Почему невозможно радиосвязь между подводными лодками

Как организована связь на подводных лодках?

Длительное время проблемы со связью с подводными лодками не существовало — использовали обычную радиосвязь. Сами лодки почти не опускались под воду, так как могли это сделать только в случае встречи с кораблями противника. Но под водой они значительно теряли скорость. Кроме того, проще было на короткое время уйти под воду, чтобы проплыть под кораблями.

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 средства связи. 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, не являются засекреченными. Точнее, их принципы доступны для обсуждения и гражданскими лицами, хотя детальных сведений не найти. Российская подводная лодка
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» подводными лодками. 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.

Почему нельзя осуществлять радиосвязь между подводными лодками?

Радио — это один из видов беспроводной связи, в нем носителем сигнала является радиоволна, которая широко распространяется на расстоянии. Есть мнение, что нельзя передавать радиосигналы под водой. Попробуем разобраться, почему нельзя осуществлять радиосвязь между подводными лодками, и так ли это на самом деле.

Как работает радио связь между подводными лодками:

Распространение радио волн осуществляется по такому принципу: тот, кто передает сигнал, с определенной частотой и мощностью, устанавливает радиоволну. После чего, отосланный сигнал модулирует на высокочастотное колебание. Подхваченный модулированный сигнал исходит специальной антенной на определенные расстояния. Там где получают сигнал радиоволны, к антенне устремляют модулированный сигнал, который сначала отфильтровывается и демодулируется. И только потом мы можем получить сигнал, с некой различаемостью с сигналом, тем, что был передан изначально.
Радиоволны с самым низким диапазоном (ОНЧ, VLF, 3—30 кГц) без проблем пробиваются сквозь морскую воду, до 20 метровой глубины.

Например, подводная лодка, которая находится не так уж глубоко под водой, смогла бы применить этот диапазон для установки и поддержания связи с экипажем. А если мы возьмем подводную лодку, но находящуюся на много глубже под водой, и у нее будет длинный кабель, на котором прикреплен буй с антенной, то она тоже сможет использовать этот диапазон. За счет того что буй установлен на глубине нескольких метров, да еще и имеет маленькие габариты, его очень проблематично отыскать сонарами врагов. «Голиаф», является одним из первых ОНЧ-передатчиков, сооруженный во времена Второй Мировой (1943 г.) в Германии , после окончания войны был переправлен в СССР, а в 1949—1952 годах реанимирован в Нижегородской области и используется там по сей день.

Аэрофотография КНЧ-передатчика (Клэм Лэйк, Висконсин, 1982)

Радиоволны самой низкой частоты (КНЧ, ELF, до 3 кГц) с легкостью проникают сквозь Земную кору и моря. Создание КНЧ-передатчика — из-за громадной длинны волн, ужасно трудная задача.К примеру советская система «ЗЕВС» вырабатывает частоту 82 Гц (длина волны — 3658,5 км) ,а американская «Seafarer» — 76 Гц (длина волны — 3947,4 км) . Их волны соизмеримыс радиусом Земли. От сюда мы видим, что возведение дипольной антенны в половину длины волны (протяжённостью ≈ 2000 км) — недостижимая на текущем этапе цель.

Подводя итоги всему, что было сказано выше, нам необходимо отыскать такую часть земной поверхности, которая будет характеризоваться относительно низкой проводимостью, и присоединить к ней 2 гигантских электрода, которые бы располагались на расстоянии 60 километров относительно друг друга.

Так как нам известна удельная проводимость Земли по части электродов удовлетворительно находится на низком уровне, таким образом, электрический ток между электродами проникал бы фундаментально в глубь недров нашей планеты, применяя их как элемент гигантской антенны. Нужно заметить, что первоисточником необыкновенно высочайших технических трудностей такой антенны, лишь у СССР и США числились КНЧ-передатчики.

Как происходит радиосвязь земли с подводными лодками?

Связь с подводными лодками, когда они находятся в погружённом состоянии — достаточно серьёзная техническая задача. Основная проблема состоит в том, что электромагнитные волны с частотами, использующимися в традиционной радиосвязи, сильно ослабляются при прохождении через толстый слой проводящего материала, которым является солёная вода.

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.

Находясь на перископной глубине, лодка может поднять тот самый перископ и использовать для радиосвязи установленные на нём антенны. Проблема в том, что подобный перископ, увешанный антеннами, будет отлично выдавать лодку, так как может быть обнаружен самыми разными радарами противника. Интересно, что перископы современных лодок в надводной их части стараются делать малозаметными (по технологии, так сказать, “Стелс”). Более того, стараются максимально сократить время присутствия перископа над водой: например, перископ может подниматься, выполнять очень быстрое сканирование горизонта, передавать, используя специальный тип сигналов, короткие сообщения через спутник и тут же прятаться обратно, под воду.

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

Акустическая передача

Звук может распространяться в воде достаточно далеко, и подводные громкоговорители и гидрофоны могут использоваться для связи. Во всяком случае, военно-морские силы и СССР, и США устанавливали акустическое оборудование на морском дне областей, которые часто посещались подводными лодками, и соединяли их подводными кабелями с наземными станциями связи.

Односторонняя связь в погруженном положении возможна путем использования взрывов. Серии взрывов, следующих через определенные промежутки времени распространяются по подводному звуковому каналу и принимаются гидроакустиком.

Радиосвязь в диапазоне очень низких частот

Радиоволны очень низкого диапазона (ОНЧ, VLF, 3—30 кГц) могут проникать в морскую воду на глубины до 20 метров. Значит, подводная лодка, находящаяся на небольшой глубине, может использовать этот диапазон для связи. Даже 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 обнаруживается сонарами противника. Один из первых ОНЧ-передатчиков, «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.

Радиоволны крайне низкой частоты (КНЧ, ELF, до 3 кГц) легко проходят сквозь Землю и морскую воду. Строительство КНЧ-передатчика — чрезвычайно сложная задача из-за огромной длины волны. Советская система «ЗЕВС» работает на частоте 82 Гц (длина волны — 3658,5 км), американская «Seafarer» (англ. мореплаватель) — 76 Гц (длина волны — 3947,4 км). Длина волны в этих передатчиках сравнима с радиусом Земли. Очевидно, что постройка дипольной антенны в половину длины волны (протяжённостью ≈ 2000 км) — нереальная на данный момент задача.

Вместо этого следует найти область Земли с достаточно низкой удельной проводимостью и вогнать в неё 2 огромных электрода на расстоянии порядка 60 км друг от друга. Поскольку удельная проводимость Земли в области электродов достаточно низкая, электрический ток между электродами будет проникать глубоко в недра Земли, используя их как часть огромной антенны. По причине крайне высокой технической сложности такой антенны, только СССР и США имели КНЧ-передатчики.

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 cпутником связи. В США подобная система связи называется «спутниковая подсистема обмена информацией с подводными лодками» (англ. Submarine Satellite Information Exchange Sub-System, SSIXS), часть морской системы спутниковой связи на ультравысоких частотах (англ. Navy Ultra High Frequency Satellite Communications System, UHF SATCOM).

Вспомогательные подводные лодки

В 1970-х годах в СССР был разработан проект модификации подводных лодок проекта 629 для использования их в качестве ретрансляторов сигнала и обеспечения связи кораблей из любой точки мира с командованием ВМФ. По проекту было модифицировано три субмарины.

Самолёты

Находясь на небольшой глубине, лодка может принимать радиоволны не высокой частоты (например ”короткие волны”) – они проникают на некоторую глубину под поверхность воды. При этом, в общем случае, радиоволны с более низкими частотами проникают несколько глубже под поверхность воды. Именно таким образом возможен приём сообщений с самолётов

Скрытность

Сеансы связи, особенно со всплытием лодки, нарушают ее 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 определенном месте для передачи данных, которая стартует, когда сама лодка уже покинула район.

Нейтринные коммуникации: как решают проблемы со связью подлодок

Свободно движутся сквозь воду лишь волны частотой несколько герц и длиной в десятки и сотни тысяч километров. Однако генерация таких сверхдлинных радиоволн требует огромной энергии, и каждая станция связи, способная использовать крайне низкие частоты, – чрезвычайно сложный и дорогостоящий проект, большинству стран либо не слишком нужный, либо вовсе непосильный. Насколько известно, подобные системы применяются лишь российским («Зевс») и американским (Seafarer) «подплавом».

При этом для принятия сигнала субмарина должна выбросить магнитную антенну достаточной длины и буксировать ее, снижая свою невидимость. Эффективность такой связи невысока: с помощью медленно колеблющихся волн возможно передавать в минуту не больше пары бит данных.

Для полноценных коммуникаций приходится использовать более короткие радиоволны диапазона очень низких частот. Они способны проникать на глубину примерно 20 м, позволяя подводникам оставаться под водой, ограничиться более короткими антеннами и увеличить пропускную способность примерно до 50 бит/с. С излучением такого сигнала справляются не только циклопические радиостанции, но и, например, специализированные командные самолеты с буксируемыми тросами-антеннами длиной до нескольких километров. Все эти сложности возникают из самой природы электромагнитных колебаний и, кажется, в принципе непреодолимы.

Новые источники

Ученые не оставляют попыток наладить принципиально новый канал связи с подводными аппаратами, в котором роль радиосигнала отводится модулированному пучку нейтрино. Эти частицы не несут заряда, почти ничего не весят и свободно проходят сквозь самую плотную среду. Нередко упоминается, что нейтрино способен пролететь насквозь слой свинца толщиной в тысячу световых лет. Тем более не помеха для них километры океанских глубин. Потоки нейтрино прилетают к нам от Солнца, из далекого космоса, и продолжают свое путешествие, ничего не замечая. Лишь редчайшие из них, столкнувшись с частицами атомного ядра, оставляют хоть какие-то следы своего визита, – и в этом случае их удается детектировать.

В получении узконаправленных потоков нейтрино особых затруднений нет: для этого существуют синхротроны. Разогнав пучок протонов и направив его в мишень, можно получить целый «душ» мезонов, быстрых и короткоживущих частиц, которые через долю секунды распадаются с образованием узкого, коллимированного пучка мюонных нейтрино. Такой излучатель способен обеспечить передачу сигнала в любую точку планеты, просто просвечивая ее насквозь и пересылая в минуту уже целые десятки байт.

Прием и передача

Уловить нейтрино непросто, но отдельные частицы из потока все-таки можно зарегистрировать и с подлодки. Для этого корпус можно покрыть тонкой металлизированной оболочкой, превратив его в многометровый детектор. Еще перспективнее оснастить судно датчиками черенковского излучения, которое создают некоторые нейтрино, пролетая сквозь воду. Этот подход намного увеличивает размеры принимающей «антенны»: вспышки можно обнаруживать с расстояния до нескольких километров, а искусственный интеллект наверняка поможет выделить нужный сигнал из естественного светового шума океана.

В 2012 году нейтринная связь была продемонстрирована на практике. Используя источник Fermilab NuMI, физики передали сигнал на расположенный в километре от него детектор MINERvA, экранированный 210 м скальной породы. Первым словом было «нейтрино», и на его пересылку со скоростью 0,1 бит/с ушло почти 2,5 ч. «Для практического применения потребуются существенные усовершенствования генераторов и детекторов», – резюмировали ученые.