К столетию первой радиовещательной передачи

В начале было слово...

В 9 часов Рождественского вечера 24 декабря 1906 года радисты многих судов у восточного побережья США, а также береговых радиостанций, были потрясены и шокированы. Их уже предупредили о чем-то необычном, что будет передано радиостанцией ВО (Bravo Ocean), расположенной в Брант Рок, чуть южнее Бостона в штате Массачусетс. На торговые корабли Юнайтед Фрут Компани даже раздали полтора десятка специальных приемников. Радисты ждали чего угодно, но только не этого. После обычных CQ de BO в их телефонных трубках зазвучала человеческая речь! Тогда еще не было понятия "радио", а "wireless telegraphy" означало "беспроволочный телеграф". Большинство и не подозревало, что с помощью радиоволн можно передать что-то еще. Радисты звали капитанов, помощников, всех свободных от вахты. В радиорубки до предела набивались моряки, потрясенные, все слушали. Тем временем ведущий этой Рождественской передачи, и автор изобретения, проф. Реджинальд А. Фессенден, сам сыграл на скрипке "O, Holy Night" ("Священная Ночь" композитора Гуно) и спел, воспроизвел с фонографа записи музыки Генделя, предоставил микрофон сотрудникам и жене, они читали выдержки из Священного Писания: "Господи, слава Твоя на Небеси, а на Земле мир и в человецех благоволение..."

В конце часовой передачи ведущий пожелал всем счастливого Рождества, пообещал повторить ее новогодним вечером 31 декабря (что было сделано) и попросил всех слышавших сообщить, телеграфом или письменно, сведения о приеме. Отзывы стали поступать немедленно – передачу слышали от о. Ньфаундленд на севере до Мексиканского залива на Юге! Кто же такой был автор всего этого замечательного предприятия, по многим пунктам отвечавшего критерию "впервые в мире"? Ведь впервые передача была радиовещательной (более чем для одного слушателя и по заранее объявленной программе), впервые передавали музыку, из студии и в записи, впервые был ведущий и дикторы, и, наконец, впервые для передачи использовали незатухающие колебания и амплитудную модуляцию (АМ) – все, как в современном радиовещании!

С сайта http://groups.msn.com/fessenden/fessendensownaccount3.msnw

Почтовая марка с изображением радиостанции ВО (примерно 1910 г.). Отличное фото есть по адресу: http://www.answers.com/topic/brant-rock-radio-tower-1910-jpg

Еще один вид радиостанции ВО (с другой точки). Фото с сайта http://www.ewh.ieee.org/reg/7/millennium/radio/radio_wireless.html

Во многая мудрости много печали...
(изобретения не принесли ему славы и богатства)

Реджинальд Обри Фессенден (06.10.1866 – 22.07.1932) был старшим из четырех детей в семье англиканского священника в Ист-Болтоне (провинция Квебек в Канаде). Университет Бишопа в Лексонвилле (Квебек) он не закончил, в связи с отъездом семьи на Бермуды, хотя и выполнил все необходимые требования. Отсутствие ученой степени подвело значительно позднее, когда его отказались избрать президентом электротехнического отделения университета Мак-Гилла в США, в пользу остепененного американца, естественно.

С 18 лет Фессенден был главным (и единственным) учителем института Уитни на Бермудах. Там же он познакомился с Еленой Тротт, на которой и женился в 1890 г. Впоследствии она родила ему одного сына.

Желая пополнить свое классическое образование практическим опытом в области электричества, в 1886 г. Фессенден переехал в Нью-Йорк и обратился в компанию Эдисона, написав в заявлении: "Ничего не знаю об электричестве, но обучаюсь очень быстро". На это Эдисон ответил: "У меня уже полно людей, ничего не понимающих в электричестве". Однако Фессенден добился своего, и к концу года был принят на завод Эдисона. Занимаясь подземными электросетями в Нью-Йорке, он быстро доказал свою состоятельность рядом ценных предложений и усовершенствований. Став одним из ближайших помощников знаменитого изобретателя, Фессенден, тем не менее, был уволен в 1890 г., в связи с финансовыми трудностями компании, а возможно, что и из-за "вздорности" характера. Известно, что Эдисон не терпел возражений.

Поработав на другие компании, Фессенден в 1892 г принимает предложение профессорской должности в университете штата Индиана, потом в университете штата Пенсильвания. В это время он сотрудничает и с компанией Вестингауз, помогая в установке электрического освещения на выставке в Чикаго в 1893 г. Это очень напоминает историю Н. Теслы, тоже сына священника (как и А. С. Попов, впрочем), также недолго проработавшего у Эдисона, зато потом многие годы сотрудничавшего с Джорджем Вестингаузом. И еще одно сходство – оба были очень талантливыми, но и весьма экстравагантными людьми. Тесла, например, озаренный удачной мыслью, мог сделать сальто во время прогулки, или пройтись на руках посреди людной улицы Нью-Йорка, а Фессенден любил купаться, не пропуская ни одного озера или речки. Рассказывают, что видели его плывущим на спине, в шляпе, и с дымящейся сигарой во рту! Так он отдыхал, расслаблялся, и обдумывал свои идеи.

С середины 90-х стали поступать сообщения об успешном повторении опытов Генриха Герца, экспериментально обнаружившего электромагнитные волны, и первых попытках использовать "волны Герца" для беспроводной связи. Фессенден не остался в стороне, и уже тогда у него появились мысли о необходимости перехода на незатухающие колебания и отказа от детекторов "на плохих контактах" (он имел в виду когерер с металлическими опилками).

Университетская деятельность Фессендена кончилась в 1900 г, когда он заключил договор с Бюро Погоды США с целью создать сеть радиостанций вдоль восточного побережья для передачи сводок и прогнозов. Это позволяло ему полностью заняться исследованиями беспроводной связи, т. е. именно тем, о чем он мечтал. Контракт предусматривал доступ Бюро ко всем настоящим и будущим патентам Фессендена, оставляя за автором права владельца.

Радиостанции того времени были искровыми, с когерерными приемниками, уже пять лет разрабатываемые Лоджем, Поповым, Маркони и другими исследователями. Фессенден повторил эти опыты и ясно видел недостатки существующей системы беспроволочной телеграфии (кстати, Маркони упорно не отказывался от нее вплоть до 1912 г.). Фессенден же окончательно решил обратиться к незатухающим колебаниям, и в первую очередь, занялся усовершенствованием приемников.

Среди массы его изобретений (всего более 500 патентов!) надо выделить бареттерный и электролитический детекторы (1902 г.), вполне пригодные для демодуляции АМ. Бареттерный детектор содержал тончайшую платиновую нить, накаливаемую током от батареи. Через нее же пропускали ВЧ ток от приемной антенны. При этом нить нагревалась сильнее, ее сопротивление росло, а ток от батареи уменьшался, пропорционально силе ВЧ тока. Другими словами, использовалось свойство бареттера стабилизировать эффективное значение тока через него. Если ВЧ колебания были модулированы звуком, то телефоны в цепи батареи воспроизводили звук. Кстати, подобные детекторы (под названием "болометры") и сейчас еще используют для измерения мощности на СВЧ.

Электролитический детектор основан на свойстве односторонней проводимости контакта металлическая игла – электролит. Описания этих детекторов можно найти в журналах "Радиолюбитель" и "Радио всем" 20-х годов, они тогда еще применялись, и сделать их было проще, чем галеновый или карборундовый детекторы. Приемники с электролитическими детекторами отличались неплохой чувствительностью, а поскольку она не зависела от удачи в поиске "чувствительной точки", как в ртутных, а впоследствии кристаллических детекторах, то служили как бы "стандартом" чувствительности, позволяя сравнивать разные аппараты и проводить исследования в области распространения радиоволн.

Приемник с ртутным детектором, запатентованный Маркони в сентябре 1901 г, и использовавшийся на корабельных радиостанциях.

Одна из ранних версий приемника с электролитическим детектором, запатентованным Фессенденом в 1902 г. С сайта www.ieee.ca/millennium/radio/radio_differences.html

В эти же годы Фессенден разрабатывает и гетеродинный способ приема, при котором выделяются звуковые биения между ВЧ колебаниями близких частот. Внедрение этого метода, однако, тормозилось отсутствием стабильных генераторов незатухающих колебаний (CW). Много попыток было сделано, чтобы приспособить искровые и дуговые передатчики для генерации CW. В частности, Фессенден использовал синхронный искровой разрядник, зубчатое колесо которого насаживалось на один вал с генератором, питающим электроэнергией всю установку. Это позволяло применять более мощные и стабильные генераторы переменного тока, и при настройке контура разрядника на высшую гармонику получать почти синусоидальные колебания, но все же модулированные низкой частотой генератора. Очень нужны были ВЧ генераторы!

Первоначально работы для Бюро Погоды велись на о. Кобб, в 50 милях ниже Вашингтона по р. Потомак. Уже там Фессенден экспериментировал с передачей речи искровым передатчиком. Дальность была небольшой, всего одна миля, а качество звука – плохим. Однако сама возможность передачи речи с помощью радиоволн была доказана. По мере расширения работ строили новые радиостанции вдоль восточного побережья США в штатах Северная Каролина и Вирджиния, их немедленно использовали для передачи сводок погоды. Успех становился явным, и намечалась перспектива прибылей. Естественно, "акулы капитализма" не могли пройти мимо. Виллис Мур, шеф Бюро, потребовал для себя половины прибылей от патентов Фессендена. Изобретатель с негодованием отказался, и его сотрудничество с Бюро Погоды кончилось в августе 1902 г.

По делам их судите их.

По счастью, в Питтсбурге нашлись два богатых предпринимателя, согласившиеся финансировать создание Фессенденом собственной компании. Ее назвали National Electric Signaling Company (NESCO). Одной из главных задач поставили налаживание стабильной двусторонней телеграфной связи Америки с Англией. Напомним, что к этому времени был установлен лишь "рекорд" Маркони – в декабре 1901 он слышал, находясь на "Сигнальном холме" около Сент-Джонс, о. Ньюфаундленд, три телеграфных точки, переданные искровой радиостанцией в Полдью, п-ов Корнуэлл, Англия. Это и считают первым случаем передачи сигнала через Атлантику (в одном направлении). Заметим, что Маркони уехал с Сигнального холма в тот же день, и стал трубить на весь мир о своем достижении, хотя, казалось бы, пока все налажено, надо бы работать и работать, попытаться измерить сигнал, провести наблюдения за прохождением волн и т. д. Как мы увидим, совсем иначе подходил к делу Фессенден.

Для трансатлантической связи на средства компании построили два радиоцентра – один в Брант Рок, другой, точно такой же, в местечке Machrihanish в Шотландии. Центры оснастили 420-ти футовыми (128 м) мачтами из стальных труб на металлических растяжках. Сверху мачты имели "зонтик" – емкостную нагрузку, а растяжки были разбиты на короткие отрезки изоляторами. Основание мачты стояло на постаменте из чередующихся слоев бетона и керамики. Возбуждалась антенна снизу, через согласующую цепь. От основания расходилось много радиалов, закопанных в землю. Как ни удивительно, основание мачты в Брант Рок сохранилось до наших дней, и на нем установлена памятная доска. Еще удивительнее: эта конструкция передающей антенны-мачты была настолько совершенна, что практически не изменилась и сейчас!

Памятная доска на месте первой радиовещательной передачи. Фото с сайта http://www.radiocom.net/Fessenden/BelroseXmas.htm

Работа Фессендена в этот период очень продуктивна – уже в августе 1902 г. он патентует гетеродинный принцип приема, искровой разрядник телеграфного передатчика с гашением искры струей сжатого воздуха, антенный переключатель прием/передача, антенну "Граунд плэйн" (GP), описанную выше, много других устройств, и, самое главное (патент США № 706 747) – "Аппарат для передачи с помощью электромагнитных волн", в котором описывает устройство для речевой модуляции электромашинного передатчика с частотой 50 кГц.

Первоначально идея голосовой модуляции была очень проста – надо взять электромашинный генератор переменного тока, раскрутить его до такой скорости, чтобы он давал частоту несущей, соединить с антенной, а в цепь антенны включить угольный микрофон. Его изменяющееся при разговоре сопротивление и даст необходимую амплитудную модуляцию тока в антенне. На деле все оказалось не так просто, роторы генераторов просто разваливались на больших оборотах, а потери "в меди" и "в стали" росли гораздо быстрее, чем число оборотов и частота. Модуляция простым угольным микрофоном была мелкой, хотя Фессендену и удалось довести ВЧ ток через микрофон до нескольких ампер, а впоследствии, используя параллельно включенные микрофоны, и до 10 А.

Понадобилось четыре года интенсивной работы, чтобы стала возможной радиовещательная передача. Для углубления модуляции использовали "телефонные усилители" – комбинацию телефона и угольного микрофона с общей мембраной, а в последствии и прообраз современных магнитных усилителей (радиоламп тогда еще не было...). Приведем фотографии милого сердцу каждого радиолюбителя "развала" аппаратов и деталей на лабораторном столе, а также микрофона тех лет.

The Brant Rock  -  Station "BO" (Bravo Ocean)  -  Radio Room Фото с сайта http://groups.msn.com/fessenden/fessendensownaccount.msnw

Микрофон. Фото с сайта http://www.ewh.ieee.org/reg/7/millennium/radio/radio_wireless.html

Проблему генерации мощных ВЧ колебаний удалось решить с помощью альтернатора, поскольку в нем использовали неподвижные катушки и переменный магнитный поток, модулируемый при вращении ротора с магнитными и немагнитными секторами. Увеличивая число секторов, и оптимизируя катушки, при приемлемой скорости вращения удавалось получить частоты в десятки и даже сотни килогерц.

Разработчиком альтернатора был молодой швед, двумя годами ранее приехавший в Америку, и поступивший в компанию «Дженерал Электрик» (GE) — Эрнст Александерсен (1878 — 1975). В компании GE он проработал до 1948 г, получив за это время более 300 патентов на изобретения. Так, в 1924 г. он передал по радио через Атлантику первое факсимильное сообщение, в 1927 г. установил у себя дома первый телевизионный приемник с диском Нипкова и устроил первую публичную демонстрацию телевидения в 1928 г.

Э. Александерсен наблюдает за работой мощного альтернатора. Фото с сайта http://www.ieee.org/organizations/history_center/milestones_photos/alexanderson.html

Перед Первой мировой войной Александерсен создал целый ряд электромашинных генераторов мощностью от 2 до 200 кВт и частотой до 100 кГц (диапазон СДВ). Их широко использовали для телеграфной связи между Америкой и Европой. Генератор системы Александерсона и применил проф. Фессенден для первой в мире радиовещательной передачи, заключив контракт с компанией GE. Альтернаторы в Брант Рок и в Шотландии имели еще небольшую мощность, до 1...1,5 кВт и работали на частотах 50...100 кГц. Однако излюбленной частотой Фессендена была 70 кГц, и вот почему.

Телеграфные эксперименты между Брант Рок и Шотландией позволили значительно усовершенствовать синхронные искровые передатчики, научиться настраивать антенны и улучшить чувствительность приемников. Пробовали настройку на разные частоты, но предоставим слово самому Фессендену. Он пишет редактору журнала "Саентифик Америкен" (вольный перевод): "Мы использовали настройку на 70 000 герц, чтобы избежать дневного поглощения. Ранее мы обнаружили, что поглощение уменьшается с ростом длины волны, и оно достаточно мало на этой частоте".

Первая двусторонняя телеграфная связь через Атлантику была проведена 3-го января 1906 г. и засвидетельствована солидными историками (http://www.ieee.org/web/aboutus/history_center). Это был заслуженный успех, и в то же время обычная, будничная работа. Вместо рекламной шумихи Фессенден с шотландскими коллегами, как и подобает профессору, изучает распространение радиоволн на вновь открытой трассе!

График опубликован в Electrical Review, May, 11, 1906 и выложен на сайте http://groups.msn.com/fessenden/fessendensownaccount3.msnw

На снятом ими графике по горизонтали отложены дни месяца, а по вертикали – уровень сигнала, причем за единицу взят уровень едва различимого сигнала. Видим, как сильно уровень сигнала зависит от многих, неизвестных тогда факторов (полагаю, что и сейчас далеко не все известно), и что в отдельные дни уровень в 300...500 раз превосходит минимальный! В последующие месяцы было выяснено, что летнее прохождение намного хуже зимнего – связь удавалась далеко не всегда, и преимущественно ночью.

А что же Маркони в это время? Он тоже пытается наладить двустороннюю связь через Атлантику, но безуспешно. Любопытно, что операторы в Брант Рок и в Шотландии отслеживают в эфире все попытки знаменитого итальянца, и регистрируют его сигналы как с английской, так и с американской стороны! Но не помогают друг другу (конкурирующие компании). Фессенден был особенно сердит на Маркони, поскольку тот получил исключительные права на беспроволочный телеграф в Канаде, и неоднократные обращения Фессендена к родному канадскому правительству не давали результата.

Здесь мы сделаем небольшое отступление и снова предоставим слово Фессендену, рассказывающему редактору в упомянутом письме невероятно интересный случай: "Как-то, полагаю, в ноябре 1906, я получил заказное письмо от оператора в Шотландии. Он сообщал дату и время, когда заметил удивительное явление, доказывающее, что речь может быть передана, если разговор ведется рядом с искровым разрядником передатчика. Мы тогда использовали 10-киловаттный вращающийся разрядник, дающий от 500 до 1000 искр в секунду. Он утверждал, что слышал, как один из наших инженеров в Брант Рок давал указания помощнику, касающиеся динамо. Речь была настолько ясной и чистой, что он узнал м-ра Штейна! Он описал детали беседы и успел точно записать несколько предложений, от 50 до 100 слов. Он также написал, что не стал сообщать об этом явлении по беспроводному телеграфу, чтобы не раскрыть его, поскольку другие станции могли слушать эфир. Моей первой мыслью было, что оператор ошибся, что может быть, кто-то в Англии экспериментировал с моей беспроводной телефонией, ведь патент был опубликован несколько лет назад. Тем не менее, я спросил м-ра Штейна..."

Оказалось, что м-р Штейн действительно давал такие указания, дата, время и содержание разговора совпали полностью. Только он не стоял рядом с разрядником (искровой передатчик вообще был выключен), он давал их по радиотелефону в Плимут, расположенный сравнительно недалеко, в 11 милях! Тогда в Брант Рок получили и установили новый альтернатор, настроили его на ту же частоту 70 кГц (рабочее название – "настройка G") и работали с радиотелефонной станцией Плимута, используя большую антенну, уже настроенную на эту частоту. Оператор в Шотландии, естественно, не знал об альтернаторе, и выдвинул свою теорию акустической модуляции искрового разрядника. Фессенден, как истинный ученый, провел несколько опытов с модуляций искр или дуги, при определенной тонкой настройке даже получил слабую модуляцию, но качество сигнала оказалось очень низким.

Итак, случай помог провести первую одностороннюю телефонную связь через Атлантику! Случилось это 29 ноября 1906 г. и повторный прием телефонной передачи зафиксирован в Шотландии 2 декабря. Никто и не ожидал, что 750 Вт мощности этого альтернатора хватит, чтобы перекрыть такое расстояние.

Sic transit gloria mundi
(Так проходит мирская слава)

Декабрь 1906-го для NESCO оказался очень печальным. Во-первых, выяснилось, что финансисты компании, те два богатых питтсбургских джентльмена, вовсе не заботились об установлении беспроводной связи, или развитии возникавшего радио, их целью было "раскрутить" и выгодно продать компанию. Потенциальным покупателем намечалась Американская Телефонная и Телеграфная Компания (AT&T). Была устроена даже публичная демонстрация для ее представителей и журналистов, но трансатлантическую связь показать уже не смогли. Дело в том, что 6 декабря сильным штормом повалило мачту в Шотландии. Что же касается местных телефонных радиопередач в Плимут и Бостон, то бизнесмены только пожимали плечами – интересно, мол, но ни практического, ни коммерческого значения не имеет! Надо ли говорить об их недальновидности – ведь Фессенден на полтора десятка лет опередил свое время. Кто знает, может быть, декабрьские неудачи и побудили Фессендена устроить Рождественское шоу в эфире.

NESCO постепенно разваливалась, к 1911 году отношения Фессендена с финансистами окончательно испортились, и он ушел из компании. Она поступила под управление судебных исполнителей, и к 1920 г. все-таки была продана, сначала Вестингаузу, потом вновь образованной Радио Корпорации Америки, знаменитой RCA. Туда же ушли права на многочисленные патенты Фессендена.

Александерсон продолжал совершенствовать электромашинные передатчики, но под эгидой GE. К 1916 г. они полностью вытеснили искровые в дальней трансатлантической связи на СДВ. Один из этих передатчиков до сих пор находится в Швеции в рабочем состоянии, и на это Рождество его запускали, передавая позывной SAQ на частоте 17,2 кГц.

Фессенден же обратился к другим проблемам, в частности, энергетическим. Ведь еще с 1904 г. он помогал инженерам на Ниагарской ГЭС. Во время Первой Мировой войны, как патриот, он состоял на правительственной службе в Канаде, был командирован в Англию. Сразу после гибели Титаника в 1912 г. он занялся приборами для морской навигации. Им был предложен и разработан акустический эхолот (фатометр для определения глубины), ряд подводных сонаров (акустических локаторов), приборы для обнаружения вражеских подводных лодок. Круг его интересов простирался от микрофильмирования до нефтяной промышленности.

В 1928 г. Фессендену, состояние которого всю жизнь колебалось от среднего до бедности, удалось выиграть судебный процесс против RCA и получить кое-какое вознаграждение. Остаток лет он провел на Бермудских о-вах, в кругу родственников.

Столетие первой радиовещательной передачи американские радиолюбители отметили работой специальным позывным W100BO/ W1F.

В статье использованы материалы упомянутых сайтов, а также http://www.answers.com/topic/reginald-fessenden

06.01.2007 Владимир Т. Поляков, RA3AAE