ИСКУССТВЕННЫЕ СПУТНИКИ ЗЕМЛИ
О запуске первого спутника в СССР стали думать еще в ту пору, когда шли работы над баллистической ракетой Р‑7. В 1956 году была образована группа ученых во главе с академиком Мстиславом Келдышем, которой было поручено разрабатывать программу научных экспериментов для первого искусственного спутника Земли. После предварительного анализа всех бортовых систем, которыми должен был быть снабжен этот спутник, выходило, что никак нельзя уложиться в массу, меньше чем 1250 кг (масса одной оболочки составляла 250 кг, система энергопитания — 450 кг; кроме того, большой вес имели массивные антенны). Существовавшие тогда ракеты не могли сообщить первую космическую скорость (около 8 км/с) такому тяжелому аппарату. Тогда в конце 1956 года один из сотрудников Королева, Михаил Тихонравов, предложил проект более простого и легкого спутника с массой около 80 кг. В июне 1957 года были готовы чертежи окончательной компоновки этого спутника, а в конце августа начались его испытания.
Для выведения спутника на орбиту КБ Королева на базе Р‑7 разработало специальную двухступенчатую ракету с общей массой 267 тонн, состоявшую из четырех боковых ракетных блоков ЖРД РД‑107 и одного центрального блока ЖРД РД‑108. Все двигатели при старте включались в работу одновременно. Спустя 120 секунд после старта боковые блоки отбрасывались (вторая ступень к этому времени достигала высоты 50 км и имела скорость 2, 3 км/с). Центральный блок продолжал работать еще 180 секунд. На высоте 200 км центральный блок отключался, после чего спутник отделялся от него с помощью пружинного толкателя, сбрасывал защитный тепловой экран и начинал свободный полет. Успешный старт ракеты состоялся 4 октября 1957 года. Этот день открыл начало новой космической эры в истории Земли.
Первый спутник знаменовал собой узловой пункт развития техники. С одной стороны, он символизировал завершение сложного этапа развития баллистических ракет, а с другой — являлся тем зародышем, из которого выросла вся позднейшая космическая техника.
Спутник имел форму шара диаметром 580 мм. Масса его равнялась 83, 6 кг. На внешней поверхности шара были установлены антенны радиопередатчиков в виде четырех стержней. Длина двух из них составляла 2, 4 м, остальных — 2 м. Стержни соединялись с антенными изоляторами, закрепленными на корпусе спутника с помощью шарниров, что давало им возможность поворачиваться на некоторый угол. Вся аппаратура вместе с источниками энергии размещалась в герметическом корпусе из алюминиевого сплава. Перед пуском спутник был заполнен газообразным азотом. Для поддержания стабильной внутренней температуры была разработана система принудительной циркуляции азота. К антеннам подключались два радиопередатчика, излучавшие каждый на своей частоте один и тот же сигнал, похожий на телеграфный. Внутри корпуса размещались чувствительные датчики, которые несколько меняли передаваемый сигнал (частоту передаваемых импульсов и их длительность) при изменении температуры и давления внутри спутника. Мощность радиопередатчиков была достаточна для уверенного приема их сигналов всеми радиолюбителями земного шара. Источник питания должен был обеспечивать работу всей аппаратуры в течение трех недель.
Уже 3 ноября 1957 года в космос был выведен второй советский спутник массой 508, 3 кг. Он представлял собой последнюю ступень ракеты носителя, на которой в нескольких контейнерах размещалась научная измерительная аппаратура и отсек с собакой Лайкой.
В передней части спутника находился спектрограф для исследования Солнца, сферический контейнер с радиопередатчиками и герметическая кабина с собакой. В корпусе ракеты располагались два прибора для изучения космических лучей. По своей конструкции сферический контейнер был подобен первому ИСЗ. Здесь кроме передатчиков находились источник питания и различные датчики. Герметическая кабина, в которой помещалась Лайка, имела вид цилиндра. На ее съемном днище был устроен иллюминатор из оргстекла. В кабине, изготовленной из алюминиевых сплавов, имелись приспособление для кормления, кондиционер, регенерационные установки и система терморегулирования. Регенерация происходила с помощью химических элементов, которые поглощали углекислоту и выделяли кислород. Специальные датчики регистрировали пульс, давление и дыхание собаки. Все это, а также информация о температуре и давлении в кабине сообщалось на Землю с помощью специальной аппаратуры, которая включалась часовым программным устройством. Программа наблюдений была рассчитана на семь суток, но и после этого полет спутника продолжался еще много дней. Только 14 апреля 1958 года, совершив около 2370 оборотов, второй спутник сгорел в атмосфере.
В это время в космосе летал уже третий спутник — американский «Эксплорер‑1». Причина, по которой американский ИСЗ оказался в космосе не первым и даже не вторым, имеет не только техническую подоплеку. В 1955 году, когда правительство США приняло решение о подготовке к запуску спутника, были предложены три конкурирующие программы, за каждой из которых стояло свое могущественное военное ведомство: Армия, ВВС и ВМФ. Предпочтение в конце концов было отдано проекту ВМФ «Авангард», который и получил привилегированное финансирование. Между тем армия уже в то время располагала лучшей американской ракетой «Редстоун», созданной под руководством Брауна. (Браун в то время возглавлял Редстоунский арсенал, где и была разработана эта ракета.) В сентябре 1956 года Армия осуществила успешный запуск четырехступенчатой баллистической ракеты «Юпитер‑C», в которой в качестве первой ступени использовалась брауновская «Редстоун», а в качестве второй, третьей и четвертой — твердотопливные ракеты «Бэби Серджент». Три ступени этой ракеты были натуральные, а четвертая вместо топлива несла в баках песок. Эта ступень достигла высоты 1094 км. Позже неоднократно старались доказать, что, если бы четвертая ступень была заправлена топливом, она вполне могла бы стать первым ИСЗ, и космическая эра началась бы на год раньше. Но, как бы то ни было, этого не случилось. Между тем проект «Авангард», который с самого начала преследовали неудачи, закончился скандальным провалом: при запуске 6 декабря 1957 года ракета «Авангард», едва оторвавшись от стартового стола, упала на землю в пределах стартовой площадки и сгорела. После этого для спасения престижа было решено произвести запуск спутника на базе ракеты «Редстоун». Спутник «Эксплорер‑1» создавался в чрезвычайной спешке в Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технического университета. Вес спутника составлял 8, 21 кг, причем на аппаратуру приходилось 5 кг. Кроме счетчика Гейгера на его борту располагался микрофон для регистрации метеоритных частиц, датчики температуры, радиопередатчики и источники питания. Запуск состоялся 31 января 1958 года и был успешным. Спутник проработал на орбите восемь недель. Несмотря на свои миниатюрные размеры, «Эксплорер‑1» позволил сделать важные наблюдения. Именно благодаря его сообщениям был обнаружен пояс радиации, окружающий Землю на высоте более 1000 км.
В том же году, 15 мая, СССР запустил свой третий спутник. Его уже можно было назвать настоящей автоматической научной станцией. Длина спутника составляла 3, 5 м, диаметр — 1, 5 м, вес — 1327 кг, причем на научную аппаратуру приходилось 968 кг. Устройство и конструкция этого спутника были проработаны гораздо тщательнее, чем двух первых. Для автоматического управления работой всей научной и измерительной аппаратурой на нем было установлено электронное программно‑временное устройство, выполненное целиком на полупроводниковых элементах.
Кроме бортового источника питания, спутник был снабжен солнечной батареей. Напряжение, создаваемое этой батареей, было больше, чем у бортового аккумулятора, поэтому на солнечной стороне вся аппаратура питалась от нее. Благодаря этому третий спутник эксплуатировался намного дольше, чем два первых — он находился в полете 691 день, и последний сигнал с него был принят 6 апреля 1960 года.
Первые космические аппараты отличались своей индивидуальностью. Даже не вникая глубоко в их конструкцию, по одному только внешнему виду можно было сразу сказать, что это совершенно разные устройства. Но аппараты, изготовляемые каждый раз по индивидуальному заказу, обходились дорого. Поэтому в последующие годы в СССР было принято решение перейти от индивидуального производства спутников к серийному. Таким серийным советским спутником стал «Космос». 16 марта 1962 года был запущен первый спутник этой серии.
ЛАЗЕР
Несмотря на сравнительно простое устройство лазера, процессы, лежащие в основе его работы, чрезвычайно сложны и не поддаются объяснению с точки зрения классических законов физики. Со времен Максвелла и Герца в науке утвердилось представление о том, что электромагнитное и, в частности, световое излучение имеет волновую природу. Эта теория хорошо объясняла большинство наблюдаемых оптических и физических явлений. Но уже в конце XIX века были получены некоторые экспериментальные данные, не подходившие под эту теорию. (Например, совершенно непонятным с точки зрения классических представлений о волновой природе света оказывалось явление фотоэффекта.) В 1900 году известный немецкий физик Макс Планк, пытаясь объяснить природу этих отклонений, сделал предположение, что испускание электромагнитного излучения и, в частности, света происходит не беспрерывно, а отдельными микроскопическими порциями. В 1905 году Эйнштейн, разрабатывая теорию фотоэффекта, подкрепил идею Планка и убедительно показал, что электромагнитное излучение действительно испускается порциями (эти порции стали называть квантами), причем в дальнейшем, в процессе распространения, каждая порция сохраняет свою «индивидуальность», не дробится и не складывается с другими, так что поглотить ее можно только всю целиком. Из этого описания получалось, что кванты во многих случаях ведут себя не как волны, а как частицы. Но при этом они не перестают быть волнами (например, квант не имеет массы покоя и существует только двигаясь со скоростью 300000 км/с), то есть им присущ определенный дуализм.
Квантовая теория позволила объяснить многие прежде непонятные явления и, в частности, природу взаимодействия излучения с веществом. Возьмем простой пример: почему тело при нагревании испускает свет? Нагревая, скажем, на газовой горелке гвоздь, мы заметим, что сначала он приобретает малиновый цвет, потом станет красным. Если продолжать нагревание, то красный цвет переходит в желтый и затем в ослепительно белый. Таким образом, гвоздь начинает излучать не только инфракрасные (тепловые), но и видимые лучи. Причина этого явления следующая. Все тела (и в том числе наш гвоздь) состоят из молекул, а молекулы состоят из атомов. Каждый атом представляет собой небольшое очень плотное ядро, вокруг которого вращается большее или меньшее количество электронов. Эти электроны движутся вокруг ядра не как попало, но каждый из них находится на своем точно установленном уровне; соответственно одни уровни располагаются ближе к ядру, а другие дальше от него. Эти уровни называются энергетическими, так как каждый из расположенных на них электронов обладает своей определенной, свойственной только этому уровню, энергией. Пока электрон находится на своем стационарном уровне, он движется, не излучая энергии. Такое состояние атома может продолжаться сколь угодно долго. Но если атому сообщается извне какое‑то определенное количество энергии (как это происходит при нагревании гвоздя), атом «возбуждается». Суть этого возбуждения состоит в том, что электроны поглощают кванты излучения, пронизывающего вещество (в нашем примере инфракрасное тепловое излучение газовой горелки), приобретают их энергию и благодаря этому переходят на более высокие энергетические уровни. Однако на этих более высоких уровнях электроны могут находиться лишь очень незначительное время (тысячные и даже миллионные доли секунды). По истечении этого времени каждый электрон опять возвращается на свой стационарный уровень и при этом испускает квант энергии (или, что то же самое, волну определенной длины). Среди этих волн некоторые приходятся на видимый диапазон (эти кванты видимого света называются фотонами; излучение фотонов возбужденными атомами мы и наблюдаем как свечение нагретого гвоздя). В нашем примере с гвоздем процесс поглощения и испускания квантов протекает хаотически. В сложном атоме наблюдается большое число переходов электронов с верхних уровней на нижние, и при каждом из них происходит излучение со своей частотой. Поэтому излучение идет сразу в нескольких спектрах и в разных направлениях, причем одни атомы испускают фотоны, а другие поглощают их.
Точно так же происходит испускание квантов любым нагретым телом. Каждое из этих тел (будь то Солнце, дуговая сварка или нить лампы накаливания) испускает одновременно множество волн разной длины (или, что то же самое, квантов разной энергии). Именно поэтому, какой бы совершенной линзой или другой оптической системой мы ни обладали, нам никогда не удастся сфокусировать испускаемое нагретым телом излучение в строго параллельный пучок — он всегда будет расходиться под некоторым углом. Это и понятно — ведь каждая волна будет преломляться в линзе под своим собственным углом; следовательно, ни при каких условиях мы не сумеем добиться их параллельности. Однако уже основоположники квантовой теории рассмотрели и другую возможность излучения, которая не имеет места в естественных условиях, но вполне может быть смоделирована человеком. В самом деле, если бы удалось возбудить все электроны вещества, принадлежащие к одному определенному энергетическому уровню, а потом заставить их разом испустить кванты в одном направлении, то можно было бы получить чрезвычайно мощный и в то же время исключительно однородный импульс излучения. При фокусировании такого пучка (поскольку все волны, его составляющие, имеют одну и ту же длину) можно было бы добиться почти идеальной параллельности луча. Впервые о возможности такого, как он его назвал, стимулированного излучения написал в 1917 году Эйнштейн в работах «Испускание и поглощение излучения по квантовой теории» и «К квантовой теории излучения».
Стимулированное излучение может быть, в частности, достигнуто следующим способом. Представим себе тело, электроны которого уже «перевозбуждены» и находятся на верхних энергетических уровнях, и предположим, что их облучают новой порцией квантов. В этом случае происходит процесс, напоминающий лавину. Электроны уже «перенасыщены» энергией. В результате дополнительного облучения они срываются с верхних уровней и переходят лавинообразно на нижние, испуская кванты электромагнитной энергии. Причем направление и фаза колебаний этих квантов совпадает с направлением и фазой падающей волны. Произойдет как бы эффект резонансного усиления волны, когда энергия выходной волны будет многократно превосходить энергию той, что была на входе.
Но каким образом добиться строгой параллельности излучаемых фотонов? Оказывается, это можно сделать с помощью весьма несложного приспособления, которое называется открытым зеркальным резонатором. Он состоит из активного вещества, помещенного в трубке между двумя зеркалами: обычного и полупрозрачного. Испускаемые веществом фотоны, попадая на полупрозрачное зеркало, частично проходят сквозь него. Остальные отражаются и летят в противоположном направлении, затем отражаются от левого зеркала (теперь уже все) и вновь достигают полупрозрачного зеркала. При этом поток фотонов после каждого прохода через возбужденное вещество многократно усиливается. Усиливаться, впрочем, будет только та волна, которая перемещается перпендикулярно зеркалам; все остальные, которые падают на зеркало хотя бы с незначительным отклонением от перпендикуляра, не получив достаточного усиления, покидают активное вещество через его стенки. В результате выходящий поток имеет очень узкую направленность. Именно такой принцип получения стимулированного излучения лежит в основе действия лазеров (само слово лазер составлено из первых букв английского определения light amplification by stimulated emission and radiation, что означает: усиление света посредством стимулированного излучения).
Созданию этого замечательного устройства предшествовала долгая история. Любопытно, что изобретением лазера техника обязана специалистам на первый взгляд далеким как от оптики, так и от квантовой электродинамики, а именно — радиофизикам. Однако в этом есть своя глубокая закономерность. Прежде уже говорилось, что с начала 40‑х годов радиофизики всего мира трудились над освоением сантиметрового и миллиметрового диапазона волн, поскольку это позволяло значительно упростить и уменьшить аппаратуру, особенно антенные системы. Но вскоре обнаружилось, что прежние ламповые генераторы едва ли можно приспособить для работы в новых условиях. С их помощью с трудом удавалось генерировать волны в 1 мм (при этом частота электромагнитных колебаний в этих генераторах достигала нескольких миллиардов за одну секунду), но создание генераторов для еще более коротких волн оказалось невозможным. Необходим был принципиально новый метод генерации электромагнитных волн.
Как раз в это время советские радиофизики Александр Прохоров и Николай Басов занялись изучением очень интересной проблемы — поглощением радиоволн газами. Еще во время войны было обнаружено, что волны некоторой длины, испущенные радаром, не отражаются, как другие, от окружающих предметов и не дают «эха». Например, пучок волны длиной 1, 3 см словно растворялся в пространстве — оказалось, что волны этой длины активно поглощаются молекулами водяного пара. Позже выяснилось, что каждый газ поглощает волны определенной длины таким образом, словно его молекулы как‑то «настроены» на него. От этих опытов был только шаг до следующей идеи: если атомы и молекулы способны поглощать волны определенной длины, значит, они могут и излучать их, то есть выступать в роли генератора. Так родилась мысль создать газовый генератор излучения, в котором бы вместо электронных ламп в качестве источников излучения использовались миллиарды молекул особым образом возбужденного газа. Перспективы такой работы казались очень заманчивыми, поскольку возникала возможность освоить для нужд радиотехники не только диапазон микроволновых волн, но и гораздо более коротких, например, диапазон видимых волн (длина волн видимого света 0, 4‑0, 76 микрон, что соответствует частоте порядка тысяч миллиардов колебаний в секунду).
Важнейшая проблема на этом пути заключалась в том, как создать активную среду. В качестве таковой Басов и Прохоров выбрали аммиак. Чтобы обеспечить работу генератора, необходимо было отделить активные молекулы газа, атомы которых находились в возбужденном состоянии, от невозбужденных, атомы которых были ориентированы на поглощение квантов. Схема установки, разработанная для этой цели, представляла собой сосуд, в котором был создан вакуум. В этот сосуд впускался тонкий пучок молекул аммиака. На их пути был установлен конденсатор высокого напряжения. Молекулы больших энергий свободно пролетали через его поле, а молекулы малых энергий увлекались в сторону полем конденсатора. Так происходит сортировка молекул по энергиям. Активные молекулы попадали в резонатор, устроенный так же, как тот, что был описан выше.
Первый квантовый генератор был создан в 1954 году. Он имел мощность всего в одну миллиардную ватта, так что его работу могли зарегистрировать только точные приборы. Но в данном случае гораздо важнее было то, что подтвердилась принципиальная правильность самой идеи. Это была замечательная победа, открывшая новую страницу в истории техники. В те же дни в Колумбийском университете группа американского радиофизика Чарльза Таунса создала аналогичный прибор, получивший название «мазер». (В 1963 г. Басов, Прохоров и Таунс за свое фундаментальное открытие получили Нобелевскую премию.)
Квантовый генератор Басова — Прохорова и мазер Таунса еще не были лазерами — они генерировали радиоволны длиной 1, 27 см, а лазеры испускают электромагнитные волны видимого диапазона, которые в десятки тысяч раз короче. Однако принцип работы обоих приборов одинаков, поэтому создателем лазера предстояло разрешить только частные задачи. Во‑первых, необходимо было найти подходящее активное вещество, которое могло бы переходить в возбужденное состояние, потому что не всякое вещество обладает таким свойством. Во‑вторых, создать источник возбуждения, то есть такое устройство, которое обладает способностью переводить активное вещество в возбужденное состояние посредством сообщения ему дополнительной энергии. В‑третьих, требовался открытый резонатор для того, чтобы заставить участвовать в возбуждении все возбужденные частицы активного вещества, а также для того, чтобы усилить только те колебания, которые распространяются вдоль продольной оси активного вещества. В‑четвертых, был необходим источник питания для того, чтобы подпитывать энергией источник возбуждения, иначе лазер не стал бы работать. Разрешить все эти проблемы можно разными способами. Работы велись многими учеными сразу в нескольких направлениях. Однако раньше других посчастливилось достигнуть заветной цели американскому физику Теодору Мейману, который в 1960 году создал первый лазер на рубиновой основе.
Сущность работы лазера на рубине состоит в следующем. Энергия от источника питания преобразуется источником возбуждения в электромагнитное поле, которым облучается активное вещество. В результате этого облучения активное вещество переходит из состояния равновесия в возбужденное состояние. Внутренняя энергия активного вещества значительно возрастает. Этот процесс носит название «накачки» или «подкачки» активного вещества, а источник возбуждения называется источником «накачки» или «подкачки». Когда атомы активного вещества перейдут в возбужденное состояние, достаточно одному электрону сорваться по каким‑либо причинам с верхнего уровня, чтобы он начал испускать фотон света, который, в свою очередь, сбросит несколько электронов с верхнего уровня, чем вызовет лавинообразное выделение энергии остальными возбужденными электронами. Открытый резонатор направит и усилит излучение активного вещества только в одном направлении. В качестве активного вещества Мейман использовал искусственный рубин (рубин представляет собой кристаллическое вещество, состоящее из окиси алюминия, в котором часть атомов алюминия замещена атомами хрома, что особенно важно, так как в поглощении света участвует не весь материал, а только ионы хрома).
Генератор возбуждения состоял из трех блоков: излучающей головки, блока питания и блока запуска. Излучающая головка создавала условия для работы активного вещества. Блок питания обеспечивал энергией заряд двух конденсаторов — основного и вспомогательного. Главным назначением блока запуска было генерирование импульса высокого напряжения и подача его на запускающий электрод лампы‑вспышки. Излучающая головка состояла из рубинового стержня и двух П‑образных ламп‑вспышек. Лампы были стандартные, наполненные ксеноном. Со всех сторон лампы и рубиновый стержень охватывала алюминиевая фольга, которая играла роль рефлектора. Конденсатор накапливал и подавал импульсное напряжение порядка 40 тысяч вольт, что вызывало мощную вспышку ламп. Вспышка мгновенно переводила атомы рубина в возбужденное состояние. Для следующего импульса необходима была новая зарядка конденсатора. Это в общем‑то очень простое устройство вызвало к себе огромный интерес. Если суть открытия Басова и Таунса была понятна лишь специалистам, то лазер Меймана производил огромное впечатление даже на непосвященных. В присутствии журналистов Мейман неоднократно включал свой прибор и демонстрировал его работу. При этом из отверстия в торце испускался луч, толщиной не больше карандаша. Почти не расширяясь, он упирался в стену, оканчиваясь ослепительным круглым пятнышком. Впрочем, Мейман лишь незначительно опередил других изобретателей. Прошло совсем немного времени, и сообщения о создании новых типов лазеров стали поступать со всех сторон.
В качестве активного вещества в лазерах кроме рубина могут использоваться и многие другие соединения, например, фтористый стронций с примесями, фтористый барий с примесями, стекло и т.д. Им может быть и газ. В том же 1960 году газовый лазер на гелий‑неоновой основе создал Али Джаван. Возбужденное состояние газовой смеси достигалось за счет сильного электрического поля и газовых разрядов. Однако как твердотельные, так и газовые лазеры имеют очень низкий КПД. Их выходная энергия не превышает 1% от потребленной. Следовательно, остальные 99% тратятся бесполезно. Поэтому очень важным стало изобретение в 1962 году Басовым, Крохиным и Поповым полупроводникового лазера. Советские физики открыли, что если на полупроводники воздействовать электрическим или световым импульсом, то часть электронов покинет свои атомы, и здесь образуются «дырки», которые играют роль положительных зарядов. Одновременное возвращение электронов на орбиты атомов можно рассматривать как переход с более высокого энергетического уровня на более низкий, за счет чего происходит излучение фотонов. КПД полупроводникового лазера при возбуждении электронным пучком может достигать 40%. В качестве активного вещества использовался арсенид галлия, содержащий примеси n‑типа. Из этого материала делались заготовки либо в форме куба, либо в форме параллелепипеда — так называемый полупроводниковый диод. Пластинку диода припаивали к молибденовому лепестку, покрытому золотом, чтобы обеспечить электрический контакт с n‑областью. На поверхность p‑области был нанесен сплав золота с серебром. Торцы диода играли роль резонатора, поэтому они тщательно полировались. Одновременно в процессе полировки их с высокой точностью выставляли параллельно друг другу. Излучение выходило именно из этих сторон диода. Верхняя и нижняя стороны служили контактами, к которым прикладывалось напряжение. На вход прибора подавались импульсы.
Лазеры очень быстро вошли в жизнь человека и стали применяться во многих областях техники и науки. Их промышленный выпуск начался в 1965 году, когда только в Америке более 460 компаний взялись за разработку и создание лазерных установок.
ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА
Микроэлектроника — наиболее значительное и, как считают многие, важнейшее научно‑техническое достижение современности. Сравнить ее можно с такими поворотными событиями в истории техники, как изобретение книгопечатания в XVI веке, создание паровой машины в XVIII веке и развитие электротехники в XIX. И когда сегодня речь заходит о научно‑технической революции, то в первую очередь имеется в виду именно микроэлектроника. Как ни одно другое техническое достижение наших дней, она пронизывает все сферы жизни и делает реальностью то, что еще вчера было просто невозможно себе представить. Чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить о карманных микрокалькуляторах, миниатюрных радиоприемниках, электронных управляющих устройствах в бытовых приборах, часах, компьютерах и программируемых ЭВМ. И это лишь небольшая часть области ее применения!
Своим возникновением и самим существованием микроэлектроника обязана созданию нового сверхминиатюрного электронного элемента — интегральной микросхемы. Появление этих схем, собственно, не было каким‑то принципиально новым изобретением — оно прямо вытекало из логики развития полупроводниковых приборов. Поначалу, когда полупроводниковые элементы только входили в жизнь, каждый транзистор, резистор или диод использовался по отдельности, то есть заключался в свой индивидуальный корпус и включался в схему при помощи своих индивидуальных контактов. Так поступали даже в тех случаях, когда приходилось собирать множество однотипных схем из одних и тех же элементов. Но постепенно пришло понимание того, что подобные устройства рациональнее не собирать из отдельных элементов, а сразу изготавливать на одном общем кристалле, тем более что полупроводниковая электроника создавала для этого все предпосылки. В самом деле, все полупроводниковые элементы по своему устройству очень похожи друг на друга, имеют одинаковый принцип действия и различаются только взаиморасположением p‑n областей. Эти p‑n области, как мы помним, создаются путем внесения однотипных примесей в поверхностный слой полупроводникового кристалла. Причем надежная и со всех точек зрения удовлетворительная работа подавляющего большинства полупроводниковых элементов обеспечивается при толщине поверхностного рабочего слоя в тысячные доли миллиметра. В самых миниатюрных транзисторах обычно используется только верхний слой полупроводникового кристалла, составляющий всего 1% его толщины. Остальные 99% выполняют роль носителя или подложки, так как без подложки транзистор просто мог разрушиться от малейшего прикосновения. Следовательно, используя технологию, применяемую для изготовления отдельных электронных компонентов, можно сразу создать на одном кристалле законченную схему из нескольких десятков, сотен и даже тысяч таких компонентов. Выигрыш от этого будет огромный. Во‑первых, сразу снизятся затраты (стоимость микросхемы обычно в сотни раз меньше, чем совокупная стоимость всех электронных элементов ее составляющих). Во‑вторых, такое устройство будет гораздо надежнее (как показывает опыт, в тысячи и десятки тысяч раз), а это имеет колоссальное значение, поскольку поиск неисправности в схеме из десятков или сотен тысяч электронных компонентов превращается в чрезвычайно сложную проблему. В‑третьих, из‑за того, что все электронные элементы интегральной микросхемы в сотни и тысячи раз меньше своих аналогов в обычной сборной схеме, их энергопотребление намного меньше, а быстродействие — гораздо выше.
Ключевым событием, возвестившем приход интегрализации в электронику, явилось предложение американского инженера Дж. Килби из фирмы «Texas Instruments» получать эквивалентные элементы для всей схемы, такие как регистры, конденсаторы, транзисторы и диоды в монолитном куске чистого кремния. Первую интегральную полупроводниковую схему Килби создал летом 1958 года. А уже в 1961 году фирма «Fairchild Semiconductor Corporation» выпустила первые серийные микросхемы для ЭВМ: схему совпадений, полусдвигающий регистр и триггер. В том же году производство полупроводниковых интегральных логических схем освоила фирма «Texas». В следующем году появились интегральные схемы других фирм. В короткое время в интегральном исполнении были созданы различные типы усилителей. В 1962 году фирма RCA разработала интегральные микросхемы матриц памяти для запоминающих устройств ЭВМ. Постепенно выпуск микросхем был налажен во всех странах — эра микроэлектроники началась.
Исходным материалом для интегральной микросхемы обычно служит необработанная пластина из чистого кремния. Она имеет сравнительно большие размеры, так как на ней одновременно изготавливают сразу несколько сотен однотипных микросхем. Первая операция состоит в том, что под воздействием кислорода при температуре 1000 градусов на поверхности этой пластины формируют слой двуокиси кремния. Оксид кремния отличается большой химической и механической стойкостью и обладает свойствами прекрасного диэлектрика, обеспечивающего надежную изоляцию расположенному под ним кремнию. Следующий шаг — внесение примесей для создания зон p или n проводимости. Для этого оксидную пленку удаляют с тех мест пластины, которые соответствуют отдельным электронным компонентам. Выделение нужных участков происходит с помощью процесса, получившего название фотолитографии. Сначала весь слой оксида покрывают светочувствительным составом (фоторезистом), который играет роль фотографической пленки — его можно засвечивать и проявлять. После этого через специальный фотошаблон, содержащий рисунок поверхности полупроводникового кристалла, пластину освещают ультрафиолетовыми лучами. Под воздействием света на слое оксида формируется плоский рисунок, причем незасвеченные участки остаются светлыми, а все остальные — затемненными. В том месте, где фоторезистор подвергся действию света, образуются нерастворимые участки пленки, стойкие к кислоте. Затем пластину обрабатывают растворителем, который удаляет фоторезист с засвеченных участков. С открывшихся мест (и только с них) слой оксида кремния вытравливают с помощью кислоты. В результате в нужных местах оксид кремния растворяется и открываются «окна» чистого кремния, готовые к внесению примесей (лигированию). Для этого поверхность подложки при температуре 900‑1200 градусов подвергают воздействию нужной примеси, например, фосфора или мышьяка, для получения проводимости n‑типа. Атомы примеси проникают в глубь чистого кремния, но отталкиваются его оксидом. Обработав пластину одним видом примеси, готовят ее для лигирования другим видом — поверхность пластины вновь покрывают слоем оксида, проводят новую фотолитографию и травление, в результате чего открываются новые «окошки» кремния. Вслед за тем следует новое лигирование, например бором, для получения проводимости p‑типа. Так на всей поверхности кристалла в нужных местах образуются p и n области. (Изоляция между отдельными элементами может создаваться несколькими способами: такой изоляцией может служить слой оксида кремния, можно также создавать в нужных местах запирающие p‑n переходы.) Следующий этап обработки связан с нанесением токопроводящих соединений (токопроводящих линий) между элементами интегральной схемы, а также между этими элементами и контактами для подключения внешних цепей. Для этого на подложку напыляют тонкий слой алюминия, который оседает в виде тончайшей пленки. Ее подвергают фотолитографической обработке и травлению, аналогичным описанным выше. В результате от всего слоя металла остаются только тонкие токопроводящие линии и контактные площадки. В заключение всю поверхность полупроводникового кристалла покрывают защитным слоем (чаще всего, силикатным стеклом), который затем удаляют с контактных площадок. Все изготовленные микросхемы подвергаются строжайшей проверке на контрольно‑испытательном стенде. Дефектные схемы помечаются красной точкой. Наконец кристалл разрезается на отдельные пластинки‑микросхемы, каждая из которых заключается в прочный корпус с выводами для присоединения к внешним цепям.
Сложность интегральной схемы характеризуется показателем, который получил название степени интеграции. Интегральные схемы, насчитывающие более 100 элементов, называются микросхемами с малой степенью интеграции; схемы, содержащие до 1000 элементов, — интегральными схемами со средней степенью интеграции; схемы, содержащие до десятка тысяч элементов, — большими интегральными схемами. Уже изготавливаются схемы, содержащие до миллиона элементов (они называются сверхбольшими). Постепенное повышение интеграции привело к тому, что схемы с каждым годом становятся все более миниатюрными и соответственно все более сложными. Огромное количество электронных устройств, имевших раньше большие габариты, умещаются теперь на крошечной кремниевой пластинке. Чрезвычайно важным событием на этом пути стало создание в 1971 году американской фирмой «Интел» единой интегральной схемы для выполнения арифметических и логических операций — микропроцессора. Это повлекло за собой грандиозный прорыв микроэлектроники в сферу вычислительной техники.
КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ
Космическими кораблями в наше время называются аппараты, созданные для доставки космонавтов на околоземную орбиту и возвращения их потом на Землю. Понятно, что технические требования к космическому кораблю более жесткие, чем к любым другим космическим аппаратам. Условия полета (перегрузки, температурный режим, давление и т.п.) должны выдерживаться для них очень точно, дабы не создалась угроза жизни человека. В корабле, который на несколько часов или даже суток становится домом для космонавта, должны быть созданы нормальные человеческие условия — космонавт должен дышать, пить, есть, спать, отправлять естественные потребности. Он должен иметь возможность в процессе полета разворачивать корабль по своему усмотрению и менять орбиту, то есть корабль при своем движении в пространстве должен легко переориентироваться и управляться. Для возвращения на Землю космический корабль должен погасить всю ту огромную скорость, которую сообщила ему при старте ракета‑носитель. Если бы Земля не имела атмосферы, на это пришлось бы потратить столько же горючего, сколько было израсходовано при подъеме в космос. К счастью, в этом нет необходимости: если осуществлять посадку по очень пологой траектории, постепенно погружаясь в плотные слои атмосферы, то можно затормозить корабль о воздух с минимальной затратой горючего. Как советские «Востоки», так и американские «Меркурии» осуществляли посадку именно таким образом и этим объясняются многие особенности их конструкции. Поскольку значительная часть энергии при торможении идет на нагрев корабля, то без хорошей тепловой защиты он просто сгорит, как сгорает в атмосфере большая часть метеоритов и заканчивающих свое существование спутников. Поэтому приходится защищать корабли громоздкими жаропрочными теплозащитными оболочками. (Например, на советском «Востоке» ее вес составлял 800 кг — треть всего веса спускаемого аппарата.) Желая по возможности облегчить корабль, конструкторы снабжали этим экраном не весь корабль, а только корпус спускаемого аппарата. Таким образом, с самого начала утвердилась конструкция разделяющегося корабля (она была опробована на «Востоках», а потом стала классической для всех советских и многих американских космических кораблей). Корабль состоит как бы из двух самостоятельных частей: приборного отсека и спускаемого аппарата (последний служит во время полета кабиной космонавта).
Первый советский космический корабль «Восток» при общей массе 4, 73 т выводился на орбиту с помощью трехступенчатой ракеты‑носителя того же названия. Полная стартовая масса космического комплекса составляла 287 т. Конструктивно «Восток» состоял из двух основных отсеков: спускаемого аппарата и приборного отсека. Спускаемый аппарат с кабиной космонавта был выполнен в форме шара диаметром 2, 3 м и имел массу 2, 4 т.
Герметичный корпус изготовлялся из алюминиевого сплава. Внутри спускаемого аппарата конструкторы стремились расположить только те системы и приборы корабля, которые были необходимы в течение всего полета, или те, которыми непосредственно пользовался космонавт. Все остальные были вынесены в приборный отсек. Внутри кабины размещалось катапультируемое кресло космонавта. (На случай, если бы пришлось катапультироваться при старте, кресло снабжалось двумя пороховыми ускорителями.) Здесь же находились пульт управления, запасы пищи и воды. Система жизнеобеспечения была рассчитана на работу в течение десяти суток. Космонавт должен был в течение всего полета находиться в герметическом скафандре, но с открытым шлемом (этот шлем автоматически закрывался в случае внезапной разгерметизации кабины).
Внутренний свободный объем спускаемого аппарата составлял 1, 6 кубического метра. Необходимые условия в кабине космического корабля поддерживали две автоматические системы: система жизнеобеспечения и система терморегулирования. Как известно, человек в процессе жизнедеятельности потребляет кислород, выделяет углекислый газ, тепло и влагу. Эти две системы как раз и обеспечивали поглощение углекислого газа, пополнение кислородом, отбор из воздуха избыточной влаги и отбор тепла. В кабине «Востока» поддерживалось привычное на Земле состояние атмосферы с давлением 735‑775 мм рт. ст. и 20‑25% содержания кислорода. Устройство системы терморегулирования отчасти напоминало кондиционер. Она содержала воздушно‑жидкостной теплообменник, по змеевику которого протекала охлажденная жидкость (холодоноситель). Вентилятор прогонял через теплообменник теплый и влажный воздух кабины, который охлаждался на его холодных поверхностях. Влага при этом конденсировалась. Холодоноситель поступал в спускаемый аппарат из приборного отсека. Поглотившая тепло жидкость принудительно прогонялась насосом через радиатор‑излучатель, расположенный на наружной конической оболочке приборного отсека. Температура холодоносителя автоматически поддерживалась в нужном диапазоне при помощи специальных жалюзи, закрывавших радиатор. Створки жалюзи могли открываться или закрываться, изменяя потоки тепла, излучаемые радиатором. Чтобы поддерживать нужный состав воздуха, в кабине спускаемого аппарата имелось регенерационное устройство. Воздух кабины при помощи вентилятора непрерывно прогонялся через специальные сменные патроны, содержавшие надперекиси щелочных металлов. Такие вещества (например, K2O4) способны эффективно поглощать углекислый газ и выделять при этом кислород. Работой всей автоматики руководило бортовое программное устройство. Включение различных систем и приборов производилось как по командам с Земли, так и самим космонавтом. На «Востоке» имелся целый комплекс радиосредств, позволявший вести и поддерживать двухстороннюю связь, производить различные измерения, вести управление кораблем с Земли и многое другое. С помощью передатчика «Сигнал» постоянно поступала информация датчиков, расположенных на теле космонавта, относительно его самочувствия. Основу системы энергоснабжения составляли серебряно‑цинковые аккумуляторы: основная батарея размещалась в приборном отсеке, а дополнительная, обеспечивающая электропитание на спуске — в спускаемом аппарате.
Приборный отсек имел массу 2, 27 т. Вблизи его стыка со спускаемым аппаратом находились 16 сферических баллонов с запасами сжатого азота для микродвигателей ориентации и кислорода для системы жизнеобеспечения. Очень важное значение в любом космическом корабле играет система ориентации и управления движением. На «Востоке» она включала в себя несколько подсистем. Первая из них — навигационная — состояла из ряда датчиков положения космического корабля в пространстве (в том числе датчик Солнца, гироскопические датчики, оптическое устройство «Взор» и другие). Сигналы от датчиков поступали в управляющую систему, которая могла работать автоматически или с участием космонавта. На пульте космонавта имелась рукоятка ручного управления ориентацией космического корабля. Разворачивание корабля происходило при помощи целого набора расположенных определенным образом небольших реактивных сопел, в которые подавался из баллонов сжатый азот. Всего на приборном отсеке имелось два комплекта сопел (по восемь в каждом), которые могли подключаться к трем группам баллонов. Главная задача, которая решалась при помощи этих сопел, заключалась в том, чтобы правильно ориентировать корабль перед подачей тормозного импульса. Это требовалось сделать в определенном направлении и в строго определенное время. Ошибка здесь не допускалась.
Тормозная двигательная установка с тягой 15, 8 килоньютон находилась в нижней части отсека. Она состояла из двигателя, топливных баков и системы подачи горючего. Время ее работы составляло 45 секунд. Перед возвращением на Землю тормозную двигательную установку ориентировали таким образом, чтобы дать тормозной импульс около 100 м/с. Этого было достаточно для перехода на траекторию спуска. (При высоте полета 180‑240 км орбита была рассчитана таким образом, что даже при отказе тормозной установки корабль через десять суток все равно вошел бы в плотные слои атмосферы. Именно на этот срок и был рассчитан запас кислорода, питьевой воды, пищи, заряд аккумуляторов.) Затем происходило отделение спускаемого аппарата от приборного отсека. Дальнейшее торможение корабля шло уже за счет сопротивления атмосферы. При этом перегрузки достигали 10 g, то есть вес космонавта увеличивался в десять раз.
Скорость спускаемого аппарата в атмосфере снижалась до 150‑200 м/с. Но чтобы обеспечить безопасное приземление при соприкосновении с землей, его скорость не должна была превышать 10 м/с. Избыток скорости гасился за счет парашютов. Они раскрывались постепенно: сначала вытяжной, потом — тормозной и, наконец, основной. На высоте 7 км космонавт должен был катапультироваться и приземляться отдельно от спускаемого аппарата со скоростью 5‑6 м/с. Это осуществлялось при помощи катапультирующегося кресла, которое устанавливалось на специальных направляющих и выстреливалось из спускаемого аппарата после отделения крышки люка. Здесь также сначала раскрывался тормозной парашют кресла, а на высоте 4 км (при скорости 70‑80 м/с) космонавт отстегивался от кресла и дальше спускался на своем собственном парашюте.
Работа по подготовке пилотируемого полета в КБ Королева началась в 1958 году. Первый запуск «Востока» в беспилотном режиме был произведен 15 мая 1960 года. Из‑за неправильной работы одного из датчиков перед включением тормозной двигательной установки корабль оказался неправильно ориентирован и, вместо того чтобы опускаться, перешел на более высокую орбиту. Второй запуск (23 июля 1960 г.) был еще менее удачным — в самом начале полета произошла авария. Спускаемый аппарат отделился от корабля и разрушился при падении. Во избежание этой опасности на всех следующих кораблях была введена система аварийного спасения. Зато третий запуск «Востока» (19‑20 августа 1960 г.) был вполне успешным — на второй день спускаемый аппарат вместе со всеми подопытными животными: мышами, крысами и двумя собаками — Белкой и Стрелкой — благополучно совершил посадку в заданном районе. Это был первый в истории космонавтики случай возвращения живых существ на Землю после совершения космического полета. Но следующий полет (1 декабря 1960 г.) опять имел неблагополучный исход. Корабль вышел в космос и выполнил всю программу. Через сутки была подана команда к возвращению на землю. Однако из‑за отказа тормозной двигательной установки спускаемый аппарат вошел в атмосферу с чрезмерно большой скоростью и сгорел. Вместе с ним погибли подопытные собаки Пчелка и Мушка. Во время старта 22 декабря 1960 года произошла авария последней ступени, но система аварийного спасения сработала надлежащим образом — спускаемый аппарат приземлился без повреждений. Только шестой (9 марта 1961 г.) и седьмой (25 марта 1961 г.) старты «Востока» прошли вполне благополучно. Совершив по одному обороту вокруг Земли, оба корабля благополучно вернулись на Землю вместе со всеми подопытными животными. Эти два полета полностью моделировали будущий полет человека, так что даже в кресле находился специальный манекен. Первый в истории полет человека в космос состоялся, как известно, 12 апреля 1961 года. Советский космонавт Юрий Гагарин на корабле «Восток‑1» совершил один виток вокруг Земли и в тот же день благополучно возвратился на Землю (весь полет продолжался 108 минут). Так была открыта эра пилотируемых полетов.
В США подготовка к пилотируемому полету по программе «Меркурий» также началась в 1958 году. Вначале проводились беспилотные полеты, потом полеты по баллистической траектории. Первые два запуска «Меркурия» по баллистической траектории (в мае и июле 1961 г.) производились с помощью ракеты «Редстоун», а следующие выводились на орбиту с помощью ракеты‑носителя «Атлас‑D». 20 февраля 1962 года американский астронавт Джон Гленн на «Меркурии‑6» совершил первый орбитальный полет вокруг Земли.
Первый американский космический корабль был значительно меньше советского. Ракета‑носитель «Атлас‑D» при стартовой массе 111, 3 тонн была способна вывести на орбиту груз не более 1, 35 тонны. Поэтому корабль «Меркурий» проектировался при крайне жестких ограничениях по массе и габаритам. Основу корабля составляла возвращаемая на Землю капсула. Она имела форму усеченного конуса со сферическим днищем и цилиндрической верхней частью. На основании конуса размещалась тормозная установка из трех твердотопливных реактивных двигателей по 4, 5 килоньютон и временем работы 10 секунд. При спуске капсула входила в плотные слои атмосферы днищем вперед. Поэтому тяжелый теплозащитный экран располагался только здесь. В передней цилиндрической части находилась антенна и парашютная секция. Парашютов было три: тормозной, основной и запасной, которые выталкивались с помощью пневмобаллона.
Внутри кабины пилота имелся свободный объем 1, 1 кубических метра. Астронавт, одетый в герметический скафандр, располагался в кресле. Перед ним находились иллюминатор и пульт управления. На ферме над кораблем помещался пороховой двигатель САС. Система жизнеобеспечения на «Меркурии» существенно отличалась от той, что была на «Востоке». Внутри корабля создавалась чисто кислородная атмосфера с давлением 228‑289 мм рт. ст. По мере потребления кислород из баллонов подавался в кабину и скафандр астронавта. Для удаления углекислоты использовалась система с гидроокисью лития. Скафандр охлаждался кислородом, который, перед тем как использоваться для дыхания, подавался к нижней части тела. Температура и влажность поддерживались с помощью теплообменников испарительного типа — влага собиралась с помощью губки, которая периодически отжималась (оказалось, что в условиях невесомости такой способ не годился, поэтому он использовался только на первых кораблях). Энергопитание обеспечивалось аккумуляторными батареями. Вся система жизнеобеспечения была рассчитана только на 1, 5 суток. Для управления ориентацией «Меркурий» имел 18 управляемых двигателей, работавших на однокомпонентном топливе — перекиси водорода. Астронавт приводнялся вместе с кораблем на поверхность океана. Капсула имела неудовлетворительную плавучесть, поэтому на всякий случай на ней имелся надувной плот.
РОБОТ
Роботом называют автоматическое устройство, имеющее манипулятор — механический аналог человеческой руки — и систему управления этим манипулятором. Обе эти составные части могут иметь различное устройство — от очень простого до чрезвычайно сложного. Манипулятор обычно состоит из шарнирно соединенных звеньев, как рука человека состоит из костей, связанных суставами, и заканчивается охватом, который является чем‑то вроде кисти человеческой руки.
Звенья манипулятора подвижны друг относительно друга и могут совершать вращательные и поступательные движения. Иногда вместо схвата последним звеном манипулятора служит какой‑нибудь рабочий инструмент, например, дрель, гаечный ключ, краскораспылитель или сварочная горелка.
Перемещение звеньев манипулятора обеспечивают так называемые приводы — аналоги мускулов в руке человека. Обычно в качестве таковых используются электродвигатели. Тогда привод включает в себя еще редуктор (систему зубчатых передач, которые снижают число оборотов двигателя и увеличивают вращающие моменты) и электрическую схему управления, регулирующую скорость вращения электродвигателя.
Кроме электрического часто применяется гидравлический привод. Действие его очень просто. В цилиндр 1, в котором находится поршень 2, соединенный с помощью штока с манипулятором 3, поступает под давлением жидкость, которая передвигает поршень в ту или иную сторону, а вместе с ним и «руку» робота. Направление этого движения определяется тем, в какую часть цилиндра (в пространство над поршнем или под ним) попадает в данный момент жидкость. Гидропривод может сообщить манипулятору и вращательное движение. Точно так же действует пневматический привод, только вместо жидкости здесь применяется воздух.
Таково в общих чертах устройство манипулятора. Что касается сложности задач, которые может разрешать тот или иной робот, то они во многом зависят от сложности и совершенства управляющего устройства. Вообще, принято говорить о трех поколениях роботов: промышленных, адаптивных и роботах с искусственным интеллектом.
Самые первые образцы простых промышленных роботов были созданы в 1962 году в США. Это были «Версатран» фирмы «АМФ Версатран» и «Юнимейт» фирмы «Юнимейшн Инкорпорейтед». Эти роботы, а также те, что последовали за ними, действовали по жесткой, не меняющейся в процессе работы программе и были предназначены для автоматизации несложных операций при неизменном состоянии окружающей среды. В качестве управляющего устройства для таких роботов мог служить, например, «программируемый барабан». Действовал он так: на цилиндре, вращаемом электродвигателем, размещались контакты приводов манипулятора, а вокруг барабана — токопроводящие металлические пластины, замыкавшие эти контакты, когда те их касались. Расположение контактов было таким, чтобы при вращении барабана приводы манипулятора включались в нужное время, и робот начинал выполнять запрограммированные операции в нужной последовательности. Точно так же управление могло осуществляться с помощью перфокарты или магнитной ленты.
Очевидно, что даже малейшее изменение окружающей обстановки, малейший сбой в технологическом процессе, ведет к нарушению действий такого робота. Однако они обладают и немалыми преимуществами — они дешевы, просты, легко перепрограммируются и вполне могут заменить человека при выполнении тяжелых однообразных операций. Именно на такого типа работах и были впервые применены роботы. Они хорошо справлялись с простыми технологическими повторяющимися операциями: выполняли точечную и дуговую сварку, осуществляли загрузку и разгрузку, обслуживали прессы и штампы. Робот «Юнимейт», например, был создан для автоматизации контактной точечной сварки кузовов легковых автомобилей, а робот типа «SMART» устанавливал колеса на легковые автомобили.
Однако принципиальная невозможность автономного (без вмешательства человека) функционирования роботов первого поколения очень затрудняла их широкое внедрение в производство. Ученые и инженеры настойчиво старались устранить этот недостаток. Результатом их трудов стало создание гораздо более сложных адаптивных роботов второго поколения. Отличительная черта этих роботов состоит в том, что они могут изменять свои действия в зависимости от окружающей обстановки. Так, при изменении параметров объекта манипулирования (его угловой ориентации или местоположения), а также окружающей среды (скажем, при появлении каких‑то препятствий на пути движения манипулятора) эти роботы могут соответственно спроектировать свои действия.
Понятно, что, работая в изменяющейся среде, робот должен постоянно получать о ней информацию, иначе он не сможет ориентироваться в окружающем пространстве. В связи с этим адаптивные роботы имеют значительно более сложную, чем роботы первого поколения, систему управления. Эта система распадается на две подсистемы: 1) сенсорную (или очувствления) — в нее входят те устройства, которые собирают информацию о внешней окружающей среде и о местоположении в пространстве различных частей робота; 2) ЭВМ, которая анализирует эту информацию и в соответствии с ней и заданной программой управляет перемещением робота и его манипулятора.
К сенсорным устройствам относятся тактильные датчики осязания, фотометрические датчики, ультразвуковые, локационные, а также различные системы технического зрения. Последние имеют особенно важное значение. Главная задача технического зрения (собственно «глаза» робота) состоит в том, чтобы преобразовать изображения объектов окружающей среды в электрический сигнал, понятный для ЭВМ. Общий принцип систем технического зрения состоит в том, что с помощью телевизионной камеры в ЭВМ передается информация о рабочем пространстве. ЭВМ сравнивает ее с имеющимися в памяти «моделями» и выбирает соответствующую обстоятельствам программу. На этом пути одна из центральных проблем при создании адаптивных роботов заключалась в том, чтобы научить машину распознавать образы. Из многих объектов робот должен выделить те, которые ему необходимы для выполнения каких‑то действий. То есть он должен уметь различать признаки объектов и классифицировать объекты по этим признакам. Это происходит благодаря тому, что робот имеет в памяти прототипы образов нужных объектов и сравнивает с ними те, что попадают в поле его зрения. Обычно задача «узнавания» нужного объекта распадается на несколько более простых задач: робот ищет в окружающей среде нужный предмет путем изменения ориентации своего взгляда, измеряет дальность до объектов наблюдения, автоматически подстраивает чувствительный видеодатчик в соответствие с освещенностью предмета, сравнивает каждый предмете «моделью», которая хранится в его памяти, по нескольким признакам, то есть выделяет контуры, текстуру, цвет и другие признаки. В результате всего этого происходит «узнавание» объекта.
Следующим этапом работы адаптивного робота обычно являются какие‑то действия с этим предметом. Робот должен приблизиться к нему, захватить и переставить на другое место, притом не как попало, а определенным образом. Чтобы выполнить все эти сложные манипуляции, одних знаний об окружающей обстановке недостаточно — робот должен точно контролировать каждое свое движение и как бы «ощущать» себя в пространстве. С этой целью кроме сенсорной системы, отражающей внешнюю среду, адаптивный робот оснащается сложной системой внутренней информации: внутренние датчики постоянно передают ЭВМ сообщения о местоположении каждого звена манипулятора. Они как бы дают машине «внутреннее чувство». В качестве таких внутренних датчиков могут использоваться, например, высокоточные потенциометры.
Высокоточный потенциометр представляет собой прибор типа хорошо известного реостата, но отличающийся более высокой точностью. В нем вращающийся контакт не перескакивает с витка на виток, как при смещении ручки обычного реостата, а следует вдоль самих витков провода. Потенциометр крепится внутри манипулятора, так что при повороте одного звена относительно другого подвижный контакт тоже смещается и, следовательно, сопротивление прибора изменяется. Анализируя величину его изменения, ЭВМ судит о местоположении каждого из звеньев манипулятора. Скорость перемещения манипулятора связана со скоростью вращения электродвигателя в приводе. Имея всю эту информацию, ЭВМ может измерить скорость движения манипулятора и руководить его перемещением.
Каким же образом робот «планирует» свое поведение? В этой способности нет ничего сверхъестественного — «сообразительность» машины всецело зависит от сложности составленной для нее программы. В памяти ЭВМ адаптивного робота обычно заложено столько различных программ, сколько может возникнуть различных ситуаций. Пока ситуация не меняется, робот действует по базовой программе. Когда же внешние датчики сообщают ЭВМ об изменении ситуации, она анализирует ее и выбирает ту программу, которая более соответствует данной ситуации. Имея общую программу «поведения», запас программ для каждой отдельной ситуации, внешнюю информацию об окружающей среде и внутреннюю информацию о состоянии манипулятора, ЭВМ руководит всеми действиями робота.
Первые модели адаптивных роботов появились фактически одновременно с промышленными роботами. Прообразом для них послужил автоматически действующий манипулятор, разработанный в 1961 году американским инженером Эрнстом и названный впоследствии «рукой Эрнста». Этот манипулятор имел захватывающее устройство, снабженное различными датчиками — фотоэлектрическими, тактильными и другими. С помощью этих датчиков, а также управляющей ЭВМ он находил и брал заданные ему произвольно расположенные предметы. В 1969 году в Стэнфордском университете (США) был создан более сложный робот «Шейки». Эта машина также обладала техническим зрением, могла распознавать окружающие предметы и оперировать ими по заданной программе.
Робот приводился в движение с помощью двух шаговых электродвигателей, имеющих независимый привод к колесам на каждой стороне тележки. В верхней части робота, которая могла поворачиваться вокруг вертикальной оси, были установлены телевизионная камера и оптический дальномер. В центре располагался блок управления, который распределял команды, поступающие от ЭВМ к механизмам и устройствам, реализующим соответствующие действия. По периметру устанавливались сенсорные датчики для получения информации о столкновении робота с препятствиями. «Шейки» мог перемещаться по кратчайшему пути в заданное место помещения, вычисляя при этом траекторию таким образом, чтобы избежать столкновения (он воспринимал стены, двери, дверные проемы). ЭВМ из‑за своих больших габаритов находилась отдельно от робота. Связь между ними осуществлялась по радио. Робот мог выбирать нужные предметы и перемещать их «толканием» (манипулятора у него не было) в нужное место.
Позже появились другие модели. Например, в 1977 году фирмой «Quasar Industries» был создан робот, который умел подметать полы, вытирать пыль с мебели, работать с пылесосом и удалять растекшуюся по полу воду. В 1982 году фирма «Мицубиси» объявила о создании робота, который был настолько ловок, что мог зажигать сигарету и снимать телефонную трубку. Но самым замечательным был признан созданный в том же году американский робот, который с помощью своих механических пальцев, камеры‑глаза и компьютера‑мозга менее чем за четыре минуты собирал кубик Рубика. Серийный выпуск роботов второго поколения начался в конце 70‑х годов. Особенно важно то, что их можно успешно использовать на сборочных операциях (например, при сборке пылесосов, будильников и других несложных бытовых приборов) — этот вид работ до сих с большим трудом поддавался автоматизации. Адаптивные роботы стали важной составной частью многих гибких (быстро перестраивающихся на выпуски новой продукции) автоматизированных производств.
Третье поколение роботов — роботы с искусственным интеллектом — пока еще только проектируется. Их основное назначение — целенаправленное поведение в сложной, плохо организованной среде, притом в таких условиях, когда невозможно предусмотреть все варианты ее изменения. Получив какую‑то общую задачу, такой робот должен будет сам разработать программу ее выполнения для каждой конкретной ситуации (напомним, что адаптивный робот может лишь выбирать одну из предложенных программ). В случае, если операция не удалась, робот с искусственным интеллектом сможет проанализировать неудачу, составить новую программу и повторить попытку.