Russian engineer and scientist Alexander Popov: from crystal radio receivers to electronic warfare
Александр Степанович Попов (16.03.1859 – 13.01.1906), изобретатель Радио
7 мая в России отмечают День Радио, а 15 апреля — День специалиста по EW, в честь событий, когда русский инженер Александр Степанович Попов 7 мая 1895 года (25 апреля по старому стилю), впервые в мире продемонстрировал созданный им прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний (прототип беспроволочного телеграфа и радиоприёмника). 15 апреля 1904 года впервые в мире была использована радиоэлектронная борьба (РЭБ) против японцев под руководством А. С. Попова в Порт-Артуре.
Первый такой праздник — День Радио, состоялся в СССР в 1925 году. Еще через 20 лет вышло Постановление Совета Народных Комиссаров (СНК) СССР об установлении ежегодного Дня Радио - 7 мая. Особым признанием заслуг Попова явилось постановление Совнаркома СССР, принятое в 1945 году, принятое в 1945 году, которым установлен День радио (7 мая) и учреждена Золотая медаль имени А. С. Попова, присуждаемая Академией наук СССР за выдающиеся работы и изобретения в области радио. Указом Президиума Верховного Совета СССР № 3018-Х от 01.10.1980 года праздник был утверждён, как «День Радио, праздник работников всех отраслей связи». Это изобретение сделало возможным не только передачу информации на большие расстояния, но и заложило фундамент для создания других востребованных в современном мире технологий, как радиолокация, навигация, интернет и многих других. К сожалению, приоритет А. С. Попова, как автора изобретения, в мире оспаривается, зачастую отдаётся приоритет итальянцу Гульельмо Маркони.
А.С. Попов родился в семье священника 16 (4) марта 1859 года в горняцком селении Турьинские Рудники Верхотурского уезда Пермской губернии. Окончил Пермскую духовную семинарию (1877), а затем физико-математический факультет Петербургского университета, где в 1882 году защитил диссертацию на тему: «О принципах магнито- и динамоэлектрических машин постоянного тока». В 1883–1901 годы Попов работал преподавателем в Минном офицерском классе (МОК) в Кронштадте, где была хорошая физическая лаборатория и отличная техническая библиотека в Морском ведомстве, сочетая с исследовательской работой в области электротехники. В 1890 году он изготовил аппаратуру для экспериментальных исследований и прочёл серию лекций о свойствах электромагнитных волн и о связи между световыми и электрическими явлениями.
5 апреля (7 мая) 1895 года на заседании Физического отделения Русского Физико-Химического Общества, проходившем в Физической аудитории электротехнического института, Александр Попов прочел доклад «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям». В ходе доклада с помощью ассистента П. Н. Рыбкина Попов продемонстрировал в действии аппаратуру для беспроволочной передачи электрических сигналов различной длительности
Существует так называемый всемирный День Радио, 13 февраля — праздник, приуроченный к выходу в эфир «Радио ООН» в 1946 году. 14 января 2013 года Генеральная Ассамблея ООН официально принимает провозглашение Всемирного Дня Радио. К изобретению радио, эта дата не имеет никакого отношения, поэтому в Российской Федерации такого праздника нет, однако День Радио все равно отмечается, как в СССР, в честь русского инженера и учёного Александра Попова — 7 мая.
Хронологически ранее заявленное (7 мая 1895 года) изобретение русского физика Александра Степановича Попова не получило такого резонанса в мире, как аппарат, сделанный итальянцем Маркони на год позже, но официально оформленный патентом на изобретение в 1897 году, раньше Попова (1899–1900). Гульельмо Маркони (1874–1937) стал лауреатом Нобелевской премии по физике за 1909 год (совместно с Карлом Фердинандом Брауном) — «в знак признания их вклада в развитие беспроволочной телеграфии», когда Александр Попов (1859–1906) уже умер (скончался от кровоизлияния в мозг). До сих пор в мире нет однозначного признания приоритета, как автора изобретения, А. С. Попова.
7 мая (25 апреля по старому стилю) 1895 года преподаватель физики и электротехники Минного офицерского класса в Кронштадте Александр Попов продемонстрировал устройство (когерерный приемник), называя его прибором для наблюдения атмосферного электричества (прототип радиоприёмника для беспроволочного телеграфа) на заседании Русского физико-химического общества в Санкт-Петербургском электротехническом институте. Этот день с 1945 года считается в России и ряде других восточноевропейских государств днем изобретения радио.
Грозоотметчик и первый приёмник А. С. Попова, 1895 год
А. С. Попов изобрел когерерный, (от слова «когезия», лат. cohaesus — «связанный», «сцеплённый»), приемник сигналов на основе электромагнитных волн, оригинальная конструкция которого позволяла восстанавливать чувствительность прибора после каждого электромагнитного воздействия.
Этот приемник состоял из антенны (вертикальный провод, улавливающий радиоволны), подсоединённый к цепи из когерера (стеклянной трубки, заполненной металлическими опилками, которые могли менять свою проводимость), реле, обеспечивавшего подключение исполнительного устройства — электромагнитого звонка-встряхивателя, молоточек которого при работе звонка бил по трубочке когерера, встряхивая опилки и восстанавливая его сопротивление после приема каждой посылки затухающих электромагнитных колебаний, и источника питания.
В цепи создавался электрический ток, недостаточный, чтобы звонок звенел, так как у когерера было большое электрическое сопротивление из-за окислов на поверхности частиц металлического порошка (опилок) в нём. Когда антенна принимала электромагнитное излучение, в ней также появлялся электрический ток, который проходил по цепи одновременно от антенны через когерер, и он оказывался достаточно большим — в этот момент проскакивали искры между металлическими опилками когерера, которые, спекаясь, уменьшали сопротивление цепи, обеспечивая ток, достаточный, чтобы звонок начинал звенеть.
В зависимости от длительности замыкания телеграфного ключа передатчика (короткой или продолжительной) трель звонка приёмника соответственно была короткой или продолжительной, обеспечивая звуковую регистрацию передаваемого сообщения. Задача обеспечения достоверной беспроводной связи (по существу, производить приём-передачу элементов телеграфного кода, в частности кодов азбуки Морзе, которая первоначально использовалась для проводной телеграфии) была принципиально решена.
В статье Попова «Прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний», декабрь 1895 года, говорится о пригодности прибора «как для лекционных целей, так и для регистрирования электрических пертурбаций, происходящих в атмосфере», и выражается надежда, что «прибор, при дальнейшем усовершенствовании его, может быть применён к передаче сигналов на расстояния при помощи быстрых электрических колебаний, как только будет найден источник таких колебаний, обладающий достаточной энергией».
В июне 1895 г. А.С. Попов усовершенствовал свой приемник, добавив к нему для повышения чувствительности вертикальный провод — приемную антенну, а позже — телеграфный аппарат для приема словесного текста, и получил возможность записывать принимаемые сигналы на телеграфную ленту; параллельно к катушке звонка был подключен электромагнит регистрирующего прибора, сначала цилиндр с недельным оборотом и пишущим пером Ришара, а затем недельный цилиндр был заменен двенадцатичасовым с записью на телеграфную ленту, наматываемую на цилиндр.
24 марта 1896 года в Петербургском университете на расстояние 250 метров между передающей станцией и приёмником А.С. Поповым с участием своего ученика П.Н. Рыбкина была передана первая в мире радиотелеграмма из 2-х слов: «Heinrich Hertz (Генрих Герц)» с помощью азбуки Морзе. Летом 1896 года «грозоотметчик» Попова экспонировался на Нижегородской выставке.
Попов Александр Степанович и его радиоприёмник 1897 года
Одной из причин неотстаивания правительством России приоритета этого прибора в мире можно считать «гриф секретности» и бюрократическую инертность военного ведомства Российской империи. Военное ведомство не только стремилось засекретить владение такой технологией, но и лишь спустя 3 года после доклада Попова подало заказ на изготовление такого устройства в количестве всего 3 штук, а в Европе в это время начался настоящий бум, радиосвязь стремительно завоевывала весь континент с участием энергичного Маркони. В 1898 году А.С. Попов осуществил радиосвязь между двумя кораблями на расстояние более 5 км.
Так из первооткрывателей радио Россия стала только одной из них. 26 ноября 1897 года Попов направляет в редакцию журнала «The Electrician», издававшегося в Лондоне, письмо под заголовком «К применению когерера» со схемой своего аппарата. В письме приводятся цитаты из статьи в журнале Российского ФХО, опубликованной в январе 1896 года, о приборе, демонстрировавшемся в апреле 1895 года. Письмо заканчивалось словами:
Из вышеизложенного следует, что устройство приёмника Маркони является воспроизведением моего прибора для регистрации гроз.
О работах Маркони в 1897 году Попов отметил:
Заслуга открытия явлений, послуживших Маркони, принадлежит многим <...> в том числе и мною, а Маркони первый имел смелость стать на практическую почву.
Справка. Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) предсказал существование электромагнитных волн и в 1864 году математически описал идеи о электромагнитной индукции английского физика Майкла Фарадея (1791–1867), в виде уравнений Максвелла-Фарадея.
В 1886 году немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857–1894) в результате экспериментов изобрел передатчик (вибратор Герца) и приемник (резонатор Герца) электромагнитных волн, на практике доказав теорию Максвелла и, соответственно, подтвердил существование электромагнитных волн.
В 1899 году Попов сконструировал приемник для приема сигналов на слух при помощи телефонной трубки. Это дало возможность упростить схему приема и увеличить дальность радиосвязи. В результате исследования обнаруженного «детекторного эффекта» когерера им был разработан усовершенствованный когерер — радиокондуктор (так стал называть А.С. Попов когерер без встряхивания — аналог кристаллического диода) на основе контакта между окисленными в разной степени металлами (стальными иглами) и электродами (платиновыми или угольными), и создана схема телефонного детекторного приемника. Высокая чувствительность нового приемника позволила втрое увеличить дальность связи. Попов открыл новую эпоху в радиосвязи — прием на слух. Первый в мире детекторный радиоприемник — это малоизвестное, но важное изобретение А.С. Попова, на которое в 1899–1900 годы он получил патенты как в России, так и в Англии, Франции, Испании и Швейцарии...
Патент с описанием к Патенту Российской Империи № 6066 А. С. Попова на привилегию изобретения телефонного приёмника депеш, заявленного 14 июля 1899 г., выданного 13 декабря 1901 г., и Патент США № 722139 А. С. Попова, заявленного 8 марта 1900 г., выданного 3 марта 1903 г. на «Самодекогерирующуюся когерерную систему»
В России патентная заявка — «привилегия № 6066 на приёмник депеш, посылаемых помощью электромагнитных волн» (детекторный приёмник), заявленная А. С. Поповым 14 июля 1899 года, была выдана только 13 декабря 1901 года. Более двух лет потребовалось неповоротливому Департаменту Торговли и Мануфактур на рассмотрение патентной заявки Попова, причём после получения Поповым патентов на своё изобретение во Франции, Великобритании, Швейцарии, Испании в 1990 году. К примеру, патент Великобритании А. С. Попова на «усовершенствование когерера для телефонной сигнализации» № 2797, заявленный 12 февраля 1900, был выдан 22 февраля 1900 года.
Иностранные фирмы многократно пытались переманить А. С. Попова к себе, обещая прекрасные условия работы и большие деньги, на что Попов отвечал:
Я русский человек, и все свои знания, весь свой труд, все свои достижения я имею право отдать только моей Родине.
В то же время французский предприниматель и инженер Эжен Дюкрете, владелец мастерской физических приборов в Париже, изучая публикации, в том числе и Маркони, о новых изобретениях в области электротехники, обратил внимание на аннотацию статьи А. С. Попова, опубликованную в парижском: «Journal de Physique théorique et appliquée», 3-е serie, Paris, 1897. Обратившись к Попову, они стали сотрудничать и смогли совместно получить патент во Франции (№ 296354 от 22 января 1900 год), а также быстро наладить производство радиоаппаратуры по схеме Попова для военно-морских fleets Франции и России, несмотря на попытки фирмы Маркони предъявить свои права на изобретение. В мае 1899 года в ходе зарубежной командировки во Францию Попов навещает фирму Эжена Дюкрете, с которым договаривается о производстве радиоприёмников своей конструкции. Морское ведомство Российской Империи передает Дюкрете заказ на поставку в течение 5 лет 50 корабельных радиостанций.
Позже, с дополнением к французскому патенту, был получен 26 октября 1900 года в Швейцарии патент А. С. Попова на «Приемник для телеграфии без проводов» № 21905. В США патент А. С. Попова на «Самодекогерирующуюся когерерную систему» № 722139, заявленный 8 марта 1900 г., был выдан 8 марта 1903 г. Патент Испании № 25816 был выдан 11 апреля 1900 г.
Как бы детектирующий прибор ни назывался: трубка Бранли, когерер Лоджа, радиокондуктор Попова, ртутный когерер Маркони и даже двухэлектродная лампа Флеминга и т. д., все эти приборы — детектирующие устройства. И с historical точки зрения следует их четко различать по их свойствам и по времени появления. В этом ряду твердотельные «карборунд» Данвуди и «кошачий ус» Пикарда и даже детектор Боше не опережают детектирующий радиокондуктор Попова. Именно поэтому изобретателем первого в мире детекторного приемника, в котором окисные пленки в контакте с платиной определяли детектирующие свойства радиокондуктора, а принятый сигнал регистрировался с помощью телефонов, можно по праву назвать Александра Степановича Попова. Возможно, острая необходимость в детекторах ускорила создание полупроводниковых диодов и других полупроводниковых устройств.
Первый в мире детекторный радиоприёмник (телефонный приемник депеш) изготовленный фирмой Дюкрете, системы Попова (1898–1900) и его когерерный радиоприёмник, 1898 год
В сентябре 1900 года под руководством А.С. Попова организуется Крондштадская мастерская по изготовлению радиостанций, положившая начало российской радиопромышленности. В ходе операции по спасению терпящего бедствие броненосца «Генерал-адмирал Апраксин» в Финском заливе между островами Гогланд и Куутсала под руководством А.С. Попова была построена первая практическая радиолиния на расстоянии около 45 км.
Жюри Всемирной выставки, проходившей в Париже в ноябре 1900 года, посвященной смене столетий, присудило Попову большую золотую медаль и диплом за радиоаппаратуру его системы, демонстрировавшуюся в действии для беспроволочного телеграфирования, грозоотметчик и за первый детекторный радиоприемник, на который он получил патенты в России, Англии и Франции.
Александр Попов, Эжен Дюкрете и детекторные радиоприёмники, с переменной настройкой по частоте на базе вариометра (две соосные (коаксиальные) поворотные катушки индуктивности), в том числе советский радиоприёмник П-8, 1928 год
После Великой Отечественной войны в СССР остро ощущалась нехватка дешёвых массовых радиоприемников. В 1947 году в рамках конкурса был разработан инженером НИИ МПСС М. Р. Каплановым бюджетный детекторный приемник, названный «Комсомолец», который изготавливался с 1948 по 1957 год не менее семью заводами и артелями министерства производства средств связи (МПСС), управления промкооперации (т.н. частный сектор производства) при Совете Министров и Министерства Местной Промышленности, в том числе ленинградской артелью «Электротехприбор» и артелью «Радиофронт», Москва. Приёмник был 5-диапазонный, длинные и средние волны, от 2000 м (150 кгц) до 200 м (1500 кгц), с внешним переставляемым детектором (кристаллическим настраиваемым или, позже, точечным полупроводниковым диодом) в виде штепсельной вилки. Эти приёмники стали последними серийно выпускаемыми детекторными радиоприёмниками СССР.
Советский типовой бюджетный детекторный приёмник «Комсомолец» без использования питания, с наружным кристаллическим детектором. Настройка производилась выдвижным ферромагнитным сердечником внутри катушки индуктивности. Модели: артель «Радиофронт», Москва, и артель «Электротехприбор», Ленинград, выпускавшиеся с 1947 по 1957 год
Главный конкурент Попова, весьма предприимчивый Маркони из семейства крупного итальянского землевладельца, учился в школах Великобритании и Италии, посещал занятия в Болонском университете, и хотя официального высшего образования не получил, официально сумел обойти дипломированного учёного Попова в приоритете создания устройства для безпроводной радиосвязи вероятно следующим образом.
В январе 1896 года описание устройства Попова продемонстрированного в 1985 году, было напечатано в журнале Российского физико-химического общества (но заявка на изобретение не была оформлена) и было разослано в крупные научные центры Европы, в том числе поступило в библиотеку университета итальянского города Болонья, где и хранится до сих пор. Вероятно с ним ознакомился друг семьи Маркони, профессор Болонского университета, специалист в изучении электромагнитных волн Аугусто Риги, от которого схему прибора Попова возможно узнал Гульельмо Маркони, посещавший занятия этого профессора, как вольный слушатель. После этого Маркони, прибывший в Лондон в феврале 1896 года, благодаря родственным связям был представлен главному инженеру британского почтового ведомства (General Post Office) Вильяму Прису, на которого хваткий молодой человек произвёл хорошее впечатление. С апреля 1896 года Прис всячески содействовал проверке и доработке представленной схемы приемо-передающей аппаратуры, помогая Маркони составить первую в его жизни заявку (подана 2 июня 1896 года) на изобретение. Название патента Великобритании № 12039, полученного Гульельмо Маркони 2 июля 1897 года: "Усовершенствования в передаче электрических импульсов и сигналов и в аппаратуре для этого" (Improvements in Transmitting Electrical Impulses and Signals, and in Apparatus therefor), считающимся одним из первых патентов на радиосвязь, предполагает что автор улучшал уже известное, а не заявлял о чём-то новом, что сделал Попов в своих публикация в 1985 -1986 году. Это произошло из-за несовершенства английского патентного законодательства, в то время не предусматривающего проведения экспертизы мировой новизны.
В России, Франции и Германии Маркони было отказано в патентовании со ссылкой на публикации А.С. Попова. В США, которым ничто не указ, вообще изобретателем радио по решению Верховного суда, только в 1943 году был признан Никола Тесла, гениальный американский инженер и физик сербского происхождения, которого сегодня можно воспринимать, как «Илона Маска того времени». Сам предприимчивый Маркони был личностью уже известной в Европе и, в отличие от скромного Попова, рассчитывал на золотые горы благодаря своему изобретению.
Маркони, Гульельмо (1874–1937), итальянский радиотехник, предприниматель, со своей радиоаппаратурой, 1901 год
Он основал коммерческую организацию по внедрению радио (Marconi Company) и сделал первую трансатлантическую передачу 17 декабря 1902 года. Регулярная трансатлантическая радиотелеграфная связь между Америкой и Европой была налажена к 1907 году. В 1912 году сеть радиостанций Маркони включала в себя такие страны мира, как Алжир, Австралия, Бельгия, Бразилия, Бирма, Китай, Франция, Французская Гвиана, Германия, Индия, Япония, Ямайка, Мексика, Занзибар, четыре станции находились в Тихом океане и 13 — в Италии.
В 1923 году Гульельмо Маркони принял итальянский фашизм и вступил в Национальную фашистскую партию Италии. Его политический выбор стал открытым вызовом тем, кто был против его изобретательского приоритета в радио. В 1931 году Маркони основал Радио Ватикана, а в 1932 году он установил первую радиотелефонную связь. В 1934 году Маркони продемонстрировал возможность радиоволновой связи для навигации в открытом море, поэтому морских радистов на западе часто называли «маркони». На печально известном затонувшем лайнере «Титаник» в 1912 году была радиорубка, оборудованная радиостанцией Маркони.
Нобелевские лауреаты по физике 1909 года, Гульельмо Маркони и Карл Фердинанд Браун
Гульельмо Маркони стал лауреатом Нобелевской премии по физике за 1909 год совместно с немецким физиком-экспериментатором Карлом Фердинандом Брауном (1850–1918), сооснователем общества по беспроводной телеграфии Telefunken (Берлин, 1903), когда Александр Попов уже умер. Карл Браун открыл эффект униполярной проводимости (проводимость тока в одну сторону) контакта минерала с минералом или с металлом (кристаллический детектор), на котором основано действие полупроводниковых выпрямителей и детекторов.
Общий размер одной нобелевской премии составлял около одного миллиона долларов США, численность до 3-х лауреатов. Согласно статуту Нобелевского фонда, являющегося основополагающим документом, который регулирует правила организации присуждения премии, в § 4 статута указано, что премия не может быть присуждена посмертно. Вероятно, поэтому Александр Попов не попал в лауреаты этой премии.
Александра Попова интересовали научные открытия во всех областях применения электричества. Он, например, занимался исследованиями только что открытых рентгеновских лучей. Им был изготовлен один из первых в России рентгеновских аппаратов, получены снимки различных предметов, в том числе снимок руки человека. При его поддержке в Кронштадтском военно-морском госпитале в 1897 году был оборудован рентгеновский кабинет, впоследствии некоторые боевые корабли были оснащены рентгеновскими аппаратами. Известно, что после сражения в Цусимском проливе на крейсере «Аврора», имевшем такую установку, была оказана помощь раненым морякам.
Во время опытов по радиосвязи на военных кораблях Балтийского флота летом 1897 года было установлено, что электромагнитные волны отражаются от кораблей. Александр Попов сделал вывод о возможности практического использования этого явления и, задолго до возникновения радиолокации и радионавигации, сформулировал начальные идеи для создания и развития этих направлений техники.
России принадлежит мировой приоритет использования РЭБ (радиоэлектронной борьбы), то есть использования электромагнитной энергии в качестве своеобразного «weapons», для борьбы с электронными системами во время Русско-японской войны, на основе работ учёного Александра Попова.
В марте 1903 года профессор Александр Степанович Попов в докладной записке русскому военному ведомству сформулировал идею радиоразведки и радиоэлектронной борьбы.
24 февраля 1904 года адмирал Степан Осипович Макаров, вступив в командование флотом Тихого океана, уже 7 марта издал исторический приказ № 27 — первый официальный флотский документ в области радиоэлектронной борьбы.
15 апреля (2 апреля по старому стилю) 1904 года русскими моряками впервые в мировой истории был сделан практический шаг к ведению радиоэлектронной борьбы при боевых действиях на море.
В этот день японцы предприняли очередной обстрел кораблей русской Тихоокеанской эскадры в бухте Порт-Артура корабельной artillery, which entered the historical chronicle of the fortress defense under the name of the “third throw-over shooting.”
Утром японские броненосные крейсера «Ниссин» и «Касуга» начали стрельбу по фортам и внутреннему рейду. С самого начала стрельбы два легких японских крейсера, выбрав позиции против прохода Ляотешанского мыса, вне выстрелов крепости, начали телеграфировать, корректируя огонь.
Немедленно броненосец «Победа» и береговая радиостанция на Золотой горе начали перебивать «большой искрой» (т. е. более мощным сигналом своего передатчика, «забивая» частоту, на которой работали противники, искровые передатчики неизбирательно излучают на всех частотах), рабочий диапазон радиостанций противника, полагая, что эти крейсера сообщают с помощью телеграмм стреляющим броненосцам о попадании их снарядов, корректируя огонь.
Об эффективности первого случая постановки радиопомех свидетельствовал контр-адмирал Ухтомский в своем докладе адмиралу Алексееву, о том, что из более чем 60 снарядов большого калибра, выпущенных неприятелем, цели ни один не достиг.
Это было осуществлено благодаря усилиям профессора Попова и адмирала Макарова. Впоследствии сами японцы признали, что наведение помех русскими не позволяло им вести обмен информацией по использовавшемуся радиоканалу с требуемой эффективностью.
1905 год, общеизвестен исторический факт, когда в районе Цусимского пролива следовавший параллельно эскадре русских кораблей японский легкий крейсер «Идзуми» передавал по радио своему командованию данные о количестве кораблей эскадры. Командир русского крейсера «Урал», обнаружив японские радиопередачи, принял решение подавить их бортовой радиостанцией корабля. Командиры крейсера «Изумруд» и миноносца «Громкий» по своей инициативе также использовали корабельные радиостанции для подавления радиосвязи японских военных судов.
Таким образом, на войне столкнулись радиостанции Попова и Маркони, приёмопередатчики которого были установлены на японских кораблях.
День специалиста по радиоэлектронной борьбе (РЭБ) отмечается в Вооруженных силах Российской Федерации ежегодно, в честь боевой операции в эфире 15 апреля 1904 года в Порт-Артуре. Этот профессиональный праздник установлен указом президента России от 31 мая 2006 года
Information