Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Научные журналы / Наука и жизнь
Начало сайта / Научные журналы / Наука и жизнь

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Во главе двух академий

Время, хранимое как драгоценность

Механизм ответственной власти

Парадоксы науки

Сын человеческий

Яды – вчера и сегодня

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

У телефона – континент

Р. ЛАКЕРНИК, кандидат технических наук, лауреат Государственных премий
Д. ШАРЛЕ, кандидат технических наук

Гибель эскадры

Адмирал Педро Сервера, внешне невозмутимый, уже битый час все шагал и шагал по палубе флагманского корабля. Ни красота июльского заката, ни веселые игры дельфинов не могли отвлечь его от грустных мыслей. Он недоумевал, почему нет ответа на телеграфные запросы в военное министерство. Шел третий месяц испано-американской войны 1898 года. Испания пыталась сохранить последние из своих вест-индских колоний.

Адмирал сумел провести эскадру на Кубу, проскользнув между морскими дозорами противника, но вскоре понял, что силы слишком неравны – американцы стянули в Карибское море почти весь свой атлантический флот. Понимая, что морское сражение и, следовательно, война будут проиграны, желая спасти испанский флот, Сервера запросил разрешения на возврат. Морской министр Бормео немедленно отдал приказ отплыть в Испанию, но его телеграмма, или, как тогда говорили, каблограмма, до Серверы так и не дошла.

Американское правительство запретило владельцам 14 телеграфных трансатлантических кабельных линий передавать какие-либо сведения из Испании в ее колонии. Правда, оставалось еще одна линия, соединявшая Европу с Кубой, она пролегала через Канаду, Бермудские острова и Ямайку, то есть обходила территорию США. По ней и сносился Сервера с испанским правительством до тех пор, пока американцы не обнаружили этот кабель и не перерезали его.

Не получив приказа об отходе, верный воинскому долгу, адмирал остался на месте. Утром 3 июля разыгралось морское сражение вблизи бухты Сантьяго-де-Куба, в котором все испанские суда были потоплены. Потери американской стороны оказались ничтожными: один убитый и десять раненых.

Журналисты писали, что в этой войне кабель сыграл не меньшую роль, чем суда и пушки.

«Звездный час» длиною в 10 лет

Опытный адмирал предполагал, конечно, что американская цензура не пропускает телеграмм из Испании, но у него и мысли не было, что канадский кабель может быть обнаружен или способен выйти из строя. Вот какой великолепной репутацией пользовалась трансатлантическая связь. А ведь начиналась ее прокладка со сплошных неудач.

28 августа 1850 г. паровой буксир «Голиаф» за один день проложил первый морской кабель, соединивший английский город Дувр с французским городом Кале. Правда, кабелем его можно было назвать лишь условно. Это была медная жила диаметром 2 мм, покрытая слоем гуттаперчи толщиной 5,5 мм. По проводу толщиной с мизинец сумели передать лишь несколько слов, после чего он был случайно оборван рыбачьей снастью.

Спустя год, между Дувром и местечком Сангат близ Кале (эта же историческая трасса выбрана для железнодорожного тоннеля между Англией и Францией), на глубине 50 м был проложен первый настоящий подводный морской телеграфный кабель. Четыре медные изолированные гуттаперчей и скрученные между собой жилы были окружены «броней» из круглых стальных проволок диаметром 7,5 мм, наложенных по спирали и защищающих изоляцию и жилы от механических воздействий. На этот раз связь работала надежно.

Вскоре были проложены линии Англия – Ирландия, Англия – Бельгия, Италия – Корсика, Корсика – Сардиния, Сардиния – Африка, Балаклава – Варна и другие.

Конструирование и изготовление кабелей, прокладка линий осуществлялись методом проб и ошибок. Каждая третья экспедиция заканчивалась неудачей – обрывом кабеля или выходом его из строя через год-два. Так, из 20 000 км подводных кабелей, проложенных за первые 10 лет, в рабочем состоянии было не более 5000 км.

И все же в 1857 году началась битва электрического телеграфа с Атлантикой. Длилась она 10 лет. Первые две экспедиции потерпели фиаско. Кабель обрывался, и оба раза его куски длиной до 500...600 км оставались на дне океана. Третья попытка в начале августа 1858 г. оказалась успешной. Суда «Агамемнон» и «Ниагара» проложили кабельную линию длиной 3800 км между ирландской бухтой Валенсия и заливом Тринити на восточном побережье Ньюфаундленда. По ней 16 августа 1858 г. была передана первая телеграмма из Европы в Америку. Это было послание королевы Виктории, начинавшееся словами: «Королева желает поздравить президента с окончанием величайшей международной работы, которая вызвала у нас необычайный интерес». Америка ликовала. Звонили колокола, ревели заводские трубы, взлетали ракеты фейерверков. Однако через две недели из-за электрического пробоя изоляции линия навсегда вышла из строя.

Понадобилось еще восемь лет для достижения окончательной победы. К созданию кабеля были привлечены ведущие ученые и инженеры. Теперь для успеха грандиозного мероприятия недоставало еще двух компонентов: судна, способного проложить весь кабель, и человека, который мог бы обеспечить руководство этой уникальной работой.

Сайрус Филд не был ни ученым, ни инженером. Но эти минусы с лихвой искупались его достоинствами: удивительной энергией и организаторским талантом. Он твердо верил в успех своего дела и в свою счастливую звезду. Иначе трудно объяснить, почему для прокладки кабеля был выбран пароход «Грейт-Истерн» (210 м длина, 32 000 т водоизмещение).

Неудачи преследовали этот шедевр кораблестроения, описанный Жюль Верном в романе «Плавающий город». При спуске парохода не обошлось без увечья рабочих, его первый капитан утонул, во время пробного плавания лопнула труба, и пар смертельно обварил нескольких матросов. Предубеждения против судна были столь велики, что в первый трансатлантический рейс на нем отправились только 46 пассажиров, хотя оно в состоянии было принять 4000 человек. Пароход довел до банкротства многих своих владельцев и в 1865 г. был за бесценок продан с аукциона.

Но именно «Грейт-Истерн» в июле 1866 г. (пятая по счету экспедиция) проложил между Ирландией и Ньюфаундлендом надежный телеграфный кабель. Вскоре экипаж обнаружил и поднял со дна океана конец кабеля, оборвавшегося годом ранее (в ходе четвертой неудачной попытки), его нарастили и также довели до Ньюфаундленда. Так с осени 1866 г. начала действовать постоянная электрическая связь между обоими полушариями, причем сразу по двум линиям.

Стефан Цвейг посвятил этому эпохальному событию новеллу «Первое слово из-за океана» в цикле «Звездные часы человечества». Цвейг писал: «Небывалая победа: впервые с момента возникновения мышления на земле, мысль со скоростью мысли пронеслась через океан».

Глубоководный одножильный телеграфный кабель

Глубоководный одножильный телеграфный кабель, проложенный в 1865 и 1866 годах на линиях Ирландия – Ньюфаундленд:
1 – токопроводящая жила, скрученная из семи медных проволок (вторым проводом цепи служила морская вода); 2 – четырехслойная гуттаперчевая изоляция; 3 – джутовая подушка под броню; 4 – стальные проволоки брони; 5 – обмотка из джута, искусственно увеличивающая наружный диаметр кабеля с целью уменьшения его веса в воде

Алло, Америка!

Лиха беда – начало. В 1869 г. была проложена третья трансатлантическая телеграфная линия: из Бреста в Ньюфаундленд. Затем в течение пяти лет Атлантику пересекли еще три кабеля. Последний из них примечателен тем, что прошел напрямую от Ирландии до США без промежуточной переприемной станции на Ньюфаундленде. Длина этой линии составила 5700 км. Кабели прокладывались в Тихом и Индийском океанах, в Южной Атлантике. Недаром Карл Маркс счел нужным отметить в «Капитале», что «весь земной шар опутан телеграфной проволокой».

К концу XIX века в морях и океанах было проложено 1750 телеграфных кабельных линий общей протяженностью 300 000 км. Именно они соединили разобщенные сети отдельных континентов в единую мировую систему электросвязи.

Когда изобрели телефон, потребовались взамен телеграфных принципиально новые – телефонные кабели. Различие между ними определялось наибольшей частотой передаваемых сигналов. Телеграфистам требовалось не более 100 Гц, а телефонистам для удовлетворительной передачи звуков человеческой речи нужно, по меньшей мере, 3000 Гц. А чем выше частота, тем быстрее ослабевает передаваемый по линии сигнал, значит, его надо периодически усиливать. Но одно дело встроить усилитель в подземную линию, а другое – опустить на дно океана, где его сложно обеспечивать электроэнергией, обслуживать и ремонтировать. Двухсоткилометровый барьер дальности подводных телефонных линий удалось преодолеть в середине нашего столетия благодаря успехам электроники. Ламповые усилители, корпуса которых выдерживали давление воды в сотни атмосфер, могли автономно и надежно функционировать на океанских глубинах в течение 20 лет. Электропитание их осуществлялось постоянным током, передаваемым по тому же кабелю с оконечных береговых станций.

Первый подводный усилитель был встроен в 1943 г. в линию длиной 80 км, проложенную в Ирландском море.

А через 13 лет, 25 сентября 1956 г., состоялось официальное открытие первой трансатлантической телефонной линии между Великобританией и США, названной ТАТ-1. Об этом эпохальном событии известный писатель-фантаст Артур Кларк высказался так: «Вот и все. С этого момента одно из технических чудес XX века стало обычным явлением».

Глубоководный коаксиальный бронированный телефонный кабель трансокеанских линий

Глубоководный коаксиальный бронированный телефонный кабель трансокеанских линий 1956...1960 гг.:
1 – внутренний медный проводник – центральная проволока, обвитая тремя лентами; 2 – полиэтиленовая изоляция; 3 – внешний проводник из шести медных лент; 4 – защитная медная и скрепляющая лента из ткани; 5 – джутовая подушка под броню; 6 – броня из стальных проволок; 7 – двухслойный наружный покров из джута

На основном трансокеанском участке Шотландия – Ньюфаундленд были проложены два кабеля – один для передачи с Востока на Запад, другой – в обратном направлении. В каждый из них был встроен 51 глубоководный ламповый усилитель в цилиндрическом гибком герметичном корпусе, защищенном двумя рядами стальных колец и двухслойной броней из стальных проволок и способном выдерживать давление восьмикилометровой океанской толщи. Усилитель имел в длину 2,5 м и диаметр 71 мм.

В 1962...1963 годах Североамериканский континент был соединен с Австралийским кабельной телефонной линией «Компак» (Ванкувер – Гавайские острова – острова Фиджи – Новая Зеландия – Сидней). А в 1965...1967 годах линия «Сеаком» связала Австралию с Азией. К середине 1980-х годов свыше 20 подводных линий пересекали в различных направлениях Атлантический и Тихий океаны. Таким образом, посредством подводных кабелей обеспечивается устойчивая, не подверженная атмосферным влияниям телефонная связь между континентами.

Панцирь становится скелетом

Современный высокочастотный телефонный кабель далек от своего однопроводного телеграфного предка. Он двухпроводный, причем коаксиальный: внутренний и внешний проводники представляют собой соосные медные цилиндры.

Многие годы все подводные кабели покрывались броней из стальных проволок. Таким образом, мелководные и прибрежные кабели защищались от ударов рыболовных тралов и корабельных якорей и механических повреждений при трении о камни во время приливов и отливов. Глубоководные же кабели броня предохраняла от разрыва во время прокладки. И пока кабель покоился на океанском дне, эта стальная «обмотка», составлявшая половину веса глубоководного кабеля, была бесполезным грузом. Нелепая, но, казалось бы, безвыходная ситуация!

Ровно через 100 лет после того, как первый морской бронированный кабель лег на грунт, английский инженер Роберт Алстон Брокбэнк предложил конструкцию глубоководного кабеля без брони. Известно, что на высоких частотах ток распространяется не по всему сечению проводника, а только по его поверхностному слою. Поэтому Брокбэнк предложил делать внутренний проводник не сплошным, а трубчатым, и внутри разместить стальной трос. Этот трос перенимал несущую функцию наружной брони, но весил гораздо меньше.

Однако главное преимущество новой конструкции было в другом. Навитая стальная обмотка – правая или левая – стремится раскрутиться. Отрезок кабеля длиной в несколько километров, висевший между судном и дном океана, закручивался вокруг своей оси на сотни я даже тысячи оборотов. Вследствие этого нельзя было использовать глубоководные усилители двухстороннего действия. Дело в том, что их корпуса имеют относительно большой диаметр, и кабель ломался на вводе в момент касания дна из-за разности жесткостей.

Центральный несущий трос формируется из нескольких слоев проволок, навитых в противоположных направлениях, благодаря чему он практически не закручивается.

Это позволило применить усилители двухстороннего действия и прокладывать один кабель для обоих направлений передачи.

Свет соединяет Старый Свет с Новым

Немногим менее 10 лет назад начался новый – «оптический» – период трансокеанской связи. Решающее преимущество подводных волоконно-оптических кабелей перед традиционными электрическими состоит в значительно меньшем ослаблении передаваемых сигналов. Благодаря этому можно при одинаковом количестве каналов связи располагать в линии усилители-ретрансляторы в 5...6 раз реже.

Совсем еще недавно сообщалось об опытных прокладках подводных линии длиной 10...80 км с числом оптических волокон 2...8, три года назад начали действовать несколько линий длиной 120...420 км, в частности, между Канарскими островами, Англией и Бельгией, Францией и островом Корсика, а в 1986...1987 гг. были проложены кабели между японскими островами Хонсю и Хоккайдо (300 км), Кюсю и Окинавой (800 км). В этом году должны вступить в строй две первые трансокеанские световодные линии Европа – США и США – Япония.

В оптических кабелях первого поколения применены световоды из кварцевого стекла с диаметрами сердцевины 8...10 мкм и светоотражающей оболочки 125 мкм. Световоды защищены, как правило, двухслойным покрытием из эпоксидных смол и нейлона. Шесть таких оптических волокон либо плотно запрессованы в цилиндрический стержень из эластомера, либо свободно располагаются в спиральных пазах полиэтиленового стержня. Подобный оптический модуль диаметром 3...6 мм размещается в центре кабеля и защищается двухслойной обмоткой стальной проволоки. Затем следует герметичная медная трубка с продольным сварным швом. Она предотвращает попадание воды к оптическим волокнам и одновременно используется в качестве одного из проводов, по которому передается постоянный ток питания промежуточных ретрансляторов. Вторым проводом служит морская вода. Заключает конструкцию толстая полиэтиленовая оболочка, изолирующая медную трубку от воды.

Трансокеанские волоконно-оптические линии первого поколения оснащаются цифровыми системами передачи данных со скоростью 280 Мбит/с. Так как для одного телефонного канала стандартизована скорость передачи 64 кбит/с (64 тысячи импульсов-пауз в секунду), то по каждой паре оптических волокон можно будет одновременно передавать почти 4000 телефонных разговоров.

Существенное различие между электрическими и оптическими подводными кабелями в том, что первые представляют собой одну коаксиальную пару, тогда как вторые содержат несколько пар симметрично расположенных волокон. Таким образом, электрический кабель соединяет только два пункта, тогда как оптический может разветвляться, и каждая пара волокон использоваться в дальнейшем самостоятельно. Первая же трансатлантическая волоконно-оптическая линия соединит США одновременно с Англией (одной парой волокон) и Францией (другой парой; третья пара волокон – резервная). Планируемый на 1991 год кабель свяжет уже пять стран: Англию, Францию и Испанию с Канадой и США (при этом будет осуществляться и связь Англии с Испанией).

Не по зубам...

Писатель Артур Кларк в книге «Голос через океан» описывает случай, когда при ремонтном подъеме подводного кабеля в 1932 г. был вытащен на поверхность запутавшийся в витках большой кит. Гораздо чаще жертвой становятся сами подводные линии. К примеру, в 1986 г. газеты сообщили о том, что акулы повредили волоконно-оптический кабель, проложенный между Канарскими островами. Было даже высказано предположение, что акулы, якобы равнодушные к электрическим кабелям, почему-то нападают именно на волоконно-оптические. Оно было, однако, опровергнуто осенью 1987 г., когда американские связисты преподнесли в дар музею естественной истории в Нью-Йорке коллекцию из 350 поломанных акульих зубов, извлеченных из различных кабелей телеграфной и телефонной связи.

Мелководный и среднеглубинный оптический телефонный кабель

Мелководный и среднеглубинный оптический телефонный кабель с усиленной броневой защитой от ударов якорей и тралов:
1 – опорный элемент оптического модуля, скрученный из стальных проволок; 2 – оптические волокна (ОВ); 3 – оптический модуль – полиэтиленовый стержень со спиральными пазами, в которых свободно расположены оптические волокна; 4 – герметизирующая медная трубка; 5 – двухслойный несущий элемент из стальных проволок; 6 – полиэтиленовая изоляция; 7 – слои полипропиленовых волокон; 8 – броня из стальных проволок, навитых полого; 9 – броня из стальных проволок, навитых круто

Ихтиологи полагают, что акулы способны ощущать очень слабые электрические поля и находить пищу именно по «электрическому следу».

Вокруг любого подводного кабеля постоянный ток, питающий усилители, образует электрическое поле. Так что агрессивность акул неудивительна.

Но основная угроза подводным кабелям исходит отнюдь не от акул.

Сразу же после изобретения радио началось соперничество между кабелями связи и радиосвязью. Английский радиотехник профессор Уильям Эйртон еще в 1897 г. не сомневался, что в будущем подводные кабели будут сданы в музей антикварных вещей. Особенно острой стала борьба после появления искусственных спутников.

Симптоматичны заголовки статей в технических журналах 1960-х гг.: «Кабели принимают вызов спутников», «Битва между кабелями и спутниками» и т.п. Несмотря на фантастический прогресс космической радиосвязи, подводные кабельные линии не только не были преданы забвению, но, наоборот, получили мощный импульс к ускоренному развитию. Каждый из видов межконтинентальной связи имеет свои преимущества и недостатки.

Отметим лишь, что на стороне спутников по-прежнему большее количество одновременно организуемых каналов связи, меньшие первоначальные затраты, возможность передачи сразу в несколько пунктов. На стороне кабелей низкие эксплуатационные расходы, больший срок службы (20...25 лет против 7...10 лет у спутников), лучшее качество передачи. В настоящее время обмен информацией между Европой и Америкой обеспечивается спутниками и кабелями на паритетных началах. Однако ожидается, что в дальнейшем соотношение может измениться в пользу кабелей.

Да будет свет без ретрансляции!

Самое заманчивое в перспективах развития подводных волоконно-оптических линий связи – возможность увеличения Длины ретрансляционных участков. Инженеры мечтают о пересечении Атлантики вообще без промежуточных усилителей. Первым шагом на этом нелегком пути станет переход со световой волны 1,3 мкм на несколько более длинную волну излучения лазера 1,55 мкм. В этом так называемом третьем «окне прозрачности» потери энергии уменьшатся примерно вдвое, а расстояние между промежуточными ретрансляторами можно будет увеличить с 40...60 до 100 км. Создание световодов не из кварцевого стекла, а из стекол на основе фторидов циркония, бериллия, гафния, в сочетании с дальнейшим увеличением длины волны сначала среднего, а затем дальнего инфракрасного излучения (2...10 мкм), вероятно, позволит снизить потери еще на порядок. И тогда отнюдь не фантастическими, а реальными станут ретрансляционные участки длиной свыше 1000 км. Это значит, что почти любая морская линия последующих поколений сможет обойтись вообще без подводных ретрансляторов, а на трансатлантической магистрали их потребуется не более пяти.

Развитие подводных волоконно-оптических кабельных линий связи стремительно набирает темп. На ближайшие годы намечено создание средиземноморской сети, которая свяжет между собой Испанию, Италию, Францию, Грецию, Турцию и ближневосточные страны. Затем прокладка еще трех трансатлантических кабелей, в том числе одного, предназначенного для видеопередачи. Наконец сооружение линий тихоокеанской сети: очередных японо-американских, японо-южнокорейской, австрало-американской общей протяженностью в 13000 км, а также сравнительно коротких (2500...2600 км) Австралия – Новая Зеландия и о. Гуам – Филиппины.

Все новые и новые витки кабеля накручиваются на земной шар и потому все актуальней становятся слова Стефана Цвейга, которыми он заканчивает новеллу «Первое слово из-за океана»: «Победа над временем и пространством навеки объединила людей, и будущее их было бы прекрасно, если бы не роковое ослепление, все вновь и вновь заставляющее их разрушать это грандиозное единство и применять те же средства, которыми они утвердили свою власть над природой, для уничтожения самих себя».

 

Ранее опубликовано:

Наука и жизнь. 1988. №8.

Дата публикации:

20 августа 2003 года

Электронная версия:

© НиТ. Научные журналы, 2002

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2017
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика