Существует ли теория изобретательства?

Изобретательство – особый вид творчества, приводящий к получению нового решения задачи (относящейся к продукту или способу в любой области), и дающий положительный технический результат. Конечно, имеются общие признаки, присущие всем видам творчества, такие как замысел (в изобретательстве – постановка задачи), нахождение новой идеи (решение задачи), разработка идеи (сущность изобретения). Однако все эти параллели ничего полезного изобретателю не дают.

Имеется целый ряд предложений, которые не могут быть объектами патентных прав. К ним относятся решения, противоречащие общественным интересам и принципам гуманности, открытия и математические методы, игры и программы для ЭВМ и т. д.

Чем же можно характеризовать изобретение? Это – техническое решение задачи, отличающееся существенной новизной и, как правило, полезностью. Решаемая задача носит не познавательный, а утилитарный характер, т. е. отвечает практическим потребностям. Критерием существенной новизны обычно служит неочевидность технического решения или возникающего эффекта для специалистов данной области техники. Под полезностью понимают целесообразность и возможность применения в настоящее время или в обозримом будущем. Основополагающим объектом изобретений являются продукт и способ. К продуктам относятся устройства (схемы, конструкции, изделия), вещества, штаммы микроорганизмов, линии клеток растений и животных, генетические конструкции. Способ – это процесс осуществления действий над материальным объектом средствами материального характера.

Как создаются изобретения? Пожалуй, никто доподлинно вам не ответит на этот вопрос. Так же как никто не знает, как рождаются симфонии или шедевры живописи. Есть изобретатели, которые способны метафорически выразить словами переливы творческого мышления, сопутствующие появлению именно того решения, которого так долго искал. Вот пример (Г. Бабат): «Бредёшь, отыскивая… тропинку, попадаешь в тупик, приходишь к обрыву… И когда, наконец, после стольких мучений доберёшься до вершины… то видишь, что шёл глупо, бестолково, в то время как ровная широкая дорога была так близка». Изобретательство существует по крайней мере столько, сколько существует человечество, ибо способы разжигания огня и приготовления пищи можно также причислить к изобретательским методам. С древних времён изобретатели искали решения технических задач путём перебора возможных вариантов. Один вариант отбраковывали по какой-то причине, второй вариант – по другой причине, наконец, n-й вариант также имел недостатки, но они для данной задачи оказались малосущественными, и этот n-й вариант становился решением задачи. Метод проб и ошибок долгое время вёл человечество по пути технического прогресса. Однако по мере накопления опыта появились эвристические подходы к решению возникающих задач. Надо сказать, что эвристика во многих случаях использует приёмы логического мышления. Применение эвристических методов сокращает время решения задачи по сравнению с методом ненаправленного перебора вариантов, но не всегда приводит к желаемому результату. В целом эвристические подходы бывают полезными не только при решении творческих, в том числе изобретательских, задач, но даже в математике, когда отсутствуют или малоэффективны методы решения, опирающиеся на точные математические модели. Существуют специалисты, появляющиеся главным образом в изобретательской среде, которые развивают эвристические подходы в изобретательском деле. По их мнению, имеются пять уровней творчества. Примерные границы этих уровней описываются так: первый уровень находится в пределах одной профессии, второй – в пределах одной отрасли, третий – в пределах одной науки (например, механическая задача решается механически, радиотехническая задача – радиотехническими методами), четвёртый – за пределами данной науки (например, механическая задача решается радиотехническими методами), пятый уровень – за пределами современной науки (Г. С. Альтшулер «Алгоритм изобретения» Моск. рабочий, 1973 г.). Совершенно очевидно, что если на первых двух уровнях число перебираемых вариантов характеризуется единицами или десятками, то на высших уровнях эти числа возрастают до десятков и сотен тысяч. Эвристика может сократить эти цифры. Но что она всегда это делает, утверждать беспочвенно. Вот почему крупные или тем более великие изобретения (четвёртый и особенно пятый уровни) делаются не одним человеком, а множеством людей, а иногда – несколькими поколениями. Деление изобретений на уровни оказывается полезным при классификации значимости или сравнительном анализе предлагаемых новшеств. Но надо иметь в виду, что сами границы между уровнями представляются весьма относительными, т. к. порою трудно отыскать грань между профессией и отраслью, а ещё трудней бывает найти различия между отраслью и наукой.

И всё же эвристические подходы к изобретательскому делу совершенствуются. В целом они основываются на применении диалектической логики к решению технических задач. При этом они используют как сильные свойства человеческого мышления (интуиция, воображение, знание основополагающих законов), так и слабые его стороны (инерция). Важное значение имеет накопленный опыт. Я, например, старался проверять возникшие идеи путём проведения иногда простых, а в некоторых случаях «хитроумных» экспериментов. Если экспериментирование по каким-то причинам невозможно, привлекаю надёжный математический аппарат. Стараюсь учитывать все нюансы данной задачи. Если проведённые выкладки дают желаемый результат, идея хотя бы в теоретическом плане значима. Конечно, со временем вырабатываются и некие приёмы, подходы к решению задач. Слово «шаблон» обычно воспринимается в негативном ключе. Но вот что говорил актёр театра Сатиры Лепко: «Штампы вовсе не помеха в творчестве, наоборот, это рабочее орудие артиста. Весь вопрос в широте набора этих штампов. Слабый актёр – три или четыре штампа… Сильный, талантливый – пятьдесят штампов, сто, может быть». Знание типовых приёмов, «штампов» может увеличить отдачу изобретателя.

Существует ли теория изобретательства? Если теорию понимать как систему научных знаний, дающую целостное представление о закономерностях изобретательства и отношениях его с действительностью, то не существует. Что же имеется? На основе сочетания логики, интуиции и опыта разработана тактика движения, шаг за шагом, от постановки задачи до её технического решения. Выбранная тактика продвижения к цели, а её называют иногда алгоритмом изобретательства, может уменьшить число возможных переборов вариантов, облегчить поиск, установить направление переходов, но обеспечить с вероятностью единица получение желаемого результата, конечно, не может. Вместе с тем выработку неких общих принципов рассмотрения и подходов к решению изобретательских задач следует признать делом, заслуживающим внимания. Как представляют себе авторы построение алгоритма решения изобретательских задач? Прежде всего, он начинается с постановки задачи, затем следует определить идеальный конечный результат, Важнейшей частью алгоритма является выявление технического противоречия между получением требуемого результата и сохранением другого существенного свойства системы. Анализ технического противоречия и варианты его устранения должны приблизить изобретателя к желаемому результату.

Итак, нужно правильно поставить задачу. Нельзя сужать задачу, обеспечив достаточно общую её постановку, например, путём формулировки аналогичных задач в других отраслях техники.

При определении идеального конечного результата изобретатель мысленно строит ряд моделей, из которых выбирает ту, которая обладает идеальными свойствами, улучшающими объект, но предельно упрощённая. При этом изобретатель исключает из рассмотрения возможности и пути достижения идеального конечного результата.

Опытные изобретатели говорят: вы не станете изобретателем, если не научитесь отчётливо видеть противоречия в вещах. Техническое противоречие толкуется в понятиях диалектической логики как взаимодействие противоположных сторон предметов и явлений, находящихся во внутреннем единстве и выступающих источником движения и развития. Изобретатель ищет противоположные свойства, тем самым выявляет техническое противоречие. Выигрывая в одном, он, возможно, проигрывает в другом, менее существенном. Но в целом предлагаемое решение устраняет техническое противоречие, что предопределяет движение в правильном направлении, т. е. в направлении технического прогресса.

Попробуем найти технические противоречия и способы их устранения в области радиолокационной практики. Начнём с недавних (по историческим меркам) примеров. Всего 50–55 лет назад для увеличения точности и разрешающей способности (РС) по дальности использовалось укорочение (уменьшение длительности) излучаемых СВЧ-импульсов. Других реализуемых путей тогда не было видно и, чтобы, скажем, получить точность и РС по дальности порядка единиц метров в сантиметровом диапазоне волн приходилось формировать импульсы длительностью в сотые доли мксек. Но при этом необходимо было обеспечить требуемую дальность до цели, а это означает, что одновременно с уменьшением длительности импульса должна возрастать пиковая мощность излучающего генератора. И здесь мы подходим к проблеме предельных возможностей в достижении пиковых мощностей СВЧ-источников излучения. Более того, трудности усугубляются с укорочением длины волны РЛС. Наряду с необходимостью обеспечения требуемых пиковых мощностей СВЧ-генераторов возникает опасность электрических пробоев в подводящих энергию фидерных линиях (волноводах). Мы со всеми этими проблемами постоянно сталкивались, но особого напряжения они достигли, когда мы подошли к нижней границе миллиметрового диапазона (работа «СПРУТ»).

Итак, для увеличения дальности РЛС необходимо расширение длительности излучаемых импульсов, а для повышения точности и разрешающей способности по дальности – уменьшение этой длительности. Налицо техническое противоречие. Как разрешить это противоречие? Предложение состояло в том, чтобы увеличить ширину спектра импульсного сигнала по сравнению с простой импульсной последовательностью. Сделать это можно путём частотной или фазовой модуляции, а также путём фазовой или частотной манипуляции, причём в пределах самих импульсов. В результате таких действий произведение ширины спектра и длительности импульса N = ∆fT, в отличие от простых импульсов, становится существенно больше единицы.

Однако не всякое расширение спектра приводит к желаемой цели. Необходима такая модуляция зондирующих импульсов и такая обработка принимаемых сигналов, чтобы на выходе образовались импульсы с длительностью τ0, при которых отношение Т/τ0 было бы примерно равным N. Сигналы, отвечающие этим условиям, называются сложными. Мы ограничимся двумя возможными вариантами этих сигналов. При линейной частотной модуляции высокочастотного заполнения импульсов и применении согласованного фильтра в приёмнике на выходе последнего образуются сигналы в виде узких импульсов и боковых остатков, при этом коэффициент сжатия (укорочения) импульсов близок к величине N = ∆fT.

Другой тип сложного сигнала СВЧ-импульсы с фазовой манипуляцией, состоящие из набора высокочастотных составляющих с длительностью τ << Т, примыкающих друг к другу и имеющих случайное, но дискретное значение начальной фазы (например, 0, π). Обработка таких сигналов в приёмнике РЛС производится фильтровым или корреляционным способом.

Теперь обратимся к частотному методу определения дальности до цели. Если изучаемый сигнал представляет собой непрерывное колебание, а его частота меняется периодически по линейному закону (пилообразный закон ЧМ), то частота принимаемого от неподвижной цели сигнала изменяется по тому же закону, но с запаздыванием, пропорциональным дальности до цели. Отсюда следует, что, измеряя разность частот принимаемого и сильно ослабленного излучаемого сигнала, то есть, определяя частоту биений, можем получить на линейном участке ЧМ величину, пропорциональную дальности до цели. При движении цели возникает ошибка в определении дальности, вызванная появлением доплеровского эффекта. Эти ошибки возрастают на малых дальностях, а именно на этих малых дальностях наиболее выпукло проявляются преимущества частотного метода определения дальности над импульсным. Мы видим, что возникает техническое противоречие между необходимостью определения радиальных параметров движущейся цели (дальность, радиальная скорость) и точностью их измерения. Один из путей преодоления этого противоречия состоит в применении вместо пилообразной ЧМ симметричного треугольного закона изменения частоты излучаемого сигнала. Тогда, измеряя биения частот на одном и другом полупериодах изменения модулирующей частоты, мы получим частоту для определения дальности до цели в виде полусуммы парциальных частот биений, а для вычисления радиальной скорости цели используется полуразность указанных частот биений.

Наконец, рассмотрим ещё один вид противоречий, возникших на заре радиолокации, примерно 80 лет назад. Первые опыты по локации самолётов проводились в 1934 г. Б. К. Шембелем под руководством директора ЛЭФИ академика А. А. Чернышева. Была разработана радиоаппаратура под условным названием «Рапид», работавшая на волне 4,7 м при мощности 200 вт (непрерывное излучение). Излучающая часть была смонтирована на крыше здания ЛЭФИ и ориентировалась в направлении на приёмник, который перемещался в пределах 11–50 км от излучателя. Самолёт следовал по разным маршрутам, но пересекал трассу электромагнитного излучения. Определялась максимальная дальность от приёмника до самолёта. Нас в этой истории интересует наличие пространственного разноса передатчика и приёмника. Зачем он нужен?

Это объяснил в своей статье П. К. Ощепков, присутствовавший на испытаниях. Он писал: «Вынос приёмника в сторону от передатчика мотивировался тем, что при недостаточной интенсивности отражённого сигнала приёмник, расположенный непосредственно у радиоизлучающего устройства, будет подавлен прямым излучением передатчика и не сможет принять отражённый от самолёта сигнал. Принятые сигналы будут переданы на станцию излучения по радио или проводам». Итак, пространственный разнос для обеспечения развязки приём-передача. Но этот разнос был не совершенен, ибо давал до 10 км дальности, а требовал нескольких пунктов приёма и соответственного увеличения числа приёмных антенн. Создаётся техническое противоречие между необходимостью лоцирования в широком интервале дальностей и низким качеством развязок приём-передача. Разрешение противоречия – переходом к одноантенному варианту – шло долго и мучительно. Один из путей – переход на временную селекцию вместо пространственной, т. е. переход на импульсное излучение. Другой путь касался непрерывного сигнала и состоял в применении частотной селекции. Этот период разделился на два этапа: первый (довоенный) и второй этап, который дал более качественные результаты, но растянулся до 1950–1960 гг.

 

Крупные изобретения. Можно ли найти автора?

Как известно, авторство и приоритет большинства изобретений определяется по заявке, поданной в патентную службу страны. Если заявка отвечает необходимым требованиям, а материал заявки на основании чётких критериев признан соответствующим понятию «изобретение», то вроде бы нет никаких оснований для сомнений в авторстве данного изобретения или его приоритете. Действительно, выданный охранный документ подтверждает авторство и приоритет данного способа или продукта. Но многие из таких изобретений оказываются лишь отдельными кирпичами в фундаменте крупных изобретений. Последние создаются в большинстве случаев в результате новационной деятельности не одного человека, а многих групп исследователей, ищущих истину, и порой не задумывающихся об изобретательстве вообще. Делается это на протяжении ряда лет и нередко сразу в нескольких странах.

Я хотел бы привести несколько примеров крупных изобретений, авторство и приоритет которых сразу, на вскидку, не определяются, и это требует проведения специальных исследований с мало предсказуемым исходом.

В качестве первого примера приведу магнетрон. Этот прибор вошёл сейчас в быт миллионов людей в виде источника СВЧ-энергии, используемого в СВЧ-печах для приготовления пищи. Там он работает в непрерывном режиме. Я не разрабатывал магнетроны, но эксплуатировал их длительное время примерно 60 лет назад. Но не об этом сейчас разговор, а о том, кто и когда его разрабатывал. Прежде всего, вкратце о том, что такое магнетрон. Магнетрон двухэлектродная электронная лампа, в которой электроны, летящие от катода к аноду, подвергаются воздействию как электрического, так и ортогонального магнитного поля. История магнетрона движется от простейшей модели со сплошным анодом до современных моделей многорезонаторных магнетронов. При наличии сплошного анода электроны движутся по кривым, близким к окружности с циклотронной частотой, зависящей от напряжённости магнитного поля. КПД этих ламп низкое, т. к. число работающих электронов (т. е. отдающих энергию) невелико. В многорезонаторных магнетронах анод представляет собой набор объёмных резонаторов, соединённых с межэлектродным пространством цепями. Электроны в этих лучах движутся по эпициклоидам, причём число «работающих» электронов резко возрастает, вследствие чего КПД может достигать 80–90 %.

История развития магнетронов как генераторов СВЧ-излучения преимущественно в дециметровом и сантиметровом диапазонах радиоволн прослеживается с начала 20-х годов прошлого столетия. В 1924 г. А. А. Слуцкиным и Д. С. Штейнбергом в Харьковском университете был разработан способ генерирования высокочастотных колебаний в магнетронах на волнах 7-50 см. Исследования магнетронного способа генерации на СВЧ велись в 20-х годах также Д. А. Рожанским, М. Т. Грековой, В. И. Калининым и др. Обратимся теперь к 30-м годам 20 в., когда создавались первые установки по радиообнаружению самолётов и первые РЛС. Пионерские работы в этой области датированы концом 1933 – началом 1934 г. Магнетроны для этих установок создавались в 1934 г. на волну 20 см мощностью несколько вт в кооперации нескольких организаций Ю. К. Коровиным, А. А. Шапошниковым, Ю. А. Кацманом. Практически одновременно создавалась установка в ЛЭФИ Б. К. Шембелем. Для неё был изготовлен магнетрон на волне 21–29 см с мощностью 10 вт. Магнетрон имел четырёхрезонаторный анод и КПД 35–45 %. В 1932 г. В. М. Мухин предложил устройство многорезонаторного магнетрона. Однако это предложение не было реализовано. В 1935 г. М. А. Бонч-Бруевич, выдающийся учёный, разработчик мощных ламп, охлаждаемых проточной водой и использовавшихся в радиовещательных станциях им. Коминтерна, Малого Коминтерна был назначен научным руководителем Ленинградского НИИ-9.

Существует версия, что он нарисовал на бумаге конструкцию многорезонаторного магнетрона. Факты говорят о том, что М. А. Бонч-Бруевич отстаивал идею построения будущей РЛС, использующей непрерывное излучение. Для этого он предложил сотрудникам НИИ-9 Н. Ф. Алексееву и Д. Е. Малярову разработать конструкцию и проверить на практике новый многорезонаторный магнетрон. Эта работа была выполнена в 1937–1938 г. В результате был перекрыт сантиметровый диапазон волн (1–9 см) с мощностью в непрерывном режиме от 100 до 300 вт и КПД порядка 20 %. Но практика настойчиво требовала создания магнетронов, работающих в импульсном режиме. Такие магнетроны были разработаны в конце войны и в послевоенный период и у нас, и за рубежом. Они давали в сантиметровом диапазоне 100–200 квт пиковой мощности при КПД 50–60 %. Говоря об истории развития магнетронной техники, необходимо отметить большой творческий вклад Н. Ф. Алексеева и Д. Е. Малярова. Но в литературе, особенно в 40-х и 50-х годах, этот вопрос у нас педалировался, вследствие чего создавалось впечатление, что указанные специалисты и являются истинными изобретателями магнетрона. Я был знаком с Н. Ф. Алексеевым, и задал ему вопрос: считает ли он себя автором изобретения. На что получил отрицательный ответ. Его понять можно, ибо факты истории игнорировать невозможно.

Ещё один пример связан с созданием телевизионной приёмной техники. Рождение электронного телевидения в нашей стране формально произошло в 1933 г., когда в недрах Центральной радиолаборатории (г. Ленинград) была образована лаборатория телевидения и электрооптики (ЛТЭ). Руководителем ЛТЭ стал В. А. Гуров. В группе телевидения этой лаборатории начинает работать А. А. Расплетин. В 1935 г. при активном участии А. А. Расплетина появилась первая электронная система телевидения с разложением изображения на 180 строк при кадровой частоте 25 гц. Нужно сказать, что наше телевидение не было в те годы изолированным явлением. Посетивший ЛТЭ В. К. Зворыкин познакомился с создателями нашей техники и рассказал о технических успехах американцев. В апреле 1936 г. А. А. Расплетин перешёл в НИИ-9 (г. Ленинград). Одной из первых работ после его перехода было создание телевизионного приёмника по заданию Всесоюзного радиокомитета (ВРК). Приёмник так и назывался ВРК. Его чёткость 240 строк. В работе наряду с А. В. Расплетиным участвовали В. К. Кенигсон, М. И. Товбин, С. А. Орлов. Приёмники ВРК размещались в Доме техники и Домах культуры Ленинграда. В 1937–1938 гг. А. А. Расплетин разработал первый вариант массового телевизионного приёмника ТН-1. В 1939 г. он вместе с Н. Ф. Курчевым и Е. Е. Фридбергом изготовил в экспериментальной мастерской 200 экземпляров телеприёмника 17 ТН-3 (телевизор настольный с диаметром экрана 17 см). На ленинградском заводе «Радист» было выпущено около 2000 телевизоров этой марки. Во время войны и особенно после войны А. А. Расплетин отошёл от гражданской телевизионной тематики. Как известно, после войны были разработаны и длительное время изготовлялись телевизионные приёмники КВН (бригада разработчиков под руководством В. К. Кенигсона), и Т-2 «Ленинград» (бригада разработчиков под руководством А. Я. Клопова).

В области телевизионного приёма А. А. Расплетиным в период 1934–1940 гг. были заявлены и получены охранные документы на устройства синхронизации, устройства для развёртки электронного луча, устройства для получения высокого напряжения. Это были главные, ключевые вопросы при создании средств телевизионного приёма. Но самого приёмника телевизионных сигналов в заявках не было. И это неспроста. Поэтому, отмечая, выдающийся вклад А. А. Расплетина в дело разработки и создания телевизионных приёмников, историографы называют его одним из пионеров отечественного телевидения.

Наконец, ещё один пример изобретательского уровня связан с созданием радиолокатора. История зарождения отечественной радиолокации в общих чертах изложена в литературе, но я сошлюсь на книгу очевидца тех событий, с которым был знаком, генерала М. М. Лобанова «Начало советской радиолокации» (М., Соврадио, 1975). Первая работа по радиообнаружению самолёта была выполнена в Центральной радиолаборатории (ЦРЛ, г. Ленинград) по заданию Главного артиллерийского управления в январе 1934 г. Группой ЦРЛ, которой руководил Ю. К. Коровин и в которую входили В. А. Тропилло, С. Н. Савин, В. В. Елизарова и А. Треумнов, была создана установка на волне 50–60 см и мощностью 0,2 вт. В установку входили кроме генератора суперрегенеративный приёмник и наземные параболические антенны с диаметром 2 м. При такой малой мощности, свидетельствовавшей о лабораторном характере установки, были получены следующие результаты: 1) Самолёт обнаруживался на расстоянии 600–700 м при высоте полёта 100–150 м, 2) Разнос передающего и приёмного зеркал составлял примерно 10 м, 3) Расстояния измерялись по биениям непрерывного излучения генератора и отражённого от самолёта сигнала (за счёт эффекта Допплера) в виде характерной пульсации интенсивности звука в наушниках при вхождении гидросамолёта в зону видимости. Это был первый опыт в отечественной радиолокации. Опыты Ю. К. Коровина продолжались до 1937 г. Так, с помощью М. Т. Грековой был разработан магнетронный генератор на волне 18 см с мощностью около 8 вт. Была получена дальность обнаружения самолётов 11 км (1936 г.).

Параллельно в январе 1934 г. ГАУ заключило договор с ЛЭФИ (г. Ленинград) на проведение работ по радиообнаружению самолётов. Директором ЛЭФИ был тогда академик А. А. Чернышев. Работы были поручены группе Б. К. Шембеля. К середине 1935 г. группой, в которую входили кроме Б. К. Шембеля М. Д. Гуревич (старший), Э. И. Голованевский, М. Г. Курилко, была разработана установка, состоящая из магнетронного генератора на волне 21–29 см с мощностью 10–15 вт, двух параболлических антенн с диаметром 2 м и регенеративного приёмника. Проведённые опыты показали дальность по самолёту У-2 до 8 км.

В 1935 г. был образован НИИ-9. В 1936 г. там была создана подвижная установка «Буря», позволившая получить дальность по самолётам Р-5 10–11 км. В начале 1934 г. П. К. Ощепков предложил использовать вместо непрерывного излучения импульсный метод радиообнаружения. В том же году М. Д. Гуревич (старший) собрал установку на магнетроне в дм – диапазоне волн для опробования импульсного метода. Однако засветка экрана отражением от близлежащего леса не позволила обнаруживать пролетавшие самолёты. В марте 1935 г. Управление ПВО заключило договор с ЛФТИ (г. Ленинград) по проведению исследований радиообнаружения самолётов. Директором ЛФТИ был тогда академик А. Ф. Иоффе. Работы поручались лаборатории Д. А. Рожанского. После смерти Д. А. Рожанского в сентябре 1936 г. руководителем работ в ЛФТИ стал Ю. Б. Кобзарев. Разработчики в ЛФТИ пришли к выводу, что для создания импульсных генераторов нужна специальная генераторная лампа. В. В. Цимбалин при консультации проф. К. Н. Циклинского и Д. А. Рожанского сконструировал лампу ИГ-7 на волну 3,5–5 м мощностью в импульсе до 50 квт. Затем была разработана лампа ИГ-8 этой же серии.

В середине 1938 г. на базе лампы ИГ-7 была разработана двухантенная установка. Передатчик метрового диапазона развивал мощность 40–50 квт в импульсе при анодном напряжении 15–20 кв. Антенна устанавливалась на высоте 12 м и была типа «волновой канал» с 5 директорами и 3 рефлекторами. Приёмник супергетеродинного типа. Приёмная станция относилась на 1000 м от передатчика. С помощью этой установки была получена дальность до самолёта 50 км при высоте полёта 1500 м. В 1939 г. усилиями ЛФТИ и НИИСКА был создан подвижный вариант станции, получивший условное название «Редут» (дальность до 100 км). В мае 1940 г. разработчики ЛФТИ решили трудную задачу и перешли к совмещённому, одноантенному варианту станции. В 1941 г. коллективу разработчиков Ю. Б. Кобзареву, П. А. Погорелко, Н. Я. Чернецову была присуждена Сталинская премия.

Речь до сих пор шла о создании и развитии станций дальнего обнаружения, т. е. систем «земля – воздух». Во время войны и в послевоенный период были созданы также радиолокационные системы «воздух – воздух» и «земля – земля». Наряду с импульсными РЛС продолжало развиваться и направление, связанное с непрерывным излучением.

Время от времени в печати, а также на различных собраниях и совещаниях поднимается вопрос о создателях отечественного радиолокатора. По этому поводу возникают дискуссии, порой переходящие в жаркие споры. Одни утверждают, что это безусловно группа Ю. Б. Кобзарева, другие, ссылаясь на историю (которую я вкратце изложил), с этим не соглашаются. Я должен сказать, что бывал у Ю. Б. Кобзарева в 50-х годах, когда он ещё работал в НИИ-244, а затем на его семинарах в ИРЭ и никогда не слышал ни от него, ни от его сотрудников, а также от его гостей утверждений типа «Ю. Б. Кобзарев – создатель (или автор) отечественной РЛС».

Позже, как сообщали некоторые источники, Ю. Б. Кобзарев якобы жалел, что не подал в своё время заявки на изобретение. Но существует ещё экспертиза в патентном ведомстве. И какой ответ она бы дала – положительный или отказной – можно только гадать.

Никто, как мне кажется, не отрицает выдающийся вклад Ю. Б. Кобзарева и его сотрудников в общее дело, но вопрос об авторстве более сложный. Мне представляется, что успех был достигнут трудом многих упомянутых и безвестных людей, озарённых общей идеей.

 

Как появляются и как развиваются изобретательские мысли

До 1955 г. я просто не помышлял ни о каких изобретениях. Непрерывные командировки не оставляли времени не только для обдумывания новых идей, но и для фактов самого их возникновения. 8–10 часов пребывания в кабине станции на положении её оператора уходили на поиски отметок целей в окружении обильных отражений от «местников», регулярные ремонтные работы, состоявшие в перемещении на высоту человеческого роста, вывинчивании множества винтов и гаек, изъятии с этой высоты 60 кг передатчика или совсем малых по весу, но опасных по возможному ущербу полупроводниковых и вакуумных приборов. Полигонные испытания шли один за другим, в промежутках надо было успевать пропускать аппаратуру через механические стенды, климатические камеры, где узлы и блоки контролировались представителями заказчика. В 1954–1955 гг. я «застрял» на серийном заводе, где представлял не только опытные образцы, но и техническую документацию, на основании которой предстояло изготовить партию станций для передачи в войска. Эта работа была выполнена и в 1955 г., по приезде с завода, я увидел, что мой коллега Г. В. Кияковский, Гера, как мы его звали, пишет заявку на изобретение. Это меня заинтересовало и я решил использовать высокоточную фазометрическую систему определения дальности, которую постоянно эксплуатировал в полигонных условиях, в качестве основы для создания прецизионного делителя частоты последовательности коротких импульсов. Тогда это была не только модная, но и практически злободневная тема. Опыта в написании заявок на изобретения у меня не было, нормативных документов не читал. Написал как умел и привёл схему. Новизну и полезность предложения признали, но из-за отсутствия надлежаще оформленных бумаг сочли техническим усовершенствованием, на что я вынужден был согласиться, хотя до сих пор считаю это предложение выполненным на изобретательском уровне.

Моя изобретательская практика достигла уже пятидесятилетнего рубежа. За это время приходилось решать много разных задач, сложных и не очень, порой неожиданно возникающих, но всегда интересных. Задачи охватывали практически все разделы радиотехники, но часто вторгались в смежные области, такие как автоматическое управление, электронная техника, СВЧ приборостроение, механика. Совершено очевидно, что я не смог бы рассказать даже о части своих изобретений, ибо это потребовало возможно целой книги, а не нескольких страниц текста. Кроме того, определённая часть моих новаций касалась оборонной тематики, до сих пор находится в закрытом фонде, и я как законопослушный гражданин не имею никаких прав раскрывать эти некогда с большим трудом добытые факты. Вместе с тем есть вопросы, которые когда-то давным-давно были предметом изобретательских усилий, а потом вошли в литературу открытого пользования, в учебники, стали вроде бы общепринятыми, но с пониманием которых нет полной ясности, в связи с чем появляется потребность в разъяснении их сущности. Я выбрал три таких вопроса. Первый относится к общей радиотехнике, второй к радиоприёмным устройствам, третий – к радиолокационной тематике.

Начнём с первого вопроса, который касается частотной и фазовой модуляции радиосигналов. Постараюсь излагать материал без применения формул и схем, чтобы он был доступен более широким кругам читателей. История частотной модуляции (ЧМ) восходит к 20-м годам прошлого века и прошла периоды спада и повышенного интереса. При синусоидальной модуляции несущей по частоте ЧМ-колебание характеризуется двумя параметрами: девиацией частоты, т. е. наибольшим отклонением частоты от несущей и индексом модуляции, равным отношению девиации частоты к частоте модуляции. При индексах, меньших единицы, спектр ЧМ колебания по ширине близок к спектру колебания, модулированного по амплитуде (АМ колебания). Если индекс модуляции существенно превышает единицу (например, 100), ЧМ-колебание становится широкополосным и ширина его спектра достигает величины, близкой к удвоенной девиации частоты. Так вот, теория показывает, что широкополосная ЧМ, используемая, скажем, в диапазоне УКВ, представляет эффективное средство в борьбе с помехами и позволяет повысить качество воспроизведения как в радиовещании, так и в телевидении. Для получения ЧМ издавна используют специальные реактивные каскады (транзисторные или в старое время ламповые), которые создают реактивную проводимость (емкостную или индуктивную), подключённую параллельно контуру задающего генератора. Меняя ток через реактивный каскад, меняют частоту задающего генератора. Но для потребителя важна стабильность несущей частоты задающего генератора. Потребитель не может, сидя у своего приёмника, всё время подстраиваться под изменяющуюся частоту генератора. Для повышения стабильности частоты используются кварцованные схемы генераторов или системы автоматической подстройки частоты (АПЧ). Во всех случаях включение реактивного каскада понижает стабильность частоты генератора. Возникает техническое противоречие между стабильностью частоты генератора и преимуществами использования ЧМ. Как разрешить это противоречие? Стали думать и пришли к выводу, что наиболее простой путь состоит в следующем. Сохранить стабильный задающий генератор, подсоединить к нему буферный каскад, на выходе которого применить фазовую модуляцию (ФМ). Буферный каскад при этом играет роль развязывающего элемента. Частота колебания, как известно, связана с его фазой дифференциальной зависимостью. На простейшем математическом языке это означает, что, меняя фазу по синусоиде, вы изменяете частоту того же колебания по косинусоидальному закону. Иными словами, с учётом известной зависимости частоты и фазы вы можете смело применять ФМ. Вот почему в течение примерно 10–15 лет, начиная с 40-х годов прошлого века, исследователи широким фронтом стали разрабатывать схемы фазовых модуляторов. Простейшими примерами ФМ-модуляторов являются цепочки RC, CR, LCR. Меняя ёмкость или сопротивление по заданному закону, вы изменяете фазу высокочастотного колебания, подаваемого на вход цепочки. Но фазовой модуляции соответствовали паразитная амплитудная модуляция и сильные нелинейные искажения, и всё это при достаточно малом индексе ФМ. Другой метод ФМ, получивший более широкое применение, состоял в суммировании колебаний задающего генератора, промодулированного с помощью балансной однополосной модуляции, и того же колебания, сдвинутого по фазе на угол близкий к 90°. В варианте, предложенном Г. А. Зейтленком и Б. И. Каменским ещё в 30-х годах, два напряжения высокой частоты, сдвинутые по фазе на 90°, противотактно модулируются по амплитуде. Почти те же недостатки были присущи и этим схемам. Далее пошли всевозможные технические хитрости, сильно усложняющие схемы модуляторов. К ним относятся многокаскадное включение модуляторов, многоступенчатые умножители частоты (для увеличения девиации), устройства многократного повышения индекса модуляции путём разделения спектра модулирующих частот и т. д. Вот почему видный советский радиоспециалист С. И. Евтянов завершил в своей книге раздел, посвящённый фазовым модуляторам, словами: «Изложенные расчёты объясняют, почему передатчики с ФМ не находят широкого применения».

В самом начале 60-х годов 20 в. я стал заниматься ретрансляционными линиями передачи. Ретрансляторы принимают СВЧ сигнал в заданном секторе пространства, усиливают его и передают усиленное колебание в том же или другом угловом секторе пространства. Ретрансляционные линии передачи находили тогда и находят до сего времени широкое применение в системах связи, устройствах радионавигации, станциях ответных помех и т. п. В ретрансляторах могут использоваться усилители разных типов в зависимости от диапазона передаваемых частот. В диапазоне СВЧ чаще других в тракт ретрансляции включают лампы бегущей волны (ЛБВ). В ЛБВ электронный поток взаимодействует с электрическим полем замедленной электромагнитной волны. В качестве замедляющей системы используется спираль, внутри которой и происходит длительное взаимодействие потока электронов с полем бегущей волны. Основная фокусировка электронного потока производится внешним продольным магнитным полем. Для создания такого магнитного поля ещё в 50-х годах 20 в. применялись соленоиды, и потребителю приходилось возиться в поисках источников тока для запитки соленоида. В конце 50-х и начале 60-х годов, в т. ч. по инициативе А. И. Берга, разработчикам удалось для маломощных ЛБВ создать пакетированные конструкции с постоянными магнитами в сравнительно небольших габаритах. Кроме своей основной функции усиления СВЧ сигнала подобные ЛБВ позволяли менять фазу выходного колебания в небольших пределах путём изменения напряжения спирали относительно катода лампы. Область взаимодействия была невелика, но обеспечивала в более или менее линейном режиме разнос фаз до 360° (2π). Были разработаны также варианты ЛБВ с большей областью взаимодействия (4π и более). Тем самым возникла основа для получения ФМ колебаний в диапазоне СВЧ.

В эти же годы к моим работам примкнул В. В. Шишляков, большой любитель качественного звука (музыки в том числе) и телевизионного изображения на базе использования ЧМ в передающих станциях. Нужно сказать, что В. В. Шишляков работал в 40-х и 50-х годах в лаборатории И. С. Гоноровского в 108 институте, а затем прошёл школу И. С. Гоноровского на его кафедре в МАИ. Если же говорить об Иосифе Семёновиче, то известно, что именно он одним из первых раскрыл механизм действия ЧМ на строгом теоретическом уровне в своей книге «Частотная модуляция и ее применение», 1948 г.

Мы оба, В. В. Шишляков и я, знали о долгой истории развития ЧМ и о трудностях, возникших в этой области, и решили провести эксперимент с новым средством получения ФМ-ЛБВ. Сначала нам пришлось создать небольшую установку, состоящую из генератора высокочастотных сигналов, выпрямительных устройств для запитки ЛБВ и прибора, регистрирующего результат модуляции. На первом этапе в качестве такого прибора использовался простейший преобразователь частоты, на входы которого поступали промодулированный сигнал и колебания входного генератора. Затем мы этот прибор усовершенствовали и проводили измерения на фиксированной промежуточной частоте. Так вот, подведя к спирали ЛБВ синусоидальное напряжение низкой частоты от звукового генератора, мы получили ФМ колебание на СВЧ с малым индексом примерно до 6 радиан. Этого и следовало ожидать. Ставить ЛБВ в многокаскадную цепь и увеличивать индекс модуляции таким путём – в этом никакого смысла не было. Задумались и вспомнили, что при линейном изменении фазы согласно дифференциальной зависимости происходит скачок частоты. Но линейной вариации фазы в широких пределах мы осуществить не могли из-за ограниченной области взаимодействия в ЛБВ. А что такое линейный перепад фазы для периодических функций, с которыми мы имели дело? Ведь перепад функций 2π, 4π и т. д. не меняет значения периодической функции. Следовательно, когда фаза достигает 2π, её можно вернуть к нулевому значению, к тому же значению можно вернуть фазу, если она проходит через рубеж 4π и т. д. С помощью таких рассуждений мы пришли к замене линейного изменения фазы на пилообразное с размахом 2π и обратным ходом каждой «пилы», по длительности близким к нулю. Разработав схему формирователя пилообразного напряжения, мы подвели его к спирали ЛБВ. Полученный на выходе модулятора спектр состоял из гармоник частоты модуляции, причём первая гармоника существенно превышала остальные, другие гармоники, как и остаток несущей, уменьшались с повышением линейности пилы, сокращением обратного хода, а также путём точной подстройки амплитуды пилы. Поменяв наклон пилы на противоположный, мы получили основную гармонику, лежащую по другую сторону от несущей. Отсюда мы заключили, что с помощью пилообразного модулирующего напряжения можно не только увеличивать частоту, но и уменьшать её. Изменения несущей частоты можно таким образом добиться, если менять частоту пилообразных колебаний. Создав схему, где частота пил периодически менялась по линейному закону, мы получили возможность наблюдать, как сдвинутая по частоте несущая медленно «ползёт» от минимального значения до максимального. Естественно, что это проходило при очень низкой частоте вторичной модуляции. Таким образом удавалось «увести» несущую примерно от 100 гц до величины 5–10 кгц. Увеличить максимальный предел при перепаде частоты мы могли, а вот уменьшить нижний предел, скажем, до 5 или 10 гц было невозможно, ибо период вторичной модуляции был ограничен. Отсюда следовало, что «пройти» через нулевое значение сдвиговой частоты с помощью подобных схем не удастся. Тогда и родилось то, что на радиотехническом языке называлось поднесущей. Мы знали синусоидальную поднесущую с амплитудной модуляцией. В отличие от этого мы предложили ввести пилообразную поднесущую с частотной модуляцией. Например, если закон изменения частоты описывается синусоидальной функцией, то это означает, что имеется среднее значение частоты, около которого частота пилообразной поднесущей меняется по синусоиде. Если же нам требуется выполнить частотную модуляцию по тому же закону самой несущей, то для этого надо произвести дополнительно возвратную фазовую модуляцию пилообразным колебанием с частотой, равной среднему значению частоты поднесущей. Возвратная модуляция осуществлялась пилообразным колебанием фиксированной частоты с противоположным наклоном пилы, что могло быть реализовано с помощью парафазного усилителя. Иногда возвратной модуляции вообще не требовалось, а к несущей частоте добавлялось приращение, равное среднему значению частоты поднесущей. Основное преимущество системы ЧМ на базе фазовой модуляции с поднесущей – возможность получения повышенных индексов модуляции. Имелись ограничения, связанные с выбором поднесущей частоты, которая должна существенно превышать двойную девиацию частоты.

Другой пример, о котором я хочу рассказать, касается радиоприёмной техники. Если вы сидите в кабине радиолокатора, то отражённые сигналы от целей, которые поступают в приёмник радиолокатора, очень малы по мощности, но в целом их структура такова же, что и структура зондирующего сигнала, выработанного передатчиком РЛС. Отличие состоит в запаздывании сигнала, вызванного прохождением волны до цели и обратно, допплеровским приращением частоты, если цель движется, возможными искажениями в пространстве РЛС – цель и в самой аппаратуре РЛС. Но эти различия, как правило, на структуру сигнала мало влияют, и она вам известна, т. е. о том, что заложено в структуру зондирующих сигналов данной РЛС, вы полностью осведомлены. Совсем другое положение возникает в том случае, когда структура принятого сигнала неизвестна и вам надо её расшифровать. Предположим, что в структуру сигнала заложена информация в виде ЧМ. Если несущая частота принятого сигнала точно известна, вы преобразовываете её с помощью гетеродина и на выходе УПЧ включаете частотный дискриминатор. Однако трудности возникают, когда несущая частота нестабильна или вообще известен лишь диапазон её изменения. В обоих этих случаях применить обычное супергетеродинное преобразование частоты вряд ли удастся. На помощь приходит другой принцип приёма ЧМ колебаний. Он заключается в преобразовании частоты принятого сигнала с помощью СВЧ колебания, сдвинутого по частоте и задержанного по времени. На выходе преобразователя получается ЧМ-сигнал со стабильной промежуточной частотой. Но информация, заложенная в модуляции этого сигнала, оказывается искажённой, и для её восстановления в первоначальном виде нужен каскад, обеспечивающий накопление сигнала или попросту, его интегрирование. Для сдвига частоты на входы преобразователя наряду с СВЧ сигналом подаётся стабилизированное колебание выбранной промежуточной частоты, а на выходе преобразователя устанавливается фильтр, настроенный на суммарную или разностную частоту. Для обеспечения запаздывания входного сигнала во времени используются СВЧ линии задержки (твердотельные, волноводные или коаксиальные). Если несущая частота сигнала известна лишь с точностью до диапазона волн, применяется СВЧ фазовращатель, например ЛБВ, на спираль которой подводится пилообразное колебание с частотой, близкой к промежуточной. Таким образом, вне зависимости от несущей частоты СВЧ-сигнала в указанном диапазоне волн на выходе частотного дискриминатора, настроенного на фиксированную промежуточную частоту, выделяется напряжение, пропорциональное заложенной внутрисигнальной частотной модуляции.

В качестве последнего рассмотрим пример из области радиолокационной техники. Предположим, что требуется защитить летательный аппарат, например, самолёт от действия наземной РЛС с помощью ложных целей. Наземная РЛС излучает непрерывный сигнал в диапазоне СВЧ и имеет в своём составе канал селекции целей по скорости, который в результате поиска по частоте захватывает сигнал, отражённый от самолёта, и сопровождает его путём удержания в узкополосном деплеровском фильтре. Что касается ложных целей (ЛЦ), то они могут быть различными: самолёты-мишени, беспилотники, специально разрабатываемые ловушки и т. д. Они должны нести на борту ретранслятор сигналов РЛС, в тракт которого включается СВЧ фазовращатель. Модулирующее напряжение на фазовращателе вырабатывается местным генератором, а частота модуляции определяется по команде с пункта связи или с защищаемого объекта. ЛЦ могут лететь впереди самолёта или позади его, но в первом случае они, конечно, подвергаются большей угрозе уничтожения. Доплеровское приращение частоты защищаемого самолёта при его полёте в сторону РЛС равно, как известно, отношению удвоенной радиальной скорости к длине волны, причём со знаком плюс. Примем в первом приближении, что самолёт и ЛЦ летит непосредственно в направлении к РЛС. Если летящая впереди ЛЦ имеет скорость полёта, несколько превышающую скорость самолёта, то поправка по частоте или частота модуляции ретранслятора ЛЦ должна быть равной удвоенной разности скоростей, делённой на длину волны, и направленной сторону снижения частоты. Например, если доплеровская частота самолёта равна 60 кгц, а та же частота ЛЦ – 65 кгц, то частотная поправка имеет знак минус и равна 5 кгц. В случае полёта ЛЦ позади самолёта со скоростью, несколько меньшей скорости самолёта, частотная поправка также равна удвоенной разности скоростей, делённой на длину волны, но поправка направлена в сторону увеличения частоты. В том же примере при доплеровской частоте ЛЦ 55 кгц поправка равна 5 кгц, но имеет знак плюс. Важное значение имеет мощность излучаемого сигнала ретранслятором ЛЦ. В линейном режиме ретранслятора ЛЦ летящая впереди при 10 % опережении по дальности имеет преимущество в мощности почти в 1,5 раза, а та же ЛЦ, летящая сзади, теряет её на 35 %. В целом, мощность сигнала ЛЦ на входе приёмника РЛС должна превышать мощность отражённого от самолёта сигнала на 3–5 дб. Мы рассмотрели идеальную картину расположения ЛЦ относительно самолёта. В реальности ретранслятор должен дополнительно иметь узкополосную шумовую модуляцию, а если скорость ЛЦ сильно отличается, вводится дополнительная поправка по частоте. Следует также предусмотреть дополнительный резерв мощности, исходя из необходимости работы по боковым лепесткам антенны РЛС. Преимущества защиты летательных аппаратов с помощью ЛЦ возрастают на малых высотах полёта, когда РЛС приходится работать в условиях многолучевого приёма сигналов.