Радио и наука в тесном содружестве

Без глубокого изучения сложных физических явлений, которые составляют основу радио, было бы невозможно такое быстрое развитие всех отраслей радиотехники, какое мы наблюдаем в наши дни.

Только благодаря тесному взаимодействию науки и техники, органическому сочетанию теории с практикой был достигнут расцвет советского радио.

Большую роль в создании научной радиотехники сыграли видные советские ученые Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси. Их творчество в этой области неразделимо.

Они заложили основы новой отрасли науки - радиофизики и на протяжении сорока лет в тесном содружестве плодотворно работали над ее развитием.

Леонид Исаакович Мандельштам родился 4 мая 1879 года в городе Могилеве в семье врача. Уже в гимназии у него зародился глубокий интерес к физике, который не покидал его всю жизнь.

В университете будущий ученый увлекся радио - тогда еще только зарождавшейся областью науки. Свою диссертацию он посвятил одному из важных вопросов радиотехники -определению продолжительности периода колебаний, возникающих при разряде конденсатора.

Леонид Исаакович Мандельштам (1879-1944)

Рис. 1. Леонид Исаакович Мандельштам (1879-1944).

Работая над расширением и углублением своих знаний в области физико-математических наук, Мандельштам в то же время вел важные исследования в области радио.

В 1903 году в результате тщательного и глубокого теоретического анализа работы приемных устройств он установил так называемый принцип слабой связи.

Этим самым Мандельштам опроверг господствовавшее в то время среди иностранных радиоспециалистов мнение, что для улучшения работы радиоприемника со сложной схемой надо устанавливать сильную связь промежуточного колебательного контура с антенной.

Молодой русский ученый рассчитал теоретически и доказал на опыте, что эту связь нужно брать слабой - в этом случае легче устраняются помехи и прием идет гораздо лучше.

При исследовании быстрых электрических колебаний Мандельштам впервые применил электроннолучевую трубку для наблюдения хода электрического процесса во времени. Впоследствии этот способ вошел в радиоизмерительную практику и получил широкое применение в телевидении и радиолокации.

С годами круг научных интересов Мандельштама становился все шире. От изучения электромагнитных колебаний в области радио он перешел к оптике - науке о свете.

Свет тоже представляет собой электромагнитные колебания, частота которых гораздо выше частоты колебаний радиоволн; это обусловливает большое различие в свойствах, а следовательно, и в способах исследования света и радиоволн.

Л. И. Мандельштам подошел к изучению световых и радиоколебаний с точки зрения их общей природы. Проводя удачные сопоставления между радиотехническими и световыми явлениями, он использовал достижения одной области науки для того, чтобы обогатить ими другую область.

Первое исследование Мандельштама в области оптики было посвящено изучению явления рассеяния света при прохождении

через вещество. В этой работе молодой физик убедительно показал ошибочность теории английского физика Релея о молекулярном рассеянии света. Мандельштам написал также ряд работ по теории микроскопа, имеющих практическое значение.

Шкала электромагнитных колебаний

Рис. 2. Шкала электромагнитных колебаний.

В 1913 году он получил звание профессора и вскоре был приглашен в качестве консультанта на радиотелеграфный завод (ныне завод им. Казицкого) в Петроград.

Здесь он руководил научными исследованиями и разработкой радиоаппаратуры, которая была необходима для русской армии. Здесь же он создал оригинальные радиоизмерительные приборы, принцип действия которых широко используется и поныне.

Великая Октябрьская социалистическая революция открыла перед ученым неограниченные перспективы. В конце 1922 года, когда Советское правительство приступило к созданию базы отечественной радиопромышленности, Мандельштам возглавил научные и технические разработки Московской радиолаборатории только что организованного тогда Треста заводов слабого тока. В 1924 году Радиолаборатория треста была преобразована в Центральную радиолабораторию и переведена в Ленинград.

Переехал туда и Мандельштам, оставаясь ведущим научным консультантом этого крупнейшего научно-технического учреждения нашей страны.

В Центральной радиолаборатории вместе с Папалекси Мандельштам разработал новые способы радиотелефонной и радиотелеграфной модуляции, вопросы стабилизации частоты электромагнитных колебаний, создал высокоизбирательные радиоприемники и разрешил многие другие вопросы практической и теоретической радиотехники.

В 1925 году Мандельштам был избран профессором Московского государственного университета, где он стал читать лекции по теоретической физике, оставаясь в то же время до 1935 года научным консультантом Центральной радиолаборатории.

В Московском государственном университете Мандельштам проработал девятнадцать лет. Здесь образовался большой коллектив молодых талантливых ученых, которые под руководством Мандельштама занимались разрешением различных вопросов физики.

Говоря о педагогической и научной деятельности Мандельштама, нельзя пройти мимо ошибочных положений, которые он высказал в некоторых своих лекциях.

Так, в курсе лекций по теории относительности - теории быстрых движений - он подменял познания природных явлений условными определениями и понятиями, которые мы, якобы, можем изменять по своему усмотрению, руководствуясь соображениями удобства.

Это противоречит единственно правильному марксистскому материалистическому мировоззрению. Окружающий нас мир не зависит от нашего сознания, поэтому научные понятия и законы науки, выражающие закономерности этого мира, не могут устанавливаться произвольно, по нашему желанию.

В указанных лекциях Мандельштама отразилось ненаучное, реакционное мировоззрение буржуазного физика-идеалиста Эйнштейна, и за это его справедливо критикуют советские ученые.

Наряду с преподавательской деятельностью Мандельштам отдавал много сил научно-исследовательской работе. В Московском университете он продолжил свои ранние исследования рассеяния света и сделал в этой области важное открытие.

Рассеяние света - одно из интереснейших физических явлений, с которым мы встречаемся на каждом шагу. Посмотрите сбоку на световой луч, проникающий в комнату, - вы увидите путь луча.

Световой луч встречает на своем пути бесчисленное количество пылинок, которые рассеивают в различных направлениях падающий на них свет. Рассеянный свет попадает в наши глаза, и мы видим эти пылинки, отмечающие путь луча.

Свет рассеивается не только при встрече с пылинками, наблюдается также рассеяние света молекулами. Если световой луч пропустить через совершенно чистое вещество, то все же часть света пойдет не по первоначальному направлению, а рассеется во все стороны.

Чистое небо имеет сине-голубую окраску. Это результат рассеяния атмосферой солнечных лучей. Наиболее сильно рассеиваются лучи, которым соответствует более короткая световая волна. А это и есть как раз синяя и фиолетовая части солнечного спектра. Вот почему небосвод имеет сине-голубой цвет.

Рассеяние света атмосферой объясняется беспрерывным хаотическим движением молекул воздуха. В каждый момент времени происходит скопление молекул на одном участке и разрежение их на другом. Поэтому молекулы распределяются неравномерно, плотность воздуха в каждой точке все время меняется и притом очень быстро.

Именно эти изменения плотности вещества на пути солнечного луча и вызывают молекулярное рассеяние света. Подобное явление наблюдается не только в газах, но и в жидкостях и твердых телах, например в кристаллическом кварце.

Изучая молекулярное рассеяние света, Мандельштам взглянул на задачу оптики глазами радиофизика. Он усмотрел связь между модуляцией при радиопередаче и молекулярным рассеянием света.

Это перенесение радиотехнических понятий в оптику, характерное для творчества Мандельштама, и помогло ему сделать свое открытие.

Во время звуковой радиопередачи происходит модуляция: передаваемый звук меняет силу высокочастотного электромагнитного колебания. В результате к этому «несущему» колебанию «добавляется», как мы видели, два других, несколько отличающихся по частоте.

Таким образом, в излучении радиостанции в простейшем случае содержатся колебания трех высоких частот.

Подобное явление наблюдается и при рассеянии света. Периодические колебания плотности вещества на пути светового луча приводят к тому, что интенсивность рассеянного света меняется во бремени.

Рассеянный свет претерпевает модуляцию. Значит, в его составе, предположил Мандельштам, помимо первичного светового колебания, должны быть два новых колебания: одно более высокой, а другое более низкой частоты, причем, как и при модуляции в радиопередатчике, разница в частотах каждого из утих колебаний по сравнению с первичным должна быть одна и та же. Это предположение ученого подтвердилось на опыте.

Продолжая свои исследования, Л. И. Мандельштам вместе с Г. С. Ландсбергом обнаружил в 1928 году явление так называемого комбинационного рассеяния света.

Это открытие, которое академик А. Ф. Иоффе оценил как важнейшее оптическое открытие XX века, было сделано при изучении спектра света, рассеянного кристаллическим кварцем.

Пропуская монохроматический (одноцветный) пучок света через кристалл, Мандельштам при помощи спектрального аппарата обнаружил в рассеянном свете два новых луча, свидетельствовавших о том, что появилось два новых световых колебания. Они отличались по частоте от колебаний света источника значительно больше, чем при обычном рассеянии.

Следовательно, здесь тоже происходит модуляция светового луча, но вызывается она каким-то более быстрым процессом, чем колебания плотности вещества. Мандельштам нашел объяснение этому явлению. Он указал, что оно вызывается тепловыми колебаниями атомов

внутри самих молекул; другими словами, комбинационное рассеяние света есть модуляция световых колебаний молекулярными Каждая молекула, построенная из нескольких атомов, - это миниатюрная колебательная система.

Атомы все время находятся в движении, и молекула колеблется. Эти-то внутримолекулярные колебания и действуют на световой луч: происходит модуляция света.

Более медленные по сравнению со световыми колебания молекул оставляют свой «отпечаток» на быстрых световых колебаниях, подобно тому как сравнительно медленные электрические колебания, создаваемые микрофоном во время радиопередачи, оставляют «след» на быстропеременных электромагнитных колебаниях, посылаемых радиостанцией в пространство.

Свет, наблюдаемый сбоку, - это свет, рассеянный кристаллом

Рис. 3. Свет, наблюдаемый сбоку, - это свет, рассеянный кристаллом.

Таким образом, проходящий световой луч после встречи с молекулами вещества приобретает двух спутников: кроме основной (несущей) частоты, появляются две дополнительные. Одна из них меньше, а другая больше основной как раз на величину частоты колебаний самих молекул.

У каждого вещества свое строение молекул. Молекулы разных веществ имеют разные частоты колебаний - «поют на разные голоса». Изучая спектр рассеянного света, можно «прослушать голос» молекул данного вещества и узнать, с какой частотой они колеблются, какие силы связывают отдельные части (атомы) в одну систему - молекулу.

Мандельштам говорил: «... так же как спектр обычного телефонного передатчика несет в себе весь ваш разговор, все, что вы хотите сказать, так и спектр рассеянного света несет то, что молекула говорит о себе. Изучая его, вы изучаете свойство молекулы, вы изучаете ее строение».

В наше время, когда наука стремится проникнуть в недра вещества, открытие явления комбинационного рассеяния света представляет собой крупное завоевание советских ученых. Делая обзор достижений советской науки за тридцать лет, академик

С. И. Вавилов в 1947 году писал:

«Из работ, получивших исключительно большое значение, прежде всего необходимо назвать замечательное открытие академиками Л. И. Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом нового вида рассеяния света, так называемого комбинационного рассеяния. Это явление, одновременно в 1928 году найденное индусским физиком Раманом в Калькутте, положило начало новой, очень большой области знания, в которой объединились интересы физиков и химиков. Комбинационное рассеяние света открыло новую дорогу для детального изучения строения молекул».

Изучение спектров рассеянного света стало мощным орудием научного исследования. Современным химикам важно знать не только то, из каких атомов состоит молекула вещества, - иногда необходимо представить, как атомы комбинируются в пространстве, занимаемом молекулой.

Способ комбинационного рассеяния света, усовершенствованный советскими учеными, дает такую возможность, позволяя обнаружить самые тонкие детали в структуре молекул.

Пользуясь этим методом, можно изучать природу вязкости и строения жидкостей, определять состав той пли иной смеси, проводить очень детальный анализ продуктов переработки нефти и других сложных органических жидкостей.

Со времени открытия Мандельштама и Ландсберга в лабораториях проведены тысячи научных работ по исследованию комбинационного рассеяния света различными веществами. Эти исследования значительно расширили наши знания о строении вещества.

В 1928 году Мандельштам был избран членом-корреспондентом, а в 1929 году - действительным членом Академии наук СССР.

В течение многих лет Мандельштам направлял работу большой группы советских физиков в области нелинейных колебаний. Вместе с Папалекси он создал радиоинтерференционный метод исследования распространения радиоволн, на основе которого возник новый способ измерения больших расстояний.

В 1934 году, когда Академия наук СССР была переведена из Ленинграда в Москву, Мандельштам принял самое деятельное участие в организации Физического института Академии наук им. П. Н. Лебедева - одного из ведущих физических институтов нашей страны.

Одновременно с научной и педагогической деятельностью в Московском государственном университете Мандельштам развернул большую работу в двух наиболее крупных лабораториях Физического института - оптической и лаборатории колебаний.

Здесь под руководством Мандельштама и при непосредственном участии Ландсберга и Папалекси на протяжении нескольких лет проводились исследования в области оптики, молекулярной физики и теории колебаний.

Со студенческих лет и до конца своих дней Мандельштам занимался изучением колебательных процессов. Он подчеркивал, что научный язык теории колебаний является общим для многих областей науки и техники: механики, оптики, акустики, электротехники, радиотехники.

Многие, весьма разнообразные и на первый взгляд несхожие физические явления имеют между собой много общего, если их рассматривать с точки зрения теории колебаний.

Механические колебания, звук, свет, радиоволны - все это колебательные процессы, подчиняющиеся общим закономерностям. В 1937 году в предисловии к книге А. А. Андронова и С. Э. Хайкина «Теория колебаний» Мандельштам писал:

«Вряд ли есть в настоящее время необходимость специально обосновывать важное значение колебательных процессов в современной физике и технике.

Можно без преувеличения сказать, что нет почти области в этих науках, в которой колебания не играли бы той или иной роли, не говоря уже о том, что ряд областей физики и техники всецело базируется на колебательных явлениях».

Мандельштам создал «колебательный» метод изучения физических явлений, которым он умело пользовался при разрешении самых разнообразных проблем физики и радиотехники.

О глубоком проникновении Л. И. Мандельштама в законы колебаний и его способности применять свои знания в этой области на практике рассказывает академик А. Н. Крылов - выдающийся ученый, создатель науки о корабле.

Однажды академик Крылов беседовал с Мандельштамом о качке корабля. Мандельштам сопоставил корабельную качку с электромагнитными колебаниями, и его взору представилось большое сходство между этими, казалось бы, совершенно разными явлениями. Мандельштам увидел, что и то и другое объединяются общими для них законами колебательного движения.

И вскоре радиофизик Мандельштам докладывал на собрании Академии наук о корабельной качке, об ее успокоении, о влиянии на качку скорости хода и курса корабля относительно волны.

До последних дней не прекращалась научная и педагогическая деятельность Мандельштама. 27 ноября 1944 года он скончался.

В знак признания научных заслуг Мандельштама Советское правительство 5 февраля 1945 года учредило премии его имени, присуждаемые советским ученым за лучшие работы в области физики и радио.

Деятельность Мандельштама как радиофизика и радиоинженера была неразрывно связана с деятельностью Папалекси. Мандельштам высоко ценил своего друга и особенно подчеркивал его заслуги в практической разработке и реализации их научно -технических идей. В 1938 году он писал:

«Наше сотрудничество в области электромагнитных колебаний продолжается свыше 30 лет. За это долгое время в нашей совместной работе в этой области установился столь тесный контакт как в отношении инициативы, так и разработки проблем (теоретической и экспериментальной), что в большинстве случаев трудно указать, что сделано одним или другим. Что же касается технического оформления полученных в этих работах результатов, то Николаю Дмитриевичу принадлежит главная роль».

Н. Д. Папалекси родился 2 декабря 1880 года в городе Симферополе в семье офицера. Еще гимназистом он увлекся естествознанием и вступил в полтавский кружок любителей физико-математических наук. Окончив гимназию, Папалекси поступил в университет, где познакомился и на всю жизнь подружился с Мандельштамом.

Первая же научная работа Папалекси после окончания университета была посвящена исследованию электродинамометра - прибора, предназначенного для измерения токов высокой частоты. Впоследствии Папалекси вместе с Мандельштамом разработал целый ряд радиоизмерительных приборов.

Николай Дмитриевич Папалекси (1880-1947)

Рис. 4. Николай Дмитриевич Папалекси (1880-1947).

С самого начала своей научной деятельности Папалекси отдался изучению радиотехники. Вместе с Мандельштамом он трудился над созданием способа направленного радиоизлучения и разрабатывал чрезвычайно необходимые в научной работе и в радиотехнической  практике приборы для измерения длины волны радиоколебаний и параметров колебательных контуров, изучал вопросы радиопеленгации с помощью рамочной антенны, создал теорию выпрямителя переменного тока.

Исследование, посвященное выпрямителям, было диссертацией, которую Папалекси представил в 1911 году. Это одна из его крупных научных работ. Впоследствии она легла в основу техники выпрямления переменного тока, применяемого для питания самых разнообразных радиотехнических устройств. В этой работе Папалекси впервые успешно разрешил ряд вопросов теории нелинейных колебаний.

Зависимость силы тока от величины приложенного напряжения в электрической цепи с выпрямителем довольно сложна и графически выражается кривой линией - нелинейной характеристикой. Исследовать свойства выпрямителя, пользуясь такой характеристикой, очень трудно.

Папалекси заменил реальную криволинейную характеристику цепочкой прямых отрезков - ломаной линией, которая почти совпадала с кривой. Этим самым он значительно облегчил решение задачи.

В дальнейшем такой метод «спрямления» характеристик радиоламп получил широчайшее применение в работах советских радиофизиков и радиоинженеров, особенно при расчетах всех радиоламповых устройств - выпрямителей, радиопередатчиков и приемников.

В 1914 году Папалекси приехал в Петроград и на одном из заводов Русского общества беспроволочных телеграфов и телефонов (РОБТиТ) возглавил научную работу в области радио.

Начавшаяся война предъявляла все более высокие требования к средствам радиосвязи. Радио должно было обеспечить связь России с другими государствами через голову противника и связь внутри армии. Перед молодым ученым была поставлена трудная задача - разработать новую, более совершенную аппаратуру для радиоприема.

Папалекси отчетливо понимал, что для этого необходимы радиолампы, которых не было в отсталой в техническом отношении: царской России, и он приступил к конструированию и налаживанию производства радиоламп.

В результате напряженного труда ученого в конце 1914 года были выпущены первые русские «газовые» радиолампы - «лампы Папалекси», как их тогда называли.

Они были еще далеко не совершенны, но они знаменовали собой большой шаг вперед в развитии русской радиотехники. На этих лампах были построены усилители низкой частоты, гетеродины и ламповые приемники для армии и авиации.

При разработке радиоламп Папалекси внес много ценных технических идей, которые способствовали усовершенствованию сложной технологии электровакуумного производства.

Он предложил, например, при откачке газов из баллона радиолампы прокаливать электроды с помощью быстропеременного электромагнитного поля. Для этого лампа помещалась внутри катушки, по которой проходил переменный ток. Электромагнитное поле, создаваемое катушкой, пронизывало внутренность баллона и наводило в металлических электродах электрические токи.

В результате электроды лампы сильно разогревались и выделяли поглощенные газы, которые удалял насос. Этот способ обезгаживания электродов радиоламп прочно вошел в практику и применяется до сих пор. Кроме того, он широко используется в металлургии чистых сплавов для плавки металлов в безвоздушном пространстве.

После создания радиоаппаратов с лампами Папалекси войсковая радиосвязь резко улучшилась. П. А. Остряков рассказывал, как помогла лампа Папалекси в первую мировую войну наладить оборвавшуюся было связь между Ригой, где находилась 12-я русская армия, и Псковом, где был расположен штаб Северного фронта.

Между Ригой и Псковом в городе Валке была установлена переприемная станция. Она принимала радиограммы штаба армии из Риги и затем передавала их в Псков штабу фронта.

В самый разгар подготовки к наступлению переприемная станция в Валке почему-то перестала работать, и радиограммы из Риги не стали доходить до Пскова. В это время на псковскую радиостанцию привезли новый радиоаппарат, в котором использовалась лампа Папалекси.

Усилительная лампа Папалекси

Рис. 5. Усилительная лампа Папалекси.

Аппарат включили в работу. В лампе появилось слабое голубое свечение, и вдруг в телефоне приемника громко раздались сигналы Риги, которая безрезультатно вызывала Валк.

Кроме рижской, стали слышны и другие радиостанции - русские и неприятельские. Переприемная радиостанция в Валке оказалась теперь ненужной.

«Получилось впечатление, точно рассеялся туман и стало видно во все концы, - рассказывал П. А.

Остряков. - Прозревший слепец, вероятно, почувствовал бы себя так, как те, кто тогда у двуколки искровой радиостанции как зачарованные смотрели на эту, сиявшую голубым светом лампу Папалекои».

Так как применение ламп намного повышало чувствительность радиоприемников, то Папалекси ввел эти лампы и в разработанные им пеленгаторные установки, которые благодаря этому могли действовать на большом расстоянии от фронта.

Много сил и творческой энергии Папалекси отдавал в это время усовершенствованию радиосвязи и расширению области ее применения. В 1915 году при его непосредственном участии была установлена радиотелефонная связь между Петроградом и бывшим Царским Селом (ныне город Пушкин). Изготовив приемники для авиации, Папалекси сам поднялся в воздух для их испытания.

Созданную им аппаратуру для подводного телеграфирования он проверял на борту подводной лодки. Папалекси руководил разработкой телемеханической аппаратуры и организовал опыты по управлению самолетами и подводными лодками на расстоянии.

Одновременно с этим он занимался и теорией радиотехники. Из-под его пера в тот период вышла большая научная работа, посвященная теории генерации колебаний при помощи радиоламп.

Осенью 1918 года Папалекси переехал в Одессу. Здесь вместе с Мандельштамом он принял самое горячее участие в организации Политехнического института.

С помощью молодежи Папалекси удалось организовать в Политехническом институте вакуумную лабораторию. Имея лишь самое примитивное оборудование, группа энтузиастов, руководимая Папалекси, начала изготовление приемных радиоламп.

Вскоре лабораторный опыт учеников Папалекси был перенесен на Одесский государственный радиозавод. Там тоже была организована электровакуумная мастерская, и завод стал выпускать по нескольку сотен усилительных ламп в месяц.

Читая лекции в Политехническом институте, Папалекси в то же время состоял научным консультантом Одесского радиозавода. Завод был небольшим, но перед ним были поставлены ответственные задачи: наладить регулярную связь юга страны с Москвой, снабдить радиоаппаратурой возрождавшийся Черноморский торговый флот, обеспечить районные центры радиоприемниками для приема информационных передач из Москвы.

Выполняя эти задачи, Одесский радиозавод построил искровой радиопередатчик и несколько приемно-передающих радиостанций, собрал ряд детекторных приемников. Радиолампы, выпущенные заводом, поступали в распоряжение военного ведомства и рассылались по всей стране.

В 1922 году Папалекси вместе с Мандельштамом переехал в Москву, а затем, в 1924 году - в Ленинград. Как и Мандельштам, он занял должность научного консультанта Центральной радиолаборатории Треста заводов слабого тока.

Помимо научной и инженерной деятельности, охватывавшей все основные разделы радиофизики и радиотехники, Папалекси вел в это время большую педагогическую работу.

Он читал лекции в Ленинградском электрофизическом и Ленинградском политехническом институтах. Кроме того, он вел научные семинары по нелинейным колебаниям и параметрическому резонансу - самым животрепещущим проблемам радиотехники того периода.

В 1925 году Центральная радиолаборатория под руководством Мандельштама и Папалекси разработала схему приемника с кварцевым фильтром, которая впоследствии стала основой всех приемников этого типа.

Кварцевый фильтр - надежное «оружие» в борьбе с электрическими помехами радиоприему. Об этом говорит следующий случай.

В 1926 году Радиолаборатория организовала контрольный прием работы радиостанции, построенной в Тегеране советскими радиоспециалистами по заказу иранского правительства. Лаборатория, где был установлен приемник с кварцевым фильтром, находилась рядом с мощной радиовещательной станцией.

Электромагнитное поле, создаваемое этой станцией, было настолько сильным, что входная катушка приемника, настроенного на Тегеран, была горячей: ее разогревали токи, наводимые радиососедом И все же благодаря кварцевому фильтру работа местного радиопередатчика не могла помешать приему Тегеранской станции, удаленной от лаборатории на 3500 километров. Приемник улавливал и различал слабые сигналы далекой радиостанции на фоне сильных помех, и прием шел нормально.

В научной работе Папалекси волновали проблемы радиофизики «завтрашнего дня». Он умел ставить и разрешать вопросы, которые освещали путь советской радиотехнике.

Папалекси никогда не отрывался от практики. Большой ученый-радиофизик, он в то же время был выдающимся инженером. Ему было свойственно стремление к практическому воплощению своих оригинальных идей и замыслов.

Он не останавливался на полдороге в разрешении какого-либо практического вопроса, пусть самого сложного и запутанного, а доводил дело до конца.

Профессор С. М Рытов, хорошо знавший Папалекси, пишет:

«Он органически не мог оставлять работу незаконченной; он чувствовал себя обязанным довести ее до завершения. Ощущение же завершенности возникало у Николая Дмитриевича лишь тогда, когда плодом теории и эксперимента являлось не только выяснение вопроса, но и практическое применение, соответствующий метод или прибор, непосредственный выход в технику.

Эту черту научного склада Николая Дмитриевича легко проследить на протяжении всей его жизни, и, безусловно, благодаря именно этой черте научное сотрудничество Николая Дмитриевича с Л. И. Мандельштамом привело впоследствии к таким выдающимся практическим результатам в области радио».

В 1931 году Папалекси был избран членом-корреспондентом, а в 1939 году действительным членом Академии наук СССР. Начиная с 1935 года он возглавлял отдел колебаний Физического института Академии наук имени П. Н. Лебедева.

Большое научное и практическое значение имеют исследования Мандельштама, Папалекси и их учеников в области нелинейных колебаний. Так называемые нелинейные системы имеют широкое применение в радиотехнике, а нелинейные процессы являются основными процессами в работе современных радиотехнических приборов.

Согласно закону Ома величина тока, протекающего в электрической цепи, прямо пропорциональна электрическому напряжению, действующему в этой цепи, и обратно пропорциональна ее сопротивлению. Это значит, что если увеличилось напряжение, во столько же раз увеличится и ток.

На законе Ома основана электротехника, но большинство приборов, применяемых в технике радио, не подчиняется этому закону. Такие приборы, или электрические системы, называют нелинейными.

С увеличением напряжения, например, в два раза, ток в нелинейной системе может увеличиться в три, четыре, пять раз - в зависимости от того, в каком состоянии эта система находится, в каком режиме она работает.

Нелинейность не является недостатком, которого следует избегать. Наоборот, на ней базируется радиотехника. Только благодаря нелинейности такого прибора, как радиолампа, удается осуществлять главнейшие радиотехнические процессы при радиопередаче и радиоприеме - генерацию незатухающих колебаний, их модуляцию и детектирование.

Теория нелинейных систем отличается большой сложностью. Долгое время нелинейные процессы не удавалось достаточно глубоко изучить даже с помощью математики.

Советская школа радиофизиков, возглавляемая Мандельштамом и Папалекси, решила этот трудный вопрос. Талантливый физик А. А. Андронов нашел такой способ математического исследования, который позволяет глубоко проникнуть в область нелинейных колебаний и вскрыть их законы.

В 1933 году Папалекси принимал участие в Первой международной конференции по нелинейным колебаниям, состоявшейся в Париже. Советского физика попросили сделать доклад о достижениях наших ученых в развитии нелинейной теории.

В этом докладе Папалекси наглядно показал, что советская школа радиофизиков уже давно заняла ведущее место в разработке теории нелинейных колебаний и далеко обогнала в этой области ученых капиталистических стран.

Теория нелинейных колебаний обогатила многие отрасли техники новыми идеями и подняла на более высокую ступень практическую радиотехнику.

Советским ученым принадлежит более двухсот научных работ по теории нелинейных колебаний. Эта теория облегчает решение задач аэродинамики и гидродинамики, акустики и электротехники, автоматического регулирования машин и авиации.

Благодаря новому методу исследования нелинейных систем, разработанному советскими радиофизиками, нашим ученым удалось предсказать, а затем и открыть целый ряд новых физических явлений, на основе которых впоследствии были сделаны крупные изобретения и усовершенствования в радиотехнике и электротехнике.

Основываясь на теории нелинейных колебаний, Мандельштам и Папалекси указали новые способы генерации и приема электромагнитных колебаний, разработали новые способы борьбы с помехами радиоприему и создали совершенно необычный генератор электрических колебаний - параметрическую машину. На основе этой же теории советские ученые открыли новые виды резонанса - одного из основных физических явлений, применяемых в радиотехнике.

Обычно резонанс наступает тогда, когда частота толчков, действующих на колебательную систему, совпадает с частотой ее собственных колебаний. Именно при таком совпадении частот сила колебаний в системе резко возрастает. Так можно раскачать маятник, высокую мачту, колебательный контур.

Когда мы настраиваем приемник, мы «подгоняем» частоту приемного контура под частоту колебаний радиостанции, и только эта станция создает сильные колебания в приемном контуре.

Приемник таким образом выделяет частоту сигналов принимаемой станции из всех частот, действующих на антенну, и дает возможность слушать только одну определенную передачу. Этот вид резонанса используется и в радиопередатчиках при усилении высокочастотных колебаний.

В нелинейной системе сильные колебания возбуждаются, т. е. наступает резонанс, и тогда, когда частота внешнего воздействия близка к частоте, превышающей собственную частоту системы в два, три и большее число раз. Это явление получило название резонанса второго, третьего и т. д. рода, в отличие от обычного резонанса.

На использовании характерных особенностей резонанса второго рода основано устройство автопараметрического фильтра, предложенного Мандельштамом и Папалекси. Этот фильтр оказался прекрасным средством в борьбе с электрическими помехами приему длинноволновых радиотелеграфных станций.

В основу работы такого фильтра положен очень интересный принцип. Как известно, атмосферные помехи - грозовые разряды - хотя и отличаются большой силой, представляют собой весьма кратковременные электромагнитные возмущения в пространстве. Телеграфный же сигнал гораздо более продолжителен.

Вот это-то отличие радиосигналов от помех, заключающееся в продолжительности действия, и решили использовать Мандельштам и Папалекси, чтобы ослабить помехи радиоприему.

В разработанном ими автопараметрическом фильтре нарастание электрических колебаний под действием внешней силы происходит сравнительно медленно - это одно из свойств резонанса второго рода.

Такой фильтр подобен тяжелому колоколу, который нельзя раскачать резким ударом, хотя бы и сильным, но не трудно раскачать постепенно серией легких толчков.

Автопараметрический фильтр - это заградитель, защищающий аппаратуру от действия помех. Он не отзывается на одиночную кратковременную, хотя и сильную, помеху и не пропускает ее в приемник, зато телеграфный сигнал, представляющий собой сравнительно продолжительную серию электромагнитных колебаний, легко «раскачивает» фильтр и поэтому свободно проходит в радиоприемник.

В приемнике с автопараметрическим фильтром осуществлен принципиально новый метод радиоприема. Если при использовании обычного резонанса приемник настраивается на частоту принимаемой радиостанции, то автопараметрический фильтр нужно настраивать на частоту вдвое меньшую, чем частота этой станции.

«Действие фильтра такого рода столь радикально, - рассказывает профессор Е. Я. Щеголев, - что при его введении в эксплуатацию пришлось встретиться с крайне своеобразным «недостатком» его. Освобождение от помех оказалось настолько полным, что радиотелеграфисты, привыкшие всегда слышать в телефонах во время пауз характерные шорохи и шумы, высказывали недовольство тем обстоятельством, что отсутствие помех лишает их уверенности в исправности аппаратуры».

Очень важно и другое изобретение Мандельштама и Папалекси, сделанное на основе изучения нелинейных систем, - параметрическая машина. Это принципиально новый тип генератора переменного тока.

Схема параметрической машины Мандельштама и Папалекси

Рис. 6. Схема параметрической машины Мандельштама и Папалекси.

Это в сущности колебательный контур, емкость которого быстро меняется. Конденсатор имеет две системы металлических пластин с вырезами: подвижную и неподвижную. При помощи электродвигателя подвижная система пластин быстро вращается, тем самым изменяется емкость конденсатора и в контуре возникают колебания.

Оказывается, если периодически, в определенном ритме менять индуктивность или емкость колебательного контура, то в нем возникнут электрические колебания. В контуре потечет переменный электрический ток, хотя никаких посторонних источников электрической энергии в его цепи не будет включено.

Можно привести пример из области механических колебаний, поясняющий это интересное электрическое явление. Если вы встанете на качели и будете ритмично приседать и выпрямляться, как это обычно делается, то вы сможете сами, без посторонней помощи, раскачать качели и притом довольно сильно.

Качели -это маятник. Приседая и выпрямляясь, вы ритмически меняете положение центра тяжести этого маятника, т. е. меняете один из его параметров - длину, а следовательно, и собственную частоту колебаний. Колебания качелей получаются за счет той работы, которая производится во время периодических приседаний.

Подобные явления происходят и в параметрической машине. С изменением индуктивности или емкости колебательного контура изменяется собственная частота контура.

Если эти изменения происходят ритмически, контур, подобно качелям, тоже «раскачивается» - в нем возникают электрические колебания. Они создаются за счет работы внешней силы, периодически изменяющей емкость или индуктивность контура. Частота этих колебаний в два раза меньше частоты, с которой меняется в контуре индуктивность или емкость.

Параметрический генератор имеет не только научный интерес. Подобные генераторы в некоторых случаях показывают значительно лучшие результаты в работе, чем электрические генераторы обычного типа. Им предстоит большая будущность.

Переменный конденсатор одной из параметрических машин Мандельштама и Папалекси

Рис. 7. Переменный конденсатор одной из параметрических машин Мандельштама и Папалекси. Слева - электродвигатель, вращающий подвижную систему пластин.

Первая модель параметрического генератора была построена в 1931 году; электрические колебания в ней возбуждались путем изменения индуктивности.

Через год подобные колебания были получены путем периодического изменения емкости. Начиная с 1938 года под руководством Папалекси был создан ряд образцов параметрических генераторов мощностью от 300 до 3000 ватт.

Работу над исследованием и усовершенствованием параметрических машин Папалекси продолжал до конца жизни. В этой работе он органически сочетал глубокий научный подход с экспериментальным мастерством.

Его деятельность принесла ценные плоды: принцип параметрической генерации дал начало новой интересной и богатой возможностями отрасли электротехники.

Параметрические машины простотой своего устройства превосходят даже наиболее простые из электрических машин -асинхронные двигатели. Параметрический генератор позволяет очень легко получать переменный ток повышенной частоты. Он

может генерировать целый ряд различных по величине электрических напряжений и не боится, как другие электрические машины, короткого замыкания. Машина этого типа найдет применение для питания радиостанций и рентгеновских установок, для закалки металлических изделий, электросварки и других целей.

Работу Папалекси по параметрическим машинам продолжил член-корреспондент Академии наук СССР В. П. Вологдин. Под его руководством была недавно построена для высокочастотной закалки параметрическая машина мощностью 100 киловатт.

Как известно, электрические машины обратимы: генератор способен работать как электродвигатель и наоборот. Параметрический генератор тоже может работать в качестве электродвигателя, и, как убедительно показал Папалекси, скорость его вращения можно легко и плавно менять путем изменения емкости, подобно тому как мы меняем настройку радиоприемника.

Исключительно важные результаты были получены Мандельштамом, Папалекси и их учениками в изучении законов распространения радиоволн.

Из теории распространения радиоволн, предложенной иностранными учеными (Ценнек), вытекало, что скорость распространения радиоволн существенно зависит от свойств поверхности земли.

Долгое время этот вывод из теории Ценнека считался правильным, пока его не опровергли советские ученые, работавшие под руководством Мандельштама и Папалекси.

Многолетними глубокими исследованиями они доказали, что скорость распространения радиоволн над земной поверхностью практически не зависит от свойств почвы и с большой точностью равна скорости распространения в свободном пространстве (воздухе).

В своих исследованиях Мандельштам и Папалекси применили широко используемый в оптике интерференционный метод и разработали при участии Е. Я. Щеголева специальную радиоизмерительную аппаратуру.

Пользуясь такой аппаратурой, они приступили к измерению скорости распространения радиоволн. Для этого выбирались два пункта, расстояние между которыми было заранее известно.

При помощи радиоизмерительной аппаратуры можно было подсчитать число радиоволн, укладывавшихся между данными пунктами. Это позволяло найти длину радиоволны.

А длина волны есть путь, пробегаемый колебанием в течение одного периода. Время периода определяется частотой колебаний передатчика, которая может быть очень точно измерена: значит, с большой точностью можно определить и скорость распространения радиоволн, разделив путь (длину волны) на время (период).

Исследования распространения радиоволн и разработка измерительной аппаратуры потребовали большого и напряженного труда большой группы советских радиоспециалистов.

В лаборатории колебаний Физического института имени П. Н. Лебедева под руководством Папалекси проводилось изучение физических явлений, относящихся к интерференции радиоволн, испытывалисьновые радиотехнические схемы, создавалась новая аппаратура, необходимая для наблюдения радиоинтерференции и измерения расстояний.

Но лабораторией дело не ограничивалось - нужно было ставить опыты в практических, природных условиях. И вот, начиная с 1934 года по 1941 год Папалекси ежегодно организовывал научные экспедиции, которые возглавлял сам.

Измерения скорости распространения радиоволн и испытание радиоизмерительной аппаратуры проводились в самых различных условиях в разных районах страны: на Белом море и в степях Северного Крыма, в районе Новороссийска и под Москвой, на озере Ильмень и в Заволжье.

Во время этих экспедиций были собраны материалы, имеющие значительную научную ценность и большое практическое значение. Скорость распространения радиоволн была измерена с высокой точностью: над морем - до трех десятитысячных, над равниной - до шести десятитысячных.

Оказалось, что в практических условиях работы радиостанций радиоволны распространяются почти с такой же скоростью, какую они имеют в свободном пространстве.

Эта скорость очень близка к скорости света в воздухе и составляет согласно измерениям, проведенным в 1939-1941 годах, 299 500 +/- 80 километров в секунду.

Как продолжителен был путь творческих исканий, какой большой труд был затрачен для того, чтобы рука ученого могла без сомнений написать это несложное число!

Но зато какие широкие перспективы открыло оно для измерения больших расстояний! Мандельштам и Папалекси разработали для этой цели оригинальный метод и создали вместе с другими советскими специалистами новый тип аппаратуры - радиодальномер.

В радиодальномерах вместо обычной мерной ленты для измерения расстояний используется, как мы знаем, радиоволна. Она бежит от точки к точке, и нужно только подсчитать, сколько радиоволн укладывается на пути между двумя пунктами.

Зная скорость распространения радиоволн и период колебаний, мы легко находим длину волны. Так как скорость радиоволн практически постоянна, длина волны тоже постоянна. А ведь это масштаб для измерения. Точно измеренный масштаб дает возможность и точно измерить расстояние.

Наша страна явилась родиной нового применения радио, опередив другие страны на 15 лет. Радиоспециалисты Европы и Америки заимствуют теперь идеи радиоинтерференционного способа измерений, копируют устройство советской радиодальномер-ной и радионавигационной аппаратуры.

За многолетние работы в области нелинейных колебаний и распространения радиоволн Мандельштам и Папалекси в 1942 году были удостоены Сталинской премии первой степени.

В конце 1942 года Папалекси вместе с Мандельштамом обсудил возможность локации Луны при помощи радиоволн и света и сделал расчеты, которые показали, что современная радиотехника в состоянии решить такую сложную техническую задачу.

В этом вопросе наши радиофизики на много лет опередили иностранных специалистов. Смелая мысль о посылке радиосигналов на Луну зародилась у Мандельштама и Папалекси еще в 1928 году. Потребовалось 18 лет для того, чтобы техника смогла практически осуществить эту идею советских ученых.

Радиотелескоп - приемное устройство, предназначенное для улавливания радиоволн, приходящих из мирового пространства

Рис. 8. Радиотелескоп - приемное устройство, предназначенное для улавливания радиоволн, приходящих из мирового пространства.

Неиссякаемая научная инициатива Папалекси, его способность широко охватывать при изучении различные явления природы помогли ему связать радио с астрономией.

Советский ученый стремился проникнуть с помощью радиоволн в мировое пространство. Он обдумывал возможность радиолокации планет и Солнца, изучал радиоволны, идущие к нам из далеких глубин Вселенной.

В последний период жизни Папалекси организовал экспедицию по наблюдению полного солнечного затмения, происходившего 20 мая 1947 года. Группа советских ученых уже без него совершила путешествие к берегам Бразилии и провела там под руководством профессора С. Э. Хайкина и Б. М. Чихачева важные научные наблюдения над радиоизлучением Солнца.

Известно, что Солнце - не только яркое светило, обогревающее Землю и другие Планеты. Солнце, кроме того, и «радиостанция», непрерывно посылающая радиоволны.

Изучение этих радиоволн и определение «радиояркости» нашего дневного светила дает много ценного для познания процессов, происходящих на Солнце.

Разносторонний ученый и исследователь, проложивший новые пути в радиотехнике, Н. Д. Папалекси, не успел выполнить все свои замыслы: 3 февраля 1947 года преждевременная смерть оборвала его работу.

В память Папалекси учреждена премия его имени, которая присуждается Академией наук СССР советским ученым за лучшие работы по физике.

Продолжение: Энтузиаст высокочастотной техники - Валентин Петрович Вологдин.

Источник: Ф. Честнов - "В мире радио", 1954г.

0
1338
Обсуждение
#1 Дмитрий 09-07-2013 13:45

Почитал у вас статьи о истории радио и очень интересно спасибо вам

Добавить комментарий