Читать книгу Рождение машин. Неизвестная история кибернетики - Томас Рид - Страница 5

Задолго до того, как кибернетика заговорила о своих цепочках «обратной связи», один из талантливейших инженеров своего времени работал над вопросами управления и взаимодействия в условиях войны. Воздушный бой – сложная задача, однако европейский блицкриг высветил новую проблему – необходимость развития противовоздушной обороны. Просто увидеть цель в то время уже было сложнейшей задачей. Прожекторы мало помогали. Когда немецкий бомбардировщик «Юнкерс-88» попадал в линию света, стрелять было уже поздно, и самолет стремительно уносился прочь. Чтобы справиться со своей задачей, системам противовоздушной обороны нужно было видеть самолет до того, как его увидят люди, им требовалась большая чувствительность. Эта задача была решена с помощью радара.

Термин «радар» изначально был аббревиатурой фразы «radio detection and ranging» (радиообнаружение и измерение дальности). Главной задачей радаров было определять расстояние от радиолокационной станции до объекта. К 1940 году и страны «оси», и союзники начали использовать коротковолновые радары. Гораздо более значимая технология микроволновых радаров пока не была открыта, однако это должно было вот-вот случиться. До того как появились атомные бомбы, микроволновый радар считался наиболее мощным секретным оружием, критически важной новой технологией, от которой зависела победа или поражение от стран «оси»[23].

По словам The New York Times, радар может «видеть сквозь самый густой туман и непроглядную ночь». Принцип его работы прост, это немного похоже на бросок камня в темную дыру и измерение того, как долго он будет лететь до земли: радиостанция посылает радиоволны, цель отражает энергию этих волн, а антенна принимает отраженный сигнал. Время, которое требуется, чтобы получить отраженный сигнал (эхо), и определяет удаленность цели. Электромагнитный импульс радара движется со скоростью света, 299 792 458 метров в секунду. Если объект находится в 24 километрах от радара, его эхо вернется через 0,00016 секунды. Выявленную дальность и направление объекта операторы видят на «экране», круглом дисплее, напоминающем слабо освещенный циферблат часов. На экране изображено несколько концентрических колец, а иногда карта. Цель появляется на экране как маленькая светящаяся точка. Расстояние от точки до центра экрана зависит от того, сколько времени ушло на получение эхо-сигнала. Важно, что радар указывает точное направление цели, независимо от ее удаленности. За это отвечает антенна, которая поворачивается и испускает направленные импульсы, похожие на прожекторы из микроволн. Цель появляется на экране оператора, когда вращающаяся антенна оказывается напротив нее. Высота цели рассчитывается с помощью угла поворота антенны. Конечно, радар улавливает и шумы. Справочники по радарам 1940-х годов включали в себя обширные параграфы по «изучению и интерпретации всех типов контактов в индикаторах радара»[24]. Это было настоящее искусство – правильно считывать размер точки, ее форму, частоту мерцания, флуктуации по высоте, перемещение в диапазоне и азимут. Работа операторов была очень серьезной: если перепутать шум и настоящий сигнал, можно выстрелить в скалу или в дружественный самолет вместо вражеского.

Официальная разработка первого американского серийного радара, SCR‐268, началась в 1936 году. Он был очень неудобен из-за огромных размеров антенн – около 12 метров в ширину и 3 метра в высоту. Кроме того, он был еще и очень неточным из-за того, что работал на длинной, около одного метра, волне. Использовать радар было все равно что изучать землю с высоты птичьего полета без возможности приблизиться, чтобы рассмотреть детали. Теоретически проблема решалась простым переходом на короткие или микроволны. Короткие волны с большой частотой имели критически важное преимущество, ведь чем короче волна, тем уже поисковый луч и тем выше разрешение картинки, которую видит оператор. Новый радар позволил бы приближать карту, не теряя высокого разрешения, и это был бы по-настоящему удобный инструмент. Проблема заключалась в том, что, хотя физики знали о существовании микроволн, никто еще не нашел способа их генерации[25]. Немецкие инженеры сразу признали задачу построения микроволновых радаров технически невозможной[26].

МТИ удалось разрешить эту задачу, и в этом есть доля иронии: разрушая Англию, Германия помогла создать мощное оружие, которое помогло ее победить. Свирепые атаки немецких сил на Лондон и юго-восточную Англию привели к тому, что Британия сосредоточила усилия всех своих инженеров на быстрой разработке продукции военного назначения. Научные исследования потеряли часть финансирования, поэтому сэр Генри Тизард, член Комитета по аэронавигационным исследованиям Британии, позволил США проводить изыскания, связанные с британскими секретными экспериментами в области микроволновой технологии. В конце 1939 года исследователи из Бирмингемского университета сделали сенсационное открытие и построили микроволновую пушку, назвав ее «магнетрон»[27].

Электрические системы наведения требовали меньше навыков от операторов, меньше времени и денег для производства, а в работе позволяли получить большую точность, скорость и гибкость.

Крошечное изобретение было примечательно тем, что могло испускать столь желанные короткие волны и работало в сантиметровом диапазоне. А его миниатюрные размеры позволяли устанавливать его на самолеты и корабли. Магнетрон открывал широкие возможности для военных самолетов: теперь солдаты могли увидеть врага в любое время суток, в то время как враг еще не видел их. Кроме того, мобильные радары позволяли самолетам летать в темноте, а кораблям – маневрировать в густом тумане. И это еще не все: сигнал радара, если он работает с десяти- и трехсантиметровыми волнами, гораздо труднее заглушить, чем длинноволновый сигнал. Это давало большое преимущество – теперь союзники могли заглушить сигнал врага, лишив его ориентиров, и не ослепить при этом свои собственные приборы.

Американская программа разработки радаров кардинально изменилась 28 августа 1940 года – со встречи двух ученых. В ту среду свирепый тропический шторм обрушился на среднеатлантические штаты. Вэнивар Буш обедал с Тизардом в вашингтонском клубе «Космос». Они хорошо поладили, обнаружив общий интерес к практическому применению гражданских исследований. Этот обед послужил толчком к целой серии событий, в результате которых NDRC Буша взяло под контроль исследование микроволн. Армия и флот прекратили свое собственное исследование в этой области еще в 1937 году и не возражали против такого решения. «С магнетроном, – вспоминал Буш, – мы вырвались вперед»[28].

В октябре 1940 года была учреждена Радиационная лаборатория МТИ, которая поначалу занимала всего несколько комнат и в которой работало всего несколько десятков исследователей. Буквально за какие-то месяцы лаборатория совершила колоссальный шаг вперед. Инженеры МТИ сделали еще одно блестящее открытие: они использовали обратную связь и скоординировали сервомеханизмы антенны с отраженным импульсом радара, иными словами, создали автоматическое управление гаубицами.

В конце мая 1941 года Радиационная лаборатория продемонстрировала экспериментальную автоматическую радарную систему. Инженеры привезли механизированную турель на крышу здания МТИ и настроили систему так, чтобы пулемет автоматически отслеживал самолет, пролетающий мимо, даже в условиях сплошной облачности. Демонстрация впечатляла.

Следующий шаг был очевиден: взять этот приборчик, перепроектировать его и встроить в автоматическую систему противовоздушной обороны. В начале декабря 1941 года Радиационная лаборатория продемонстрировала свое экспериментальное оборудование в расположении войск связи США в Форте Ханкок, Нью-Джерси. Вечером в пятницу 5 декабря инженеры праздновали успех своей новой машины, а через два дня Япония атаковала Перл-Харбор.

В течение следующих четырех военных лет лаборатория превратилась в огромный исследовательский центр, который выполнял большую часть работы по разработке радаров в США. Ее ежемесячный бюджет составлял четыре миллиона долларов, а число сотрудников достигало четырех тысяч человек, причем в это число входила пятая часть лучших физиков государства[29]. Радиационная лаборатория имела свой собственный завод, аэропорт в Бедфорде, штат Массачусетс, а также сеть радиолокационных станций в США и по всему миру. Лаборатория стала самым крупным проектом NDRC и одним из самых прославленных научных институтов времен войны. К маю 1945 года, менее чем через пять лет после начала миссии Тизарда, армия и флот заключили контракт общей суммой более 2,7 миллиарда долларов на поставку радарного оборудования, разработанного в МТИ. Эти значительные инвестиции легли в основу мощной послевоенной электронной индустрии США.

Наибольшим достижением лаборатории можно назвать микроволновый радар XT‐1 с системой автоматического наведения, который военные переименовали в SCR‐584. Это было очень важное устройство, с появлением которого почти все ранее созданные радары в одночасье устарели. Машина была достаточно точной, чтобы отобразить на своем экране траекторию 155-миллиметрового артиллерийского снаряда, когда он приближался к цели. Когда маленькая звездочка и более крупная звездочка сходились на экране, они просто исчезали.

То, как гидравлические приводы усиливали мускулы человека, просто впечатляло. То, насколько радарная система улучшала его восприятие, впечатляло еще сильнее. Однако даже двух этих усовершенствований было недостаточно. Чтобы издалека нанести удар по немецкому бомбардировщику, нужно было нечто большее, чем заранее увидеть самолет и направить на него оружие. Чтобы попасть по вражескому бомбардировщику, нужно было еще понять, куда целиться. Снаряд не может перемещаться со скоростью света, как импульс радара: 155-миллиметровый снаряд может находиться в воздухе до 20 секунд, прежде чем настигнет цель, а за это время немецкий бомбардировщик может пролететь более трех километров. Как и в случае с охотником, стреляющим по летящим уткам, стрелок должен предугадать траекторию полета мишени и нацелиться на точку в будущем. Для этого предсказания нужен был специальный механический мозг.

Военные подразделения, ответственные за стрельбу из больших орудий, называются «батареи». Управлять стрельбой, особенно точным наведением сложных артиллерийских орудий, было крайне непросто. Начнем с того, что различные элементы противовоздушной батареи могли располагаться на расстоянии нескольких метров друг от друга, в зависимости от местности и выбранной стратегии. Независимые компоненты батареи связывались телефонными линиями. Чтобы поразить цель, наблюдатель должен был передать данные офицеру по телефону. Офицер вводил данные в примитивный компьютер и получал выходные значения. Затем он передавал эти значения по телефону пулеметчикам. Стрелки настраивали орудия, наводили их на цель и только после этого стреляли. Половина работы держалась на телефонных переговорах, точность стрельбы зависела от качества связи. Поэтому нужно отдать должное телефонной компании Bell Telephone Laboratories и исследовательскому институту, основанному AT&T и Western Electric, неустанно совершенствовавшим свое оборудование.

Точная стрельба батареи по движущейся цели требовала двух независимых вычислений: баллистики и предсказания. Баллистические расчеты были проще и заключались в решении одной задачи – куда выстрелить, чтобы снаряд взорвался в определенной точке пространства и времени. Стрелку нужно было ввести всего три значения: азимут и высоту, чтобы определить направление стрельбы, а также время, чтобы определить точный момент выстрела. При традиционном, неавтоматизированном, методе членам артиллерийской команды приходилось вычитывать эти значения из специальных таблиц, состоящих из длинных колонок значений высоты, азимута, настроек замедлителя, времени полета и свободного падения.

В ходе эволюции артиллерийских установок добавились новые поправки: на начальную скорость снаряда, встречный и попутный ветер, температуру и давление воздуха и многие другие. Изучать таблицы в самый разгар стрельбы стало окончательно неэффективно. Так появились механизированные наводчики, которые автоматизировали поиск по таблицам. Место бумаги с колонками цифр заняли металлические конусы, утыканные кнопками, немного напоминающие цилиндры в старомодных музыкальных шкатулках. Эти цилиндры, так называемые камеры Sperry, выглядели как скрученные и изогнутые стволы деревьев, но они работали, и работали лучше человека. Фактически эти конусы были первым независимым хранилищем данных – то, что сейчас мы называем ROM (Read Only Memory), а прибор для их чтения – примитивным механическим компьютером. Машина научилась выбирать и комбинировать значения, рассчитанные заранее.

Вторая вычислительная задача, предсказание, оказалась гораздо сложнее. Вычислить, как выпустить снаряд, чтобы он оказался в определенной точке пространства и времени, – это одно. Подсчитать, где именно будет эта определенная точка пространства и времени по отношению к быстро летящему самолету, – совершенно другое. Чтобы упростить задачу, инженеры допустили, что вражеский самолет летит прямо и на одной высоте, а не по петляющей траектории, то ниже, то выше, как это происходит обычно на практике. Устройство наведения предполагало, что имеется константная траектория. Допущение не соответствовало реальности, но не настолько, чтобы лишить предсказание смысла.

Вторая мировая война была войной технологий, войной механических чудовищ из железа и стали, громивших друг друга на земле, в море и в воздухе.

К 1940 году последнее слово в области разработки систем управления было за Sperry, и это преимущество сохранялось в последующие 30 лет. Поначалу эти системы наведения физически воссоздавали поведение приближающегося бомбардировщика: «Действительное движение цели механически воспроизводилось в небольшом масштабе без использования компьютера, – сообщается в записях компании за 1931 год. – Нужные углы или скорости могли быть измерены непосредственно из перемещений этих элементов»[30]. Сейчас подобные технологии могут показаться примитивными, однако тогда это было самое совершенное оборудование, отвечавшее высоким требованиям механического предсказания пути полета. Механический компьютер Sperry, М‐7, состоял из одиннадцати тысяч частей и весил около 400 килограммов.

Ситуацию изменила компания Bell Labs. Идея, позволившая Bell Labs внести свой весьма значительный вклад в развитие систем наведения, зародилась во сне. В мае и июне 1940 года физик лаборатории, Дэвид Паркинсон, работал над «автоматическим самопишущим уровнемером». Паркинсон пытался начертить график скачущего электрического напряжения на диаграммной ленте, для чего присоединил измеритель напряжения – потенциометр – к двум магнитным захватам, которые держали пишущую ручку. Напряжение управляло этой ручкой, и на бумагу ложилась кривая линия.

Пока Паркинсон работал над своим самопишущим уровнемером, битва за Дюнкерк потрясла Европу. С 26 мая по 4 июня нацистская Германия обратила в бегство французские, британские и бельгийские войска. Атаки пикирующих бомбардировщиков «Штука» сыпались со всех сторон. 29-летний Паркинсон был очень встревожен этими событиями, и вскоре ему приснился «очень необычный сон»[31]. Позднее он написал об этом в своем дневнике: «Я увидел себя в окопе вместе с командой воздушной обороны… Там было орудие… оно стреляло, но самое замечательное – каждый его выстрел сбивал самолет! После трех или четырех выстрелов человек из команды улыбнулся мне и поманил ближе к орудию. Когда я подполз к нему, он указал на левую часть установки. Там был прикреплен потенциометр от моего самопишущего уровнемера!»[32]

Проснувшись утром, Паркинсон совершенно точно знал, что ему делать. Его самопишущая ручка может стать оружием! Как потенциометр управляет движением ручки, точно так же он может управлять движением орудия – быстро и точно. Нужно просто усилить сигнал.

Босс Паркинсона, Кларенс Ловелл, сразу оценил потенциал идеи. Механической основой машины Bell должен стать компьютер, но не скрипучий механизм, способный только выбирать и объединять высчитанные заранее значения. Электрический компьютер Bell должен сам уметь производить вычисления. «Диапазонный вычислитель» Ловелла и Паркинсона работал по другому принципу, нежели М‐7 Sperry. Инженеры Bell Labs рассматривали расстояние от точки наблюдения до цели как «электрическую разность потенциалов»[33].

Чтобы выйти на рынок электронных вычислительных машин, начать их массовый выпуск, нужно обладать целым рядом различных навыков, выходящих далеко за рамки того, что может предложить фирма-производитель, даже такая как Sperry. У телекоммуникационной компании был нужный опыт в коммуникационной инженерии, а также собственное производство потенциометров, резисторов, конденсаторов и средств обратной связи. В 1940 году лидирующей телекоммуникационной лабораторией была Bell Labs.

Основателем и президентом Bell Labs был Франк Джеветт. У него, бывшего инструктора по электротехнике в МТИ, имелся свой целостный взгляд на коммуникации. Еще в 1935 году на лекции в Национальной академии наук он сказал: «Мы склонны думать и, что еще хуже, действовать так, как будто телеграфия, телефония, радиопередачи, телефонография и телевидение – это какие-то отдельные понятия»[34].

Джеветт считал электрический сигнал единым универсальным элементом. Буш высоко оценил идеи Джеветта и поставил его во главе подразделения С – коммуникаций и передачи – только что созданного Научно-исследовательского совета национальной обороны. Уоррен Уивер, бывший директор отделения естественных наук Рокфеллеровского фонда, возглавил отделение D‐2, которое вело огромное количество проектов NDRC в области автоматического контроля, включая разработку устройств наведения и радаров. Джеветт еще во время работы в Bell хорошо представлял важность проекта по модернизации устройств наведения и рассматривал задачу как коммуникационную проблему. Уивер был согласен с такой остановкой вопроса: «Есть потрясающее количество близких и точных сходств между проблемой разработки устройства наведения и задачами, стоящими в области коммуникационной инженерии», – писал он позже. Шестого ноября 1940 года при поддержке войск связи новый цех D‐2 Уивера и Bell Labs подписали контракт.

Уивер оценил опыт сотрудников компании Bell в области электроники. Новое оборудование оказалось настолько удачнее механических систем наведения, что в это было трудно поверить. Электрические системы наведения требовали меньше навыков от операторов, меньше времени и денег для производства, а в работе позволяли получить большую точность, скорость и гибкость. Компьютер Bell позволял устройству наведения рассчитывать простые математические функции, такие как синус и косинус, а с помощью резисторов, потенциометров, серводвигателей и усилителей оно могло управлять тяжелой 90-миллиметровой установкой противовоздушной обороны.

Однако даже автоматическое радиолокационное отслеживание не сделало устройства наведения идеальными. Как только снаряд со взрывателем вылетал из жерла ствола, он становился неуправляем. Так как снаряды, как и самолеты, летали все быстрее и выше, настройка временного взрывателя становилась все более сложной задачей. Наведение было незамкнутым контуром: не было никакого механизма обратной связи со снарядом. Если бы только был способ сообщить снаряду, чтобы он взорвался немного позже или немного раньше, в зависимости от реальной ситуации!

Университет Джонса Хопкинса, тоже финансируемый NDRC, предложил использовать бесконтактный взрыватель, также известный как «плавкий взрыватель с переменным временем», или просто «VT-взрыватель», для замыкания этой обратной связи. Оставалось его немного улучшить. Снаряд срабатывал бы намного лучше, если бы мог распознавать приближение к немецкому бомбардировщику. Разница была небольшой, но значительной. Временные взрыватели устанавливались до выстрела, время детонации бесконтактных взрывателей определялось в полете. Механизм взрывателя должен был быть чувствительным, но в то же время прочным, чтобы выдержать сам момент выстрела из мощного 5,8-тонного орудия M‐114. Сила, в 20 тысяч раз превосходящая гравитацию, запросто могла разорвать снаряд внутри орудия. Вскоре решение было найдено.

Новый американский взрыватель представлял собой радиостанцию в миниатюре, с передатчиком, антенной и приемником внутри головки артиллерийского снаряда. Когда 155-миллиметровый снаряд покидает орудие со скоростью, примерно вдвое превышающей скорость звука, его маленькая радиостанция включается и начинает испускать волну. При приближении к немецкому бомбардировщику или крылатой ракете радиоволны отражаются от цели, как свет в зеркале. Снаряд ловит отраженную волну, усиливает ее и передает на маленький приборчик тиратрон, который детонирует заряд. Это была сложная инженерная задача. Десятилетием ранее лучшие умы Германии напрасно трудились над радиовзрывателями[35].

Чтобы замкнуть цепь обратной связи для орудия противовоздушной обороны, нужно было сделать несколько новых изобретений. Первая проблема состояла в крошечной стеклянной вакуумной трубке, похожей на ту, что раньше использовалась в слуховых аппаратах. Хрупкое стекло должно было выдержать момент выстрела. Испытания были жесткими: сначала академики из Джона Хопкинса укрепляли трубки методами, почерпнутыми у строителей мостов и небоскребов, а затем трясли их в стальных контейнерах, швыряли в свинцовые блоки, вертели, стреляли в них из самодельного гладкоствольного оружия. В ходе испытаний обнаружилось, что стеклянные трубки нужно просто упаковать в резиновые чаши и натереть воском, и тогда они выдержат нагрузку.

Крошечной радиостанции нужна была крошечная электростанция, также способная выдержать сильнейшее давление. Инженеры из Университета Джона Хопкинса сумели обратить себе на пользу удар от выстрела и вращение снаряда в полете. Они разработали аккумулятор, в котором два электролита были разделены стеклянной ампулой. Когда орудие стреляло, стекло лопалось, и батарея заряжалась.

Для безопасности нужно было ввести небольшую отсрочку, чтобы радиовзрыватель снаряда во время выхода из ствола не принял свою собственную артиллерийскую батарею за цель. Гениальная идея заключалась в том, чтобы использовать вращение снаряда в ртутном переключателе: когда снаряд покидает ствол и еще какое-то время вращается, ртуть выталкивается через пористую диафрагму из контактной камеры, включая систему. К тому времени, как ртуть вытолкнута, снаряд уже свистит в воздухе, самостоятельно приближаясь к вражескому самолету и ожидая, когда сработает механизм обратной связи, распознав ничего не подозревающего врага.

Мы увидели начало первой битвы роботов. Человеческий фактор был значительно сокращен, в будущем машины исключат его совсем.

Радиоуправляемые снаряды были огромным шагом вперед. «Как секретное оружие, они уступали по важности лишь атомным бомбам», – сообщалось в The Baltimore Sun уже после войны[36]. Нацисты стремились завладеть этим взрывателем. В июне 1942-го агенты ФБР схватили восемь немецких шпионов, которые пытались узнать подробности проекта, но массовое производство снарядов хранилось в секрете даже от тех десяти тысяч работников завода, которые за четыре года произвели 130 миллионов миниатюрных вакуумных трубок. Улучшенное конвейерное производство началось в сентябре 1942 года. К концу 1944 года 118 заводов, управляемых 87 компаниями, производили более четырех тысяч взрывателей в день. Только высшее руководство половины этих компаний знало, что на самом деле они производят. Рабочим, которые производили вакуумные трубки, сообщили, что они делают слуховые аппараты. Взрыватель использовали только над открытой водой по крайней мере до конца 1944 года, и это помогло сохранить его секрет. Над морем врагу было труднее обнаружить орудие противовоздушной обороны, а с земли невозможно было понять, как работает это устройство. Океан хранил секрет.

Командование армии было в восторге от новой технологии. Джордж Паттон, командир Третьей армии США, был настолько восхищен устройством, что посчитал, будто теперь изменится сама природа войны: «Я думаю, когда все армии получат такие снаряды, мы откроем некоторые новые методы военного дела»[37].