Мистика низких частот. Как связаться с подводной лодкой

В большинстве случаев хватает простейшего решения: всплыть к самой поверхности воды и поднять антенну над водой. Но этого решения недостаточно для атомной подводной лодки - эти корабли были разработаны во время холодной войны и могли находиться в подводном положении в течение нескольких недель и даже месяцев, но тем не менее они должны были оперативно запустить баллистические ракеты в случае ядерной войны .

Связь с подводными лодками, находящимися в подводном положении, осуществляется следующими способами.

Энциклопедичный YouTube

1 / 2

✪ Устройство подводной лодки

✪ Авария на подводной лодке. "Опасный" ритуал для ребенка.

Субтитры

Акустическая передача

Советская система «ЗЕВС» работает на частоте 82 Гц (длина волны 3656 км), американская «Seafarer» (с англ.  -  «мореплаватель») - 76 Гц (длина волны 3944,64 км). Длина волны в этих передатчиках сравнима с радиусом Земли. До 1977 года использовалась система «Sanguine», находящаяся в Висконсине . Частота - 76 Гц или 45 Гц. ВМС Великобритании предпринимали попытки построить свой передатчик в Шотландии , но проект был свёрнут.

Радиоволны инфранизких частот или infra low frequencies (ИНЧ , ILF 300-3000 Гц) имеют более компактные элементы антенн, но меньшее проникновение в толщу морских и земных глубин.

Радиоволны очень низких частот или very low frequencies (ОНЧ , VLF 3-30 кГц) имеют ещё более компактные антенны по сравнению с предыдущим диапазонам, но могут проникать в морскую воду только на глубины до 20 метров, преодолевая поверхностный (скин) эффект . Подводная лодка, находящаяся на небольшой глубине, может использовать этот диапазон для связи. Подводная лодка, находящаяся гораздо глубже, может использовать буй с антенной на длинном кабеле. Буй может находиться на глубине нескольких метров и из-за малых размеров не обнаруживаться сонарами противника. Первый в мире ОНЧ-передатчик, «Голиаф », был построен в Германии в 1943 году, после войны перевезён в СССР, в 1949-1952 годах восстановлен в Нижегородской области и эксплуатируется до сих пор. В Белоруссии, под Вилейкой , функционирует мегаваттный ОНЧ-передатчик для связи с подводными лодками ВМФ России - 43-й узел связи .

Радиоволны низких частот или low frequencies (НЧ , LF 30-300 кГц) также могут использоваться для связи с подземными или морскими объектами. Американский передатчик «Seafarer» работал на частоте 76 кГц и состоял из двух антенн в Клэм Лэйк, Висконсин (с 1977 года) и на базе ВВС «Сойер» в Мичигане (c 1980 года). Был демонтирован в сентябре 2004 года .

Недостатки радиосвязи указанных диапазонов:

• Линия связи является односторонней. Подводная лодка на борту не может иметь свой передатчик из-за огромного требуемого размера антенны. Даже приёмные антенны КНЧ/СНЧ-связи отнюдь не малы: лодки используют выпускаемые буксируемые антенны длиной от сотен метров.
• Скорость такого канала крайне мала - порядка нескольких знаков в минуту. Таким образом, разумно предположить, что передаваемые сообщения содержат общие инструкции или команды по использованию других видов связи.

Спутники

Если субмарина находится в надводном положении, то она может использовать обычный диапазон радиосвязи, как и прочие морские суда. Это не означает использование обычного коротковолнового диапазона: чаще всего это связь с военным для использования их в качестве ретрансляторов сигнала и обеспечения связи кораблей из любой точки мира с командованием ВМФ. По проекту было модифицировано три субмарины.

Аналогичное оборудование установлено на воздушном командном пункте - самолёте Ил-80 .

В ВМС США для связи с ПЛ в СДВ диапазоне используется самолёт E-6 Mercury (созданный на базе пассажирского Боинга-707, используются буксируемые антенны длиной 7925 м (основная) и 1219 м (вспомогательная)). Собственно, этот самолёт не является чистым ретранслятором сигналов боевого управления для ПЛАРБ, а служит командным пунктом для управления стратегическими ядерными силами. В состав экипажа, помимо 5 человек, непосредственно управляющих машиной, ещё входит 17 операторов. Правительственный воздушный командный пункт E-4A (на базе Боинга-747) также имеет станцию СДВ и буксируемую трос-антенну длиной около 8 км.

Скрытность

Сеансы связи, особенно со всплытием лодки, нарушают её скрытность, подвергая риску обнаружения и атаки. Поэтому принимаются различные меры, повышающие скрытность лодки, как технического, так и организационного порядка. Так, лодки используют передатчики для передачи коротких импульсов, в которых сжата вся необходимая информация. Также передача может быть осуществлена всплывающим и подвсплывающим буём. Буй может быть оставлен лодкой в определённом месте для передачи данных, которая начинается, когда сама лодка уже покинула район, или нет.

Что за нелепый вопрос? «Как связаться с подводной лодкой»? Взять спутниковый телефон и позвонить. Коммерческие системы спутниковой связи, такие как INMARSAT или «Иридиум», позволяют, не выходя из московского офиса, дозвониться до Антарктиды. Единственный минус – высокая стоимость звонка, впрочем, у Минобороны и Роскосмоса, наверняка, действуют внутренние «корпоративные программы» с солидными скидками…

Действительно, в век Интернета, «Глонасс» и беспроводных систем передачи данных проблема связи с подводными лодками может показаться бессмысленной и не очень остроумной шуткой – какие здесь могут быть проблемы, спустя 120 лет после изобретения радио?

А проблема здесь одна – лодка, в отличие от самолетов и надводных кораблей, движется в глубинах океана и совершенно не реагирует на позывные обычных КВ, УКВ, ДВ-радиостанций — соленая морская вода, являясь превосходным электролитом, надежно глушит любые сигналы.

Ну… если потребуется — лодка может всплыть на перископную глубину, выдвинуть радиоантенну и провести сеанс связи с берегом. Проблема решена?

Увы, не все так просто – современные атомоходы способны месяцами находиться в подводном положении, лишь изредка поднимаясь к поверхности для проведения планового сеанса связи. Основная важность вопроса состоит в надежной передаче информации с берега на подводную лодку: неужели для трансляции важного приказа придется ждать сутки и более – до следующего по графику сеанса связи?

Иными словами, в момент начала ядерной войны подводные ракетоносцы рискуют оказаться бесполезными – в то время, когда на поверхности будут греметь бои, лодки продолжат спокойно выписывать «восьмерки» в глубинах Мирового океана, не подозревая о трагических событиях, происходящий «наверху». А как же наш ответный ядерный удар? Зачем нужны морские ядерные силы, если их невозможно вовремя применить?

Как вообще связаться с притаившейся на морском дне субмариной?

Первый способ довольно логичен и прост, в то же время он весьма сложен в реализации на практике, а дальность действия такой системы оставляет желать лучшего. Речь идет о звукоподводной связи – акустические волны, в отличие от электромагнитных, распространяются в морской среде гораздо лучше, чем по воздуху – скорость звука на глубине 100 метров составляет 1468 м/с!

Остается лишь установить на дне мощные гидрофоны или заряды взрывчатки – серия взрывов с определенным интервалом однозначно покажет подлодкам необходимость всплыть и принять важную шифрограмму по радиосвязи. Способ годится для операций в прибрежной зоне, но «перекричать» Тихий океан уже не получится, в противном случае потребная мощность взрывов превысит все разумные пределы, а образовавшаяся волна-цунами смоет все от Москвы до Нью-Йорка.

Конечно, можно проложить по дну сотни и тысячи километров кабелей – к гидрофонам, установленным в районах наиболее вероятного нахождения стратегических ракетоносцев и многоцелевых атомных подлодок… Но существует ли иное, более надежное и эффективное решение?

Der Goliath. Страх высоты

Обойти законы природы невозможно, но в каждом из правил есть свои исключения. Морская гладь не прозрачна для длинных, средних, коротких и ультракоротких волн. В то же время, сверхдлинные волны, отражаясь от ионосферы, без труда распространяются за горизонтом на тысячи километров и способны проникать в глубины океанов.

Выход найден – система связи на сверхдлинных волнах. И нетривиальная проблема связи с подводными лодками решена! Но почему все радиолюбители и эксперты в области радиотехники сидят с таким унылым выражением лиц?

Зависимость глубины проникновения радиоволн от их частоты VLF (very low frequency) — очень низкие частоты ELF (extremely low frequency) — крайне низкие частоты

Сверхдлинные волны – радиоволны с длиной волны свыше 10 км. В данном случае, нас интересует диапазон очень низких частот (ОНЧ) в пределах от 3 до 30 кГц, т.н. «мириаметровые волны». Даже не пытайтесь искать этот диапазон на ваших радиоприемниках – для работы со сверхдлинными волнами нужны антенны потрясающих размеров, длиной во многие километры – ни одна из гражданских радиостанций не работает в диапазоне «мириаметровых волн».

Чудовищные габариты антенн – вот главная загвоздка на пути создания ОНЧ-радиостанций.

И все же, исследования в данной области проводились еще в первой половине XX века — их результатом стал невероятный Der Goliath («Голиаф»). Очередной представитель немецкого «вундерваффе» — первая в мире сверхдлинноволновая радиостанция, созданная в интересах Кригсмарине. Сигналы «Голиафа» уверенно принимались подлодками в районе мыса Доброй Надежды, при этом, излучаемые супер-передатчиком радиоволны могли проникать в воду на глубину до 30 метров.

Размеры автомобиля в сравнении с опорой «Голиафа»

Вид «Голиафа» потрясает воображение: передающая ОНЧ-антенна состоит из трех зонтичных частей, смонтированных вокруг трех центральных опор высотой 210 метров, углы антенны закреплены на пятнадцати решетчатых мачтах высотой 170 метров. Каждое антенное полотно, в свою очередь, состоит из шести правильных треугольников со стороной 400 ми представляет из себя систему стальных тросов в подвижной алюминиевой оболочке. Натяжение антенного полотна производится 7-тонными противовесами.

Максимальная мощность передатчика – 1,8 Мегаватт. Рабочий диапазон 15 – 60 кГц, длина волн 5000 – 20000 м. Скорость передачи данных – до 300 бит/с.

Монтаж грандиозной радиостанции в пригороде г. Кальбе завершился весной 1943 года. Два года «Голиаф» служил в интересах Кригсмарине, координируя действия «волчьих стай» на просторах Атлантики, до тех пор, пока в апреле 1945 «объект» не был захвачен американскими войсками. Спустя некоторое время местность перешла под управление советской администрации – станцию немедленно разобрали и вывезли в СССР.

Шестьдесят лет немцы гадали, где же русские спрятали «Голиаф». Неужели эти варвары пустили шедевр немецкой конструкторской мысли на гвозди? Тайна открылась в начале XXI века — немецкие газеты вышли с громкими заголовками: «Сенсация! «Голиаф» найден! Станция по-прежнему находится в рабочем состоянии!»

Высоченные мачты «Голиафа» взметнулись ввысь в Кстовском районе Нижегородской области, у поселка Дружный – именно отсюда ведет свое вещание трофейный супер-передатчик. Решение о восстановлении «Голиафа» было принято еще в далеком 1949 году, первый выход в эфир состоялся 27 декабря 1952 года. И вот, уже более 60 лет легендарный «Голиаф» стоит на страже нашего Отечества, обеспечивая связь с идущими под водой подлодками ВМФ, одновременно являясь передатчиком службы точного времени «Бета».

Впечатленные возможностями «Голиафа», советские специалисты не стали останавливаться на достигнутом и развили немецкие идеи. В 1964 году в 7 километрах от города Вилейка (Республика Беларусь) была построена новая, еще более грандиозная радиостанция, более известная, как 43-й узел связи ВМФ.

На сегодняшний день, ОНЧ-радиостанция под Вилейкой, наряду с космодромом Байконур, военно-морской базой в Севастополе, базами на Кавказе и в Средней Азии, входит в число действующих зарубежных военных объектов Российской Федерации. На узле связи «Вилейка» служат порядка 300 офицеров и мичманов ВМФ РФ, не считая вольнонаемных граждан Белоруссии. Юридически, объект не имеет статуса военной базы, а территория радиостанции передана России в безвозмездное пользование до 2020 года.

Главной достопримечательностью 43-го узла связи ВМФ РФ, безусловно, является ОНЧ-радиопередатчик «Антей» (RJH69), созданный по образу и подобию немецкого «Голиафа». Новая станция гораздо крупнее и совершеннее трофейной немецкой аппаратуры: высота центральных опор увеличилась до 305 м, высота боковых решетчатых мачт достигла 270 метров. Помимо передающих антенн, на территории площадью 650 га расположен ряд технических строений, в том числе высокозащищенный подземный бункер.

43-й узел связи ВМФ РФ обеспечивает связь с атомными лодками, несущими боевое дежурство в акваториях Атлантического, Индийского и северной части Тихого океана. Помимо своих основных функций, гигантский антенный комплекс может быть использован в интересах ВВС, РВСН, Космических войск РФ, также «Антей» применяется для ведения радиотехнической разведки и РЭБ и входит в число передатчиков службы точного времени «Бета».

Мощные радиопередатчики «Голиаф» и «Антей» обеспечивают надежную связь на сверхдлинных волнах в Северном полушарии и на большей площади Южного полушария Земли. Но как быть, если районы боевого патрулирования подлодок сместятся в южную Атлантику или в экваториальные широты Тихого океана?

Для особых случаев в составе авиации Военно-Морского Флота имеется специальная техника: самолеты-ретрансляторы Ту-142МР «Орел» (по классификации НАТО Bear-J) — составная часть резервной системы управления морскими ядерными силами.

Созданный в конце 1970-х годов на базе противолодочного самолета Ту-142 (который, в свою очередь, является модификацией стратегического бомбардировщика Т-95), «Орел» отличается от прародителя отсутствием поисковой аппаратуры – взамен на месте первого грузового отсека находится бобина с буксируемой 8600-метровой антенной ОНЧ-радиопередатчика «Фрегат». Помимо сверхдлинноволновой станции, на борту Ту-142МР имеется комплекс аппаратуры связи для работы в обычных диапазонах радиоволн (при этом самолет способен исполнять функции мощного КВ-ретранслятора даже без подъема в воздух). Известно, что по состоянию на начало 2000-х годов несколько машин данного типа все еще числились в составе 3-ей эскадрильи 568-го гв. смешанного авиаполка авиации Тихоокеанского флота.

Разумеется, использование самолетов-ретрансляторов есть не более чем вынужденная (резервная) полумера – в случае реального конфликта Ту-142МР может быть легко перехвачен вражеской авиацией, кроме того, кружащий в определенном квадрате самолет демаскирует подводный ракетоносец и явственно указывает противнику положение субмарины.

Морякам требовалось исключительно надежное средство для своевременного доведения приказов военно-политического руководства страны до командиров атомных подводных лодок, находящихся на боевом патрулировании в любом уголке Мирового океана. В отличие от сверхдлинных волн, проникающих в толщу воды всего на пару десятков метров, новая система связи должна обеспечить надежный прием экстренных сообщений на глубинах 100 и более метров.

Да…перед связистами возникла весьма и весьма нетривиальная техническая задача.

ЗЕВС

…В начале 1990-х годов ученые Стэнфордского университета (Калифорния) опубликовали ряд интригующих заявлений, касающихся исследований в области радиотехники и радиопередачи. Американцы стали свидетелями необычного явления – научная радиоаппаратура, размещенная на всех континентах Земли регулярно, в одно и то же время, фиксирует странные повторяющиеся сигналы на частоте 82 Гц (или, в более привычном для нас формате 0,000082 МГц). Указанная частота относится к диапазону крайне низких частот (КНЧ), в этом случае длина чудовищной волны составляет3658,5 км(четверть диаметра Земли).

16-минутная передача «ЗЕВСА», зафиксированная 08.12.2000 г. в 08:40 UTC

Скорость передачи за один сеанс – три знака каждые 5-15 минут. Сигналы поступают прямо из земной коры – у исследователей возникает мистическое ощущение, будто бы сама планета разговаривает с ними. Мистика – удел средневековых мракобесов, а продвинутые янки сразу догадались, что имеют дело с невероятным КНЧ-передатчиком, размещенным где-то на другом конце Земли. Где? Ясно где – в России. Похоже, эти безумные русские «закоротили» целиком всю планету, используя её в качестве гигантской антенны для передачи зашифрованных сообщений.

Секретный объект «ЗЕВС» расположен в 18 кмюжнее военного аэродрома Североморск-3 (Кольский полуостров). На карте Google Maps хорошо видны две просеки (по диагонали), протянувшиеся через лесотундру на два десятка километров (ряд интернет-источников указывает длину линий в 30 и даже в 60 км). Кроме того, заметны технические задания, сооружения, подъездные пути и дополнительная 10-километровая просека к западу от двух основных линий.

Просеки с «фидерами» (рыбаки сразу догадаются, о чем идет речь), иногда ошибочно принимают за антенны. На самом деле это два гигантских «электрода», через которые прогоняют электрический разряд мощностью в 30 МВт. Антенной является сама планета Земля.

Выбор данного места для установки системы объясняется низкой удельной проводимостью здешнего грунта – при глубине контактных скважин 2-3 километра, электрические импульсы проникают глубоко в недра Земли, пронизывая планету насквозь. Импульсы гигантского КНЧ-генератора отчетливо фиксируются даже научными станциями в Антарктиде.

Представленная схема не лишена своих недостатков – громоздкие размеры и чрезвычайно низкий КПД. Несмотря на колоссальную мощность передатчика, мощность выходного сигнала составляет считанные Ватты. Кроме того, прием столь длинных волн также влечет за собой немалые технические сложности.

Прием сигналов «Зевса» осуществляется подлодками на ходу на глубине до200 метров на буксируемую антенну длиной около одного километра. Ввиду чрезвычайно низкой скорости передачи данных (один байт за несколько минут), система «ЗЕВС» очевидно используется для передачи простейших закодированных сообщений, к примеру: «Подняться к поверхности (выпустить радиобуй) и прослушать сообщение по спутниковой связи».

Ради справедливости стоит отметить, что впервые подобная схема впервые была задумана в США в годы Холодной войны – в 1968 годы был предложен проект секретного объекта ВМС под кодовым именем Sanguine («Оптимистичный») – янки намеревались превратить 40% площади лесов штата Висконсин в гигантский передатчик, состоящий из6000 мильпроложенных под землей кабелей и 100 высокозащищеных бункеров для размещения вспомогательной аппаратуры и генераторов электроэнергии. По задумке создателей, система была способна выдержать ядерный взрыв и обеспечить уверенную трансляцию сигнала о ракетном нападении на все атомные подлодки ВМС США в любом районе Мирового океана.

Американский КНЧ-передатчик (Клэм Лэйк, Висконсин, 1982 год)

В 1977-1984 годах проект был реализован в менее абсурдной форме в виде системы Seafarer («Мореплаватель»), чьи антенны располагались в местечке Клэм Лэйк (шт. Висконсин) и на базе ВВС США «Сойер» (шт. Мичиган). Рабочая частота американской КНЧ-установки – 76 Гц (длина волны 3947,4 км). Мощность передатчика Seafarer – 3 МВт. Система была снята с боевого дежурства в 2004 году.

В настоящее время перспективным направлением для решения проблемы связи с подводными лодками является применение лазеров сине-зеленого спектра (0,42-0,53 мкм) , чье излучение с наименьшими потерями преодолевает водную среду и проникает на глубину до300 метров. Помимо очевидных трудностей с точным позиционированием луча, «камнем преткновения» данной схемы является высокая потребная мощность излучателя. Первый вариант предусматривает использование спутников-ретрансляторов с крупноразмерными отражающими рефлекторами. Вариант без ретранслятора предусматривает наличие на орбите мощного источника энергии – для питания лазера мощностью 10 Вт потребуется энергоустановка с мощностью выше на два порядка.

Самолет управления и связи Boeing E-6 Mercury, элемент резервной системы связи с атомными подводными лодками с баллистическими ракетами (ПЛАРБ) ВМС США

В заключении стоит отметить, что отечественный Военно-Морской Флот – один из двух флотов в мире, обладающий полным комплектом морских ядерных сил. Помимо достаточного количества носителей, ракет и боевых блоков, в нашей стране проводились серьезные исследования в области создания систем связи с подводными лодками, без которых морские СЯС утратили бы свое зловещее значение.

С первых дней существования подводных лодок их эффективность как боевых кораблей была связана с готовностью получать приказы посредством появившегося тогда нового способа передачи сигналов - радио. В 1910 году была установлена первая радиостанция на подводной лодке Балтийского флота. Она позволила осуществить связь подводной лодки в надводном положении с береговой радиостанцией на дальности до 40 миль (1910 год можно назвать годом рождения связи с подводными лодками в России). К концу 1913 года радиостанциями были вооружены 5 подводных лодок Балтийского флота и 2 подводные лодки Черноморского флота. С 1916 года ни один из вступающих в состав флота кораблей без радиоаппаратуры не принимался.

Условно можно выделить четыре этапа в развитии радиосвязи с подводными лодками.

Первый этап - с 1910 года до середины прошлого века. Этот период характеризуется изучением процесса распространения радиоволн в толще воды, организацией научных учреждений и промышленных предприятий, разработкой документов по связи, разработкой средств связи подводных лодок и их серийным выпуском. В 1932 году создается Научно-исследовательский морской институт связи под руководством академика А. Берга. В 1938 году образуется Управление связи Наркомата ВМФ. Тогда же была разработана система радиовооружения флота "Блокада-2", включавшая 7 типов радиопередатчиков и 5 типов радиоприемников. Это были радиосредства длинноволновой и коротковолновой связи.

Радиосвязь с подводными лодками в довоенный период осуществлялась в длинноволновом и коротковолновом диапазонах. Сеансы связи проводились при нахождении подводной лодки в надводном положении, что снижало ее скрытность, как от радиоразведки, так и от визуальных средств наблюдения, хотя и выполнялись эти сеансы преимущественно в темное время суток, в часы зарядки аккумуляторной батареи.

Сокращение времени излучения радиосигналов в эфир и длительности пребывания подводной лодки в надводном или перископном положении при сеансе связи становится главнейшей задачей наряду со своевременной и надежной передачей сигналов и сообщений. Эта задача была успешно решена в период с 1950 до 1970-х годов - на втором этапе развития связи с подводными лодками. В середине 1950-х годов была принята доктрина создания океанского ракетно-ядерного флота. Важное место в ней отводилось развитию средств связи с подводными лодками. В декабре 1955 года было принято постановление Совета Министров СССР "О мероприятиях по обеспечению связи с подводными лодками", предусматривающее строительство 177 объектов, включающих командные пункты, радиоцентры ВМФ, а также ВВС и ПВО флотов. Та система связи ВМФ, которая существует сейчас, во многом является результатом выполнения постановления правительства 1955 года.

К этому времени относится строительство основных коротковолновых радиоцентров, разработка и оснащение подводных лодок мощными коротковолновыми передатчиками, аппаратурой сверхбыстродействующей связи (СБД), антенной "Рамка" и буксируемым антенным устройством "Параван". Так была выполнена государственная задача по управлению подводными лодками в подводном положении и повышению скрытности их действий. Глубина погружения подводной лодки при приеме сигналов составляла 50 метров, время передачи одного сообщения - 0,7 секунды.

Эволюционное развитие подводных лодок выдвинуло дополнительные требования к системе связи ВМФ по скрытности, достоверности, надежности. Эти задачи решались на 3-м этапе развития (середина 1970 - середина 1990-х годов). К этому периоду относится строительство самой мощной СДВ радиостанции "Геракл", навигационно-связной спутниковой системы "Парус" и автоматизированных линий связи.

Требования по уменьшению численности личного состава экипажей подводных лодок и снижению массогабаритных характеристик средств связи определили необходимость создания автоматизированных комплексов связи. Первый отечественный автоматизированный комплекс связи подводных лодок был принят на вооружение в 1972 году, а его модернизированный вариант - в 1974 году. Оба комплекса были установлены на подводных лодках Северного флота. Неоценимый вклад в развитие связи с подводными лодками внес созданный в 1978 году научный совет при Президиуме АН СССР по комплексной проблеме "Радиофизические методы исследования морей и океанов". Им руководил вице-президентом АН СССР академик В. Котельников. Совет сумел организовать исследования с привлечением ведущих научно-исследовательских организаций страны по широкому кругу проблем связи с подводными лодками. Сегодня работой этого совета руководит академик Е. Велихов.

Дальнейшего сокращения времени доведения сигналов боевого управления, в первую очередь до морских стратегических ядерных сил, можно было обеспечить за счет организации бессеансной связи с подводными лодками. Реальные шаги в этом направлении были сделаны с помощью кабельных буксируемых антенных устройств. Первая модификация такой антенны была принята на вооружение в 1980 году, она позволила непрерывную буксировку на малых скоростях хода и обеспечила радиоприем в сверхдлинноволновом диапазоне. Последующие модификации этой антенны расширяли ее возможности. Были проведены испытания по приему сигналов навигационно-связной спутниковой системы "Парус". Для освоения сверхнизкочастотного диапазона передачи сигналов на глубокопогруженные подводные лодки в 1985 году вступил в строй экспериментальный центр дальней связи на сверхнизких частотах на Кольском полуострове. Результатом третьего этапа развития явилось создание глобальной системы связи с подводными лодками, обеспечивающей решение боевых задач в любой точке Мирового океана.

Сейчас мы находимся на четвертом этапе развития системы связи с подводными лодками. Его первоочередными задачами в развитии связи с подводными лодками являются:

• освоение диапазона крайне низких частот для достижения больших глубин связи
• дальнейшая модернизация сверхдлинноволновой связи ВМФ
• внедрение достигнутых методов помехозащиты в коротковолновую связь ВМФ
• создание цифровых каналов связи ВМФ
• создание перспективных комплексов гидроакустической связи и поиск путей реализации нетрадиционных способов, каналов и видов связи
• создание и оснащение подводных лодок эффективными средствами аварийной связи. Пример - всплывающее аварийное информационное устройство системы "КОСПАС-САР-САТ" "Надежда".

Однако по мере развития подводного флота все больше и больше требовалось находиться под водой. С появлением атомных подводных субмарин проблема связи стала особенно острой. Ведь эти лодки могли скрытно уже месяцами находиться под водой. Всплытие для сеанса связи грозило обнаружением противником — как по источнику радиосигнала, так и по фото с самолетов и спутников.

Потребовалось кардинальным образом усовершенствовать . Так, чтобы связь была надежной и при этом не позволяла легко обнаруживать себя под водой.

За дело взялись ученые и военные специалисты. Было предложено несколько способов для осуществления связи без необходимости всплытия. Коснемся только тех моментов, которые находятся в свободных источниках информации, т. е. не являются засекреченными. Точнее, их принципы доступны для обсуждения и гражданскими лицами, хотя детальных сведений не найти.
Фото: Depositphotos

Сначала поговорим о более простом и относительно дешевом акустическом способе связи . Он почти одновременно появился как в США, так и в Советском Союзе. Суть способа в том, что по дну моря прокладывался особый кабель в районе, который «контролировался» . В водной среде звук распространяется довольно далеко. Находясь сравнительно далеко от кабеля, экипаж лодки мог, тем не менее, иметь надежную связь со своей базой с помощью усовершенствованных чувствительных гидрофонов. Кодированные сообщения имели только один минус — разведка противника могла найти ключ к коду.

Было замечено, что радиоволны низкой частоты (3−30 кГц) проникают в морскую воду на глубину до 20 метров. Появилась идея воспользоваться этим без полного всплытия лодки. Находясь в подводном состоянии на довольно большой глубине, экипаж выпускал из лодки радиобуй. Он всплывал выше, но до поверхности не доходил примерно 15−18 метров. Таким образом, лодка оставалась малозаметной в толще воды, но могла иметь радиосвязь на низкой частоте.

Но и этот метод со временем стал непригоден. Технически лодка с выпущенным буем должна была находиться на строго заданной глубине, чтобы буй не покидал 20-метровую верхнюю толщу воды. А это вынуждало снизить подводную скорость.

Чрезвычайно низкие частоты (3−300 Гц) дают возможность проникать сигналам в морскую воду на очень большие глубины (порядка нескольких сотен метров). Казалось бы, найден идеальный способ для подводной связи. Но его особенность в том, что на таких частотах нужны очень большие антенны — длиной в три с лишним тысячи метров! Ошибки нет. Именно при таких размерах возможно подать сигнал с антенны на сверхнизких частотах.

Как выход из ситуации было предложено использовать пробуренные скважины на суше с металлическими проводниками такой длины. Для подачи сигнала на столь громадные антенны потребовались отдельно работающие мощные электростанции. Передатчики с грандиозными антеннами появились только в СССР, США и в Индии. Но они малоэффективны, поскольку скорость передачи крайне низкая (один-два знака в минуту).

Понятное дело, что на подлодках возможно иметь только приемник на такие частоты. Стало быть, о двусторонней связи не может быть и речи. Можно лишь за очень длительное время передать с суши что-то очень короткое. Например, требование всплыть для связи другими способами.

Уж сколько лет военные мечтают получить рассредоточенные подводные системы наблюдения и вооружения, объединенные в беспроводную сеть, но эти мечты столь же желанны, сколь и неуловимы… За прошедшее десятилетие развертывание воздушных и космических радиочастотных и оптико-электронных систем связи сделало глобальный, широкополосный, сетевой коммуникационный обмен реальностью для коммерческих и военных систем.

Рассмотрим решения, позволяющие расширить эту инфраструктуру связи на подводный мир, полностью интегрировать в нее военные подводные платформы и системы и, как следствие, повысить их боевую эффективность. Бурное развитие коммуникационной и сетевой инфраструктуры в мире, стремительный рост ее производительности определяется гражданскими и военными потребностями. Этому не в малой степени содействуют такие военные системы, как например, дистанционно управляемые беспилотные воздушные и наземные платформы, способные теперь выполнять задачи, которые в прошлом могли выполнять только обитаемые платформы.

Для многих подобных задач, если не для большинства, контроль оператора в реальном времени является основой их успешного выполнения, это касается в первую очередь подтверждения цели и разрешения на применение вооружения. Как пример, сегодняшние операции БЛА PREDATOR, демонстрирующие эффективность этих быстро развивающихся систем. Подобное повышение эффективности и практической востребованности необходимо и в подводном царстве.

Во время учебного погружения старший матрос канадского флота инструктирует старшего матроса из Ямайки и мичмана с острова Сент-Китс

Несмотря на тот факт, что Голливуд пытается убедить нас, что связь под водой является простым делом (если учитывать современные реалии, то сценарии к таким фильмам как «Охота за Красным октябрем» и «Багровый прилив» были бы существенно более сложными), звуковые волны в воде подчиняются совершенно другому своду физических законов. Изменения температуры, плотности и солености воды могут изменять путь звуковых волн, изменять распространение звука и даже менять фундаментальные характеристики звука. Фоновый «шум» может создавать помехи корректной интерпретации звука («признаки жизнедеятельности», которые операторы гидроакустических станций подводных лодок должны идентифицировать при поиске искусственных подводных объектов), а погодные условия над поверхностью моря могут оказывать негативное влияние на связь на мелководье. В итоге связь под водой остается проблемой проблем.

Это не останавливает легионы ученых и промышленников, пытающихся решить эту проблему. Одни расширяют и углубляют испытанные и проверенные теории, другие прощупывают нечто еще более инновационное, что некоторые отчаянные оптимисты называют идеями.

Привязной буй спутниковой УВЧ-связи или спутников Iridium;
В воде: привязной буй УВЧ одноразового применения, привязной буй Iridium одноразового применения, буй - акустико-радиочастотный шлюз (БАРШ);
Оборудование радиорубки: - контроллер данных Iridium, контроллер БАРШ, контроллер модема Iridium; отсек запуска, блок интерфейса буев;
Воздушное оборудование: - контроллер БАРШ, БАРШ воздушного запуска;
Береговое оборудование и приложения: контроллер данных Iridium, сертифицированное междоменное решение, засекреченный веб-портал БАРШ, незасекреченный веб-портал БАРШ

Как человек человеку

В военном подводном мире использование водолазов для скрытных операций разведки и (или) расчистки от мин и препятствий занимает важное место в иерархии оперативных потребностей. Специальные силы, водолазы групп разминирования и групп по их установке - всем им необходимо действовать тихо, незаметно и безопасно в прибрежных водах или на мелководье, зачастую в неидеальных условиях и под влиянием сильного стресса. Эффективная и мгновенная связь стоит в числе приоритетов у подобных групп, но выбор имеющихся вариантов до некоторой степени ограничен.

Язык знаков и «дерганье веревки» ограничены пределами видимости и необходимостью использовать ограниченный набор слов. Использование факелов для передачи простых сигналов имело некоторый успех, но последствия, связанные с тем, что их свет виден с берега при проведении тайных операций, могут стать роковыми для их участников и поэтому подобная методика не рассматривается в качестве безопасной для военных операций. Использование акустических генераторов имеет те же самые недостатки, связанные с ограниченным словарным запасом и потенциально высокой вероятностью обнаружения, и поэтому также вычеркивается из списка.

Непосредственная связь между двумя абонентами в виде беспроводных ультразвуковых систем становится все более привлекательным решением для групп ныряльщиков. Вода - это среда с хорошей электропроводностью (а соленая вода даже с еще лучшей) и радиоволны в силу своей электромагнитной природы очень трудно распространяются сквозь нее. Впрочем, ультразвук представляет собой волны, инициируемые скорее механическим, чем электромагнитным образом (хотя он инициируется за счет использования пьезоэлектрических материалов) и, таким образом, преодолевает одно из самых жестких физических ограничений, влияющих на звуковой образ ныряльщика.

Звук распространяется в воде в 4,5 раза быстрее, чем в воздухе (еще быстрее в соленой воде), что, предоставляя некоторые оперативные преимущества для скрытных операций, при этом требует некоей умственной настройки и перестройки со стороны водолазов с тем, чтобы компенсировать желания мозга связать звуки и дистанции прохождения с их «обычным» воздушным пространством. Это еще одна причина, почему подводная связь между отдельными лицами, по крайней мере, профессионалами, стремится быть как можно более краткой и сжатой.

Впрочем, потребность в надежной связи быстро растет, и это касается не только военной сферы, но также быстро развивающейся подводной деятельности - мониторинг окружающей среды, защита объектов, археология и любительские погружения. Применение патентованных алгоритмов и технологий, известных под общим термином DSPComm (Digital Spread Spectrum - цифровой расширенный спектр), в последние годы получило широкое распространение, позволив получить инновационные, экономичные и, прежде всего, более надежные сетевые решения по сравнению с теми, что мы имели раньше.

1. После запуска прочный фал развертывается с поднимающегося корпуса
2. Срабатывает механизм освобождения поднимающегося корпуса и корпус извлекается из поверхностного модуля
3. Поднимающийся корпус переходит к всплытию и начинает разматывать оптический кабель при всплытии модуля на поверхность
4. Первая стадия механизма наддува активирует выталкивающий носовой конус и поплавок из корпуса буя
5. Вторая стадия механизм наддува надувает поверхностный поплавок до рабочей конфигурации
6. Рабочая конфигурация. Оптический кабель по мере удаления подлодки от точки запуска буя разматывается как из поверхностного модуля, так и из поднимающегося корпуса

Военные условия

Впрочем, в последние годы произошел существенный прогресс в нашем понимании и в нашей реакции на особенности подводного мира, особенно когда речь идет о боевой эффективности. В 2014 году центр НАТО по морским исследованиям и разработкам (STO CMRE) организовал в Италии трехдневную конференцию по подводной связи. В преамбуле конференции CMRE говорится:

«Подводные коммуникационные технологии совершенствовались не только с развитием продвинутых методик когерентной модуляции, демодуляции, кодирования и декодирования, но также в процессе перехода от двухточечных соединений к многоскачковым специализированным сетям. На более высоких уровнях пакетной связи произошел значительный прогресс в развитии сетей передачи данных, MAС (подуровень управления доступом к среде), маршрутизации и других протоколов с целью установления эффективной и надежной связи. Становится также ясным, что подводные диапазон частот ограничен так, что никогда не будет «универсального» решения, поэтому системам связи необходимо будет самим адаптивно реконфигурироваться к меняющейся сетевой топологии, среде и приложению. Это приводит к интеллектуальным программируемым модемам с высокой надежностью установления связи на разных уровнях ».

«Резко контрастируя с успешной моделью, принятой в радиочастотной сфере для систем сотовой связи или беспроводных сетей WiFi, сообщество подводной связи не имеет цифровых стандартов, определяющих модуляцию, параметры кодирования или доступ к среде и протоколы маршрутизации. Как результат, каждый производитель модемов разработал собственные патентованные схемы и модемы, как правило, не способные установить связь с системами другого производителя. В настоящее время развитие модемов необходимо направлять по пути интеграции гораздо более сложных протоколов, включая MAC и маршрутизацию, таким образом, решая имеющуюся на физическом уровне проблему. Если мы хотим достигнуть совместимости, мы должны иметь, по меньшей мере, несколько реальных стандартов модуляции, кодирования и других протоколов, которые более чем один модем может распознать ».

Очевидный вывод, заключающийся в том, что подводная среда представляет проблему, насколько это касается стандартизации, привел к согласованному мнению о том, что в связи с высокой стоимостью проведения экспериментов в море самый разумный подход заключается в использовании методик моделирования и имитации с целью разработки приемлемых моделей для дальнейшего развития. Это внесет некоторую задержку по времени, но, пожалуй, она будет меньше, если пытаться разрабатывать новые системы на основе устаревших и принять итерационную модель разработки. Время пришло, конечно, для более радикального подхода, который, по всей видимости, и поддержал центр CMRE.

И этот радикальный подход просматривается в недавних запросах предложений Управления перспективных оборонных исследований DARPA касательно возможностей и систем подводной связи совершенно нового поколения. В запросе, в котором рассматриваются независимые беспроводные сетевые системы как связи, так и вооружения, сказано: «В прошедшем десятилетии развертывание воздушных и космических радиочастотных и оптико-электронных коммуникационных систем сделало глобальную, всепроникающую, сетевую, широкополосную связь реальностью для гражданских и военных платформ. С целью полной интеграции военных подводных платформ и систем и повышения их боевой эффективности DARPA ищет решения, расширяющие эту инфраструктуру связи на подводную среду».

Возможности, которые DARPA требует от новых систем, включают:

Целеуказание и разрешение на применение вооружения третьих сторон для развертываемых впереди подводных платформ и систем;

Передача с воздушных и космических сетей на подводные платформы в реальном времени и с высокой скоростью данных слежения за обстановкой;

Передача сенсорных данных и данных слежения за обстановкой с подводных сенсоров и платформ на тактические воздушные и космические сети;

Подводная сетевая инфраструктура для поддержки операций в обширных районах посредством мобильных и стационарных платформ, сенсоров и систем, например безэкипажных подводных аппаратов, действующих с подлодок, которые все объединены в сеть с тактическими и стратегическими пространством и сетями; и

Автономная, рассчитанная на работу в сетевой среде, обработка данных сенсоров, например, распределенных пассивных и активных гидроакустических станций.

В прошедшее десятилетие американский флот финансировал программу Deep Siren как важнейшую технологию своей системы связи Undersea FORCENET первого поколения. Разработанная компанией Raytheon в сотрудничестве с RRK Technologies и Ultra Electronics, Deep Siren позволяет подлодкам в погруженном положении поддерживать связь с воздушными платформами, надводными судами, другими субмаринами и спутниками за счет использования акустических буев одноразового применения независимо от скорости или глубины погружения подлодки. Гибкая и адаптирующаяся система Deep Siren с высоким уровнем помехозащищенности, способная работать в широком диапазоне акустических сред, продемонстрировала свою эффективность даже в условиях Арктики.

Аппаратура системы Deep Siren

Реализация связи между подлодками в 21 веке

Подводные лодки ограничены в общении с поверхностью односторонними сообщениями, передаваемыми на очень низких скоростях на крайне низких частотах (КНЧ, 3-3000 Гц) или очень низких частотах (ОНЧ, 3000-30000 Гц). Для того чтобы лодка смогла ответить, или в случае необходимости связи не буквенно-цифрового типа, она должна всплыть на поверхность или хотя бы на перископную глубину (18 метров), чтобы поднять антенну над водой.

Программа компании Lockheed Martin под названием Communications at Speed and Depth (CSD) позволяет малозаметным подлодкам подсоединяться к Глобальной информационной сети министерства обороны США как любому другому кораблю флота. Оснащение подлодок американского флота одноразовыми высокотехнологичными коммуникационными буями позволят вести двухсторонний обмен данными и речевыми и почтовыми сообщениями в реальном времени.

Еще до недавнего времени крупные антенны диапазонов КНЧ и ОНЧ считались современным решением обеспечения связи между «стелс»-подлодками. В рамках программы по исследованию высокочастотной активности верхних слоев атмосферы High Frequency Active Auroral Research были протестированы способы использования верхних слоев атмосферы в качестве замены антенн. Оказалась, что можно возбуждать ионосферу высокочастотными радиоволнами, тем самым, заставляя ее излучать волны с очень низкой частотой, необходимые для скрытного прохождения сквозь соленую воду.

Недавние исследования в области подводных коммуникаций были направлены на диапазоны более высоких частот в более компактных устройствах. Система Seadeep от компании Qinetiq позволяет наладить двустороннюю связь с американскими подлодками с использованием сине-зеленых лазеров, устанавливаемых на воздушных платформах. Проект Deep Siren компании Raytheon представляет собой набор одноразовых буев персонального вызова, которые могут передавать сообщения со спутников на подлодки акустическим способом (звук закодированного сигнала напоминает трели сверчков), но только в одном направлении.

Communication at Speed and Depth стала первой системой двусторонней подводной связи для подводных лодок. Точная глубина, на которой подлодки смогут развертывать буи засекречена, но в компании Lockheed Martin утверждают, что кабели буев измеряются милями. Этого вполне достаточно, чтобы субмарина могла выпустить буй на значительной глубине и продолжить движение на обычных эксплуатационных скоростях для выполнения боевой задачи.

Компания Lockheed Martin с двумя субподрядчиками Ultra Electronics Ocean Systems и Erapsco разработала три специальных буя. Два из них привязываются к подлодке и взаимодействуют с ней помощью оптоволоконного кабеля. Один из них несет оборудование для связи со спутниковой группировкой Iridium, а второй - для связи на сверхвысоких частотах. Третий буй - свободноплавающий акустическо-радиочастотный. Он может быть сброшен с воздуха или даже спущен через устройство удаления отходов. Батареи привязных буев работают до 30 минут и после их разряда самостоятельно затапливаются. Непривязанные буи рассчитаны на трехдневное развертывание.

1. БАРШ с комплектом TDU выбрасывается из TDU (устройство удаления отходов), основной балласт ускоряет процесс выброса буя
2. БАРШ вращается и основной балласт отделяется от буя
3. БАРШ погружается
4. Вспомогательный балласт выпускается на заданную глубину или через заданное время. БАРШ становится положительно плавучим и всплывает
5. БАРШ с комплектом TDU всплывает на поверхность. Время после запуска может занять несколько минут в зависимости глубины выброса и скорости
6. Поплавок БУРШ надувается и извлекает чехол с парашютом. Выпуск чехла освобождает комплект TDU из корпуса БАРШ
7. БАРШ начинает стандартную последовательность развертывания. Комплект TDU выполняет последовательность затопления
8. Буй начинает работать как акустическо-радиочастотный шлюз

Безопасность - забота не только военных

Параллельно с разработками в области военной подводной связи большое внимание уделяется улучшению понимания и, следовательно, более рациональной эксплуатации подводной среды в более мирных целях. Такие ведомства, как Национальное управление по проблемам океана и атмосферы (NOAA), уже используют акустические генераторы и процессоры для передачи данных, что помогает спрогнозировать и смягчить возможное влияние морских явлений, например цунами и ураганов. Исследователи из Университета города Буффало в настоящее время всерьез занимаются поиском альтернатив традиционной модели, в которой погружные сенсоры передают данные посредством акустических методов на надводные буи, где звуковые волны конвертируются в радиоволны для последующей передачи, как правило, через спутник, на наземные сети. Эта парадигма - в настоящее время практически используемая повсеместно - неэкономична и зачастую склонна к проблемам, связанным с несовместимостью интерфейсов и отсутствием возможности взаимодействия.

Ответ здесь кажется очевидным - создание подводного Интернета. При финансировании Национального научного фонда группа из Университета Буффало проводит эксперименты с проектами сенсорных/приемопередающих станций, которые дадут реальные сетевые возможности под водой, хотя необходимо полностью решить проблемы, связанные с полосами частот и большой пропускной мощностью. Основная проблема заключается, впрочем, в том, что работы, проводимые в этой области, весьма серьезно повлияют на вопросы безопасности. При росте населения, живущего в прибрежных районах, и еще больших темпах роста трафика морских торговых судов, океаны становятся еще более важным и уязвимым аспектом национальной и региональной безопасности - и проблема здесь не ограничивается правительствами.

Все большее распространение роботизированных систем, как надводных судов, так и подводных аппаратов, обеспечивающих безопасность в гаванях, буровых вышек на шельфе и важных береговых объектов, например транспортных развязок и электростанций, привело к быстрому повышению спроса на безопасную связь, особенно на связь с большими объемами передачи данных. Эксплуатация высокоскоростных подводных сетей поможет существенно упростить некоторые логистические проблемы, перед которыми стоят флоты и структуры по обеспечению морской безопасности многих стран.

Одни акустические системы, однако, вряд ли дадут долгосрочное решение, соответствующее потребностям подводной связи. Хотя они могут предоставлять эту услугу на значительные дальности, но их принципиальный недостаток связан с низкой скоростью передачи данных и большими задержками. В связи с этим знаменитый Вудсхоулский океанографический институт в настоящее время взялся за работы над оптическими коммуникационными системами, которые теоретически смогут преодолеть эти ограничения.

Институт уже успешно продемонстрировал устойчивую и надежную связь на скоростях до 10 Мбит/с с использованием простых автоматических систем, устанавливаемых на глубине. Потенциальное влияние этой технологии весьма заметно, например, в том, что привязные дистанционно управляемые аппараты, в настоящее время используемые при обслуживании буровых вышек, могут быть заменены простыми системами (даже одноразовыми) с питанием от батарей, что, таким образом, существенно снижает расходы.

Поскольку продовольственная безопасность становится в нынешнем столетии главной проблемой государства и большое внимание уделяется морским фермерским хозяйствам, как частичному ее решению, то потребность в надежной и безопасной связи между роботизированными фермами и надводной администрацией в полной мере должно стать основной заботой этого самого государства. Что касается перспектив морского применения, то оптические коммуникационные системы под водой предлагают громадное преимущество, имея высокую устойчивость к глушению или внешнему вмешательству. Как следствие, значительно повышается уровень безопасности связи - преимущество, которое компания QinetiQ North America активно использует исходя из своего 15 летнего опыта в этой области.

Кажется, что нет неразрешимых проблем, когда дело касается научной изобретательности. Использование опыта, полученного на земле и в воздухе, в подводном мире, использование существующих технологий, например оптической связи, и разработка специальных алгоритмов, - всё это, чтобы принять во внимание и использовать уникальные характеристики морской среды. По всей видимости, мир подводной связи ожидает значительный подъем интереса со стороны структур обеспечения безопасности на море и научного сообщества, а также вооруженных сил многих стран. Проблем конечно масса, они варьируются от сложностей достижения высокой скорости передачи данных посредством акустических средств связи и до ограниченного диапазона оптических систем, работающих под поверхностью воды. Впрочем, перспективы блестящи, учитывая выделяемые на решение проблемы ресурсы, включая финансовые. И это несмотря на то, что мы живем в век финансового аскетизма научно-исследовательской сферы. Таким образом, нас ждет интересная история… возможно.

/Alex Alexeev, topwar.ru /