные боеголовки, или валится неразведенный ком, или вообще ничего нет в небе.
Поэтому появление в небе сигнала боеголовки означает, что процесс разведения произошел, боеголовки летят и уже подошли в зону чувствительности антенны. Сигнал появляется не сразу. Он сначала возникает то в одной, то в другой поляризации — принимается «по одному или другому стволу», говоря на языке телеметристов. Пропадания сигнала превращаются в короткие прерывания, становятся реже, и вскоре уже идет устойчивый прием сигнала по обоим стволам. Весть о приеме сигнала доводится и до станций оптических средств, чтобы у фототеодолитов на крыше готовились к появлению свечения через две-три минуты.
Фототеодолиты фоторегистрирующей станции ФРС-2 – оптического средства траекторных измерений. Измерительный пункт, Камчатка. Фото: mozhayka.org.
От цементного постамента с вертикальной морковкой к торцу технического здания проходила проложенная в грунте ровная бетонная траншейка-потерна, закрытая сверху стальными покрышками — пайолами. В траншейке лежали толстые шланги, оплетенные снаружи плотной металлической проволочной оплеткой. Это были фидеры — каналы для волн, принимаемых «Жемчугом». Поэтому вся система называлась АФУ «Жемчуг» — антенно-фидерным устройством. По фидерам-волноводам волна пробегала внутрь здания и попадала в аппаратную с приемно-регистрирующей аппаратурой, где преобразовывалась в электрические сигналы. Фидеры должны надежно защищать свой волновой канал от проникновения в него любых радиоэлектрических помех. Стыки фидера к антенне плотные и выглядят как большие тяжелые разъемы размером с кулак, в которых для чистоты контакта используют покрытие из золота.
Драматический контакт, или История о находчивом солдате
«Однажды, в студеную зимнюю пору…» летела головка, как здесь повелось. Пока далеко, над сибирским простором, минут за двенадцать. И тут началось: с антенной контакт прекратился, исчез. А времени вовсе осталось в обрез.
Лишь несколько минут оставалось в распоряжении расчета станции до начала приема сигнала от подлетающей уже над западом Чукотки боеголовки. Решение требовалось найти и принять немедленно. Предположение: в позолоченные контакты попала (проникла, осела, сконденсировалась от неплотного завинчивания, да неизвестно как) вода. Которая замерзла, расширилась и отодвинула контактные поверхности. Либо просто легла тонкой пленкой изолирующего льда-диэлектрика. Экстренно удалить воду можно только одним способом: немедленно промыть контакты чистым спиртом, двойным ректификатом, то есть спиртом двойной перегонки. Чистый спирт крайне гигроскопичен и сразу впитывает воду. Поэтому его часто используют для осушивания. Терять нельзя ни секунды. Ведь каждая секунда приближала боеголовку на пять с половиной километров к рубежу начала приема ее телеметрического сигнала.
Быстрыми движениями вскрыли емкости со спиртом. Начальнику станции лезть на морозец и ковыряться в замерзших разъемах не хотелось, да и не было нужды. Для этого вполне подготовлены и натренированы бойцы, операторы станции. Бойцу-оператору вручили трехлитровую банку, выше середины щедро наполненную чистейшим спиртом, инструмент и чистые протирочные средства. Ему поручили бегом метнуться к основанию опорного постамента «Жемчуга», счистить снег, поднять пайолу, отвинтить разъем фидера и промыть его и стык с антенной спиртом из банки несколько раз. После чего собрать разъем в исходное состояние. Такая операция была предусмотрена руководством по эксплуатации и была штатным способом устранения проблемы.
И развернулась замечательная, насыщенная драматизмом сцена, вполне подходящая к классическим трагедиям Эсхила. Действующие лица занимают строго очерченные сценические положения. В холодном зимнем небе невидимая боеголовка, на расстоянии двух тысяч километров, стремительно приближающаяся со своим телеметрическим сигналом. В нагретой аппаратной вспотевшие начальник станции и командир боевой работы, с горечью предвкушающие разнос после неудовлетворительной оценки пункту по результатам боевой работы. Потеря телеметрии — неминуемая двойка.
А в коридоре здания, по пути к запасному выходу и антенне с ее контактами, судорожно мечется боец с большой банкой со спиртом. Тоже мгновенно вспотевший от напряженной работы мысли, не зная, что бы такое придумать и где же можно прямо сейчас добыть тару, чтобы отлить в нее из банки. Четвертое действующее лицо — время. Оно разлито по всей сцене и, несмотря на несильную и стабильную гравитацию Земли, почему-то потихоньку ускоряется. И это ускорение чувствуют все участники действа.
Итогом немой драматической сцены стала всеобщая победа. Боец успел отсоединить разъемы, промыть их несколько раз спиртом, соединить снова и закрыть пайолой. Пропавшая связь с антенной восстановилась. Ушла, отлетела уже накатившаяся горечь с лиц командиров. Протяжный выдох и жестокое желание закурить слились в единой волне внутреннего облегчения. Прием телеметрического сигнала с боеголовки начался в ожидаемое время. Он быстро заполнил собою оба ствола, прием стал устойчивым, без потерь информации, и пошел своим обычным путем. Солдат же возвращался в здание с абсолютно пустой банкой и успокоенным, внутренне удовлетворенным выражением на лице. Будто знал он некую хорошую тайну. Никаких следов пережитого отчаяния в нем уже не было. Напротив, словно искра победителя играла в его глазах.
