Как астронавты «Аполлона» поддерживали связь с Землёй, находясь на пути к Луне в 240 000 милях от неё? Для этого использовался усилитель весом 32 фунта, построенный на электронной лампе особого типа — лампе бегущей волны (ЛБВ).

В этой статье я загляну внутрь такого усилителя и расскажу, как работает ЛБВ.

Как ни странно, выходная мощность этого усилителя составляла всего 20 Вт — ненамного больше, чем у портативной рации.^{(примеч.1)} Возникает закономерный вопрос: как сигнал мощностью всего 20 Вт вообще можно было принять с Луны? Чтобы уловить настолько слабый сигнал, NASA построило глобальную сеть параболических антенн диаметром 26 метров (85 футов) с наземными станциями в Испании, Австралии и Калифорнии.

Для связи в обратном направлении наземные станции передавали на космический аппарат мощный направленный сигнал мощностью 10 000 Вт, который могли принимать его небольшие антенны. Пробелы в покрытии закрывали дополнительные наземные станции с антеннами меньшего диаметра — 9 метров (30 футов), а также суда слежения и самолёты.^{(примеч.2)}

Система связи «Аполлона» была очень сложной, что хорошо видно на схеме ниже. Усилитель, выделенный жёлтым, был лишь одним из её компонентов (и всю систему целиком я здесь объяснять не стану).

Основная часть связи шла через унифицированную систему S‑диапазона (Unified S‑Band), которая объединяла в одном канале голосовую связь, данные, телеметрию, телевидение, команды управления и измерение дальности. Для сравнения, в миссиях Gemini для разных задач использовались отдельные системы. (S‑диапазон — это диапазон СВЧ‑частот, в котором работала эта система.)

Внутри усилителя

Усилитель был разработан компанией Collins Radio, сыгравшей заметную роль в американской космической программе.^{(примеч.3)} (В Collins утверждают, что начиная с программ Mercury и Gemini и вплоть до Apollo каждый голосовой сигнал американских астронавтов из космоса передавался через оборудование Collins Radio.) На фотографии ниже усилитель показан со снятой крышкой, так что можно рассмотреть его внутренние схемы.

Обратите внимание на переплетение коаксиальных кабелей, по которым проходят ВЧ‑сигналы. Предупреждение «Опасно: высокое напряжение» появилось здесь не случайно: для работы ламп бегущей волны требуются напряжения в несколько тысяч вольт.

На структурной схеме ниже показано устройство усилителя.^{(примеч.4)} В его основе — две лампы бегущей волны, которые и выполняют усиление. На вход усилителя поступают два сигнала: голос/данные и телевизионный сигнал. В штатном режиме одна ЛБВ усиливает голос и данные, а другая — телевизионный сигнал. Важная особенность схемы в том, что любой из этих сигналов можно направить на любую из двух ламп или вообще пустить в обход усилителя.

Благодаря этому связь сохраняется при отказе одной ЛБВ и даже при полном отказе усилителя. Маршрутизацией сигналов управляют ВЧ‑реле — переключатели с электрическим управлением. Триплексер направляет два усиленных сигнала на антенну, а сигнал с антенны — на приёмник.

На фотографии ниже показан усилитель со снятым корпусом. (Полностью разобрать наш экземпляр не удалось, поэтому эта фотография взята из документации.^{(примеч.5)} Лампа бегущей волны — чёрный цилиндр справа внизу длиной около 10 дюймов. Вторая ЛБВ расположена симметрично с обратной стороны усилителя.

Как работает лампа бегущей волны

Лампа бегущей волны (ЛБВ) — сердце усилителя. Системы на ЛБВ давно получили широкое распространение в спутниковой технике: они компактны, обеспечивают высокий коэффициент усиления и очень широкую полосу пропускания.^{(примеч.7)} Их и сегодня широко используют в спутниках, радиолокационных системах и другой аппаратуре.

Для усиления входного ВЧ‑сигнала в ЛБВ используется довольно необычный принцип, не похожий на работу обычных электронных ламп. Внутри создаётся электронный пучок, энергия которого передаётся ВЧ‑сигналу. Если подробнее, электронная пушка направляет электроны вдоль трубки — примерно как в электронно‑лучевой трубке. Проходя по ней, электроны взаимодействуют с ВЧ‑сигналом и группируются в сгустки, передавая ему свою энергию.^{(примеч.6)}

Проблема в том, что для такого взаимодействия электронный пучок и ВЧ‑сигнал должны двигаться примерно с одинаковой скоростью. Но электроны движутся приблизительно со скоростью 10% от скорости света,^{(примеч.7)} тогда как ВЧ‑сигнал распространяется со скоростью света. Хитрость заключается в том, что ВЧ‑сигнал пропускают по спирали, окружающей электронный пучок. Поскольку сигнал движется не по прямой, а по длинной спирали, его продвижение вдоль трубки замедляется.

Если правильно подобрать геометрию спирали, эффективная скорость распространения ВЧ‑сигнала вдоль трубки оказывается примерно равна скорости электронного пучка, благодаря чему они могут взаимодействовать.

На схеме выше подробно показано устройство лампы бегущей волны. В центре ЛБВ находится трубка дрейфа, внутри которой проходит электронный пучок, а вокруг неё намотана спираль, по которой распространяется ВЧ‑сигнал. Слева электронный пучок формируется компонентами электронной пушки: подогревателем катода, катодом и электродами.

Вход и выход ВЧ‑сигнала соединены со спиралью, по которой проходит усиливаемый сигнал. Пройдя через трубку, ослабленный электронный пучок попадает в коллектор. Наконец, постоянные магниты удерживают электронный пучок сфокусированным на всём пути через трубку.

Рассмотреть ЛБВ внутри усилителя непросто: она установлена в самом низу и скрыта под целым клубком коаксиальных кабелей. Фотография ниже — лучшее, что мне удалось снять. Сама лампа выглядит как чёрный цилиндр, но слева и справа хорошо видны подключённые к ней коаксиальные кабели.

Другие компоненты усилителя

Теперь кратко рассмотрим остальные схемы внутри усилителя. Для ускорения электронного пучка ЛБВ требуется высокое напряжение. На фотографии ниже показаны два трансформатора блока питания. Усилитель питался от трёхфазной сети переменного тока 115 В частотой 400 Гц.

Для схем управления также использовалось постоянное напряжение 28 В. Обратите внимание на залитые пластиком схемы в нижней части фотографии.

Как уже говорилось выше, ВЧ‑реле переключают сигналы между двумя ЛБВ, обеспечивая резервирование. На фотографии ниже это довольно крупные квадратные блоки, к которым подключены коаксиальные кабели.

Эти реле устроены сложнее, чем обычные, поскольку должны коммутировать ВЧ‑сигналы гигагерцового диапазона. Внутренняя разводка выполнена из металлических полос, расположенных между двумя заземляющими плоскостями, а также из волноводов.

Ещё один интересный компонент усилителя — триплексер, специальное ВЧ‑устройство, соединяющее антенну с усилителем. У триплексера три порта, каждый рассчитан на свою частоту, причём сигналы этих портов остаются разделёнными. В частности, он объединяет основной сигнал на частоте 2287,5 МГц с телевизионным сигналом на частоте 2272,5 МГц и направляет их на антенну.

Сигнал с Земли передаётся на частоте 2106,4 МГц; триплексер направляет его от антенны к приёмнику. Внутри установлены полосовые фильтры для каждой частоты, обеспечивающие развязку 60 дБ между тремя портами.

Триплексер — это металлический блок на фотографии выше. Обратите внимание на коаксиальные разъёмы; разъём антенны подписан отдельно. Хотя сверху на триплексере есть надпись «Danger High Voltage» (“Опасно: высокое напряжение”), относится она к расположенным рядом схемам блока питания, а не к самому триплексеру.

Управление усилителем

В командном модуле у астронавтов были переключатели, с помощью которых можно было включать и выключать усилитель мощности, а также выбирать основную или резервную ЛБВ. На схеме ниже эти переключатели обозначены как PWR AMPL. Переключатель PRIM/SEC определял, какая ЛБВ используется для основного сигнала, а какая — для телевизионного. Переключатель HIGH/OFF/LOW задавал уровень выходной мощности усилителя. Когда усилитель был выключен, входной сигнал поступал прямо на антенну, в обход усилителя.

Заключение

Этот усилитель мощности хорошо показывает, насколько сложной была система связи «Аполлона».^{(примеч.9)} Даже сам усилитель устроен непросто и содержит две ЛБВ для резервирования, но при этом он всего лишь один из множества компонентов системы. На схеме ниже показан отсек оборудования командного модуля, где усилитель выделен жёлтым. (Бортовой компьютер Apollo Guidance Computer находился прямо над ним, на два ряда выше.)

Сейчас мы выясняем, можно ли подать питание на этот усилитель и проверить, работает ли он до сих пор.

Примечания и ссылки

1. Портативные рации обычно работают с мощностью от 0,5 до 5 Вт, хотя некоторые модели выдают 8 Вт. В основном это ограничено требованиями FCC. Существуют и отдельные портативные модели мощностью 20 и даже 25 Вт.

2. На этой фотографии показано судно слежения Vanguard. Изначально это был танкер времён Второй мировой войны, который позднее переоборудовали для слежения за ракетами, установив на нём множество антенн. NASA использовало Vanguard для связи с «Аполлонами», а в 2013 году судно отправили на слом.

3. В документе Collins S‑Band Power Amplifier приведены технические характеристики усилителя. В презентации Collins Role in Space Communications рассказывается об оборудовании Collins, использовавшемся в программах Mercury, Gemini и Apollo. Collins выпускала как аппаратуру для космических кораблей, так и наземное передающее и приёмное оборудование.

4. Ниже приведена более подробная схема усилителя мощности. На ней детальнее показаны блок питания и схемы управления. В частности, перед началом работы автоматика даёт лампам прогреться в течение 90 секунд. При неисправности или пропадании одной из фаз питания она также отключает питание.

5. По фотографии Collins может показаться, что корпус усилителя просто снимается. На самом деле фотография вводит в заблуждение: так разобрать усилитель нельзя. Мы попытались извлечь его из корпуса, но он закреплён множеством винтов, до которых невозможно добраться, а некоторые компоненты приклеены. Похоже, усилитель собирали прямо внутри корпуса, поэтому проводить какое‑либо обслуживание перед полётом было бы крайне сложно. В итоге полностью разбирать его мы не стали, поэтому на всех наших фотографиях усилитель снят только сверху.

6. Взаимодействие электронного пучка с ВЧ‑сигналом в спирали устроено довольно сложно, но конечный результат прост: энергия передаётся от электронного пучка к сигналу. Электрическое поле ВЧ‑сигнала создаёт чередующиеся положительные и отрицательные участки. Они ускоряют и замедляют электроны, из‑за чего те группируются в сгустки. (В среднем электронный пучок замедляется сильнее, чем ускоряется, поэтому теряет энергию.) Движущиеся сгустки электронов индуцируют в спирали дополнительный ток, усиливая ВЧ‑сигнал. Возникает положительная обратная связь, и по мере прохождения через лампу амплитуда ВЧ‑сигнала растёт экспоненциально.
Подробнее о работе ламп бегущей волны можно прочитать в материалах Traveling Wave Tube, Recent theory of traveling‑wave tubes или в этой подробной презентации.

7. Лампа бегущей волны способна усиливать сигналы в широком диапазоне частот, то есть обладает широкой полосой пропускания, поскольку в ней нет резонансных элементов — в отличие, например, от клистрона. Поэтому её не нужно настраивать на какую‑то одну конкретную частоту.

8. Если пренебречь релятивистскими эффектами, скорость электронного пучка, разогнанного электрическим напряжением, определяется следующим выражением:

Здесь v0 — скорость электронов, Vb — ускоряющее напряжение, e — заряд электрона, а me — масса электрона. Например, при напряжении 6000 В скорость электронов составляет 46 000 км/с, то есть около 15% скорости света.
Эта формула получается из равенства кинетической энергии электрона и энергии, которую он получает при прохождении разности потенциалов.

В лампе бегущей волны электронный пучок должен двигаться немного быстрее эффективной скорости распространения ВЧ‑сигнала вдоль трубки. Тогда по мере замедления пучок будет передавать свою энергию ВЧ‑сигналу.

9. Подробнее о системе связи Apollo см. Apollo Experience Report — S‑Band System Signal Design and Analysis. Также см. CSM Functional Integrated System Schematics и Command/Service Module Systems Handbook.

История усилителя Apollo хорошо показывает: надёжные системы появляются не из одного удачного решения, а из множества инженерных компромиссов — архитектуры, резервирования и глубокого понимания того, что происходит внутри.

Если вам интересно разбираться в сложных системах не только на уровне использования, но и понимать их устройство, загляните на открытые уроки. На них разбирают реальные инженерные задачи: от архитектуры приложений и инфраструктуры до высоконагруженных систем.

• 3 сентября, 20:00. «ASP.NET Core API под нагрузкой: как сделать сервис устойчивым к сбоям и росту трафика». Записаться

• 8 сентября, 20:00. «Системный аналитик и его ценность глазами компании». Записаться

• 23 сентября, 20:00. «eBPF: рентгеновское зрение для production». Записаться

Полный список открытых уроков августа собрали в дайджесте.