Перший транзистор у космосі: маловідомі аспекти космічних перегонів
3 листопада 1957 року Радянський Союз запустив Другий штучний супутник Землі з першим живим «пасажиром» – собакою Лайкою. Сенсаційний успіх і секретність проектів досі залишають «за кадром» визначні досягнення фахівців у галузі радіоелектронної апаратури, чия участь у космічних перегонах вітчизняною літературою практично не розглядається, що зовсім несправедливо.
Про що мова?
- Де колода?
- Чорт його знає, кажуть, на супутнику макаку чухає.
Переклад:
- Де капітан Дерев'янко?
- Не знаю, але, кажуть, що працює закритим каналом зв'язку і відстежує американські випробування прототипу торпеди Мk-48.За час, що пройшов після винаходи транзистора Шоклі, Бардіном і Браттейном наприкінці 1940-х і до початку космічної ери, транзистори змінилися досить помітно. Точкові транзистори були витіснені площинними, площинними - сплавними, і так далі, поки їх усі не витіснили планарні. Кремнієві транзистори витіснили германієві, хоч і далеко не відразу. Перший кремнієвий транзистор зробила в 1954 році компанія Texas Instruments і, забігаючи вперед, транзистори саме цієї компанії використовували в перших американських супутниках.
Рис. 3 Бардін, Шоклі та Браттейн в лабораторії Bell
Рис. 4 Сплавний транзистор. Квадратна пластина - база, з одного боку до неї приварена намист емітера, з іншого - намист колектора (з Вікіпедії)Напівпровідникове виробництво в СРСР почалося в 1947 з лінії з виробництва германієвих детекторів для радіолокації, вивезеної з Німеччини. Розробками займалася група під керівництвом А. В. Красілова в НДІ-160 (нині – АТ «НВП «Істок» ім. Шокіна). С. Г. Мадоян – випускниця Московського хіміко-технологічного інституту – у 1948-1949 рр. розробила макет першого точкового германієвого транзистора в СРСР. Перший лабораторний зразок працював не більше години, а потім вимагав нового налаштування
Рис. 5 Олександр Вікторович Красилов
Рис. 6 Сусанна Гукасівна Мадоян. 1950 р.
Рис. 7 Вадим Євгенович Лашкарев
Рис. 8 Академік Аксель Іванович БергУ 1950 році транзисторна тематика з'явилася в ЦНДІ-108 МО (нині АТ «Центральний науково-дослідний радіотехнічний інститут імені академіка А. І. Берга»), Фізичний інститут Академії наук, Ленінградський фізико-технічний інститут та інші організації. Перші точкові транзистори виготовлені В.Є. Лашкаревим у лабораторії при Інституті фізики АН Української РСР. Через секретність досліджень нерідко у період різні наукові групи робили майже одне й те, отримували подібні результати і робили відкриття незалежно друг від друга. Така ситуація тривала до листопада 1952 року, коли вийшов спеціальний номер американського журналу «Праці інституту радіоінженерів» (Proceedings of IRE, нині Proceedings of IEEE), повністю присвячений транзисторам. На початку 1953 року заступник міністра оборони академік А. І. Берг підготував лист у ЦК КПРС про розвиток робіт з транзисторів, і в травні міністр промисловості засобів зв'язку М. Г. Первухін провів у Кремлі нараду, присвячену напівпровідникам, на якій ухвалили рішення про організацію спеціалізованого НДІ напівпровідникової електроніки (НДІ-35, нині НВП "Пульсар"). У «Пульсар» переклали лабораторію А.В. Красилова, у якій створили перший СРСР досвідчений зразок германієвого площинного («шаруватого») транзистора. Ця технологія лягла основою серійних приладів П1-П3 (1955 р.) та його модифікацій .
Рис. 9 Перші германієві та кремнієві радянські транзистори
Перші кремнієві сплавні транзистори з'явилися торік у СРСР 1956 року (П104-П106), потім у 1956-1957 гг. - германієві П401-П-403 (30-120 МГц), а також П418 (500 МГц). Як бачимо, до запуску першого штучного супутника Землі в СРСР було виробництво як германієвих, так і кремнієвих транзисторів, хоча навіть 1960-і роки відсоток виходу придатних кремнієвих транзисторів становив лише 19,3%. За даними, у 1957 році радянська промисловість випустила 2,7 мільйонів транзисторів (для порівняння, у США випуск транзисторів цього року становив 28 мільйонів штук, а кількість різних типів досягла 600). Перші германієві транзистори працювали в діапазоні температур до +85 o C та їх характеристики були нестабільні, що відвертало від транзистори як військових, так і політичне керівництво СРСР.
Транзистори та військові
У середовищі «транзисторобудівників» популярна історія, згідно з якою транзистори набули широкого поширення, завдяки винахідливості винахідників, які заявили, що транзистор не можна використовувати для «спецзастосування», і недалекоглядності військових. Очевидно, ця історія має під собою реальну основу.
Творці першого транзистора не могли знати все, на що він виявиться здатний, але адміністрація Bell Labs розуміла, що значення цього відкриття - величезне, і робила все від неї залежне, щоб про відкриття дізналися в наукових колах. 30 червня 1948 року призначили велику прес-конференцію для того, щоб оголосити про відкриття. Але перед тим, як показати транзистор публіці, його треба було показати військовим. Була надія на те, що військові не засекречуватимуть цю розробку, але було зрозуміло, що вони можуть це зробити. 23 червня Ральф Боун показував транзистор групі офіцерів. Він показав кристал із проводами і те, що він може посилювати електричний сигнал ефективніше, ніж масивна вакуумна лампа. Він також розповів їм, що таку саму демонстрацію збираються провести через тиждень, при цьому формально не запитавши у них на це дозволу. Військові обговорили це питання між собою після демонстрації, але, зрештою, ніхто з них не висловився за секрет цієї теми. Чи то вже через власну недалекоглядність, чи то у вигляді додаткового захисту від посягань військових було заявлено, що «передбачається, що транзистор буде використовуватися, головним чином, у слухових апаратах для глухих»). В результаті прес-конференція пройшла без перешкод. Журнал New York Times помістив замітку про транзистор на сторінці 46 у розділі «Новини радіо» після «просторної замітки про відновлення репортажів якоїсь незрівнянної міс Брукс» .
На початку вересня 1951 Bell Labs провели симпозіуми в Мюррей Хілл, штат Нью-Джерсі, в ході яких інженери в досить загальних рисах пояснювали, як зробити точкові транзистори, і розповідали про поточний прогрес зі сплавними транзисторами. При цьому нічого не говорили про конкретний процес виготовлення та військові застосування. Перший симпозіум відвідали понад 300 осіб (переважно військові), кожен з яких заплатив внесок $25000 (двадцять п'ять тисяч доларів 1951 року). Багато фірм хотіли виробляти транзистори самостійно, а не купувати їх, і багато хто в цьому досяг успіху. Фірма Philips взагалі виготовила транзистор без відвідування цих семінарів, користуючись лише інформацією з американських газет. Слід зазначити, що AT&T не сприяла, але й не перешкоджала тому, щоб інші фірми робили транзистори.
У 1951 році було лише чотири американські компанії, що виготовляють транзистори для комерційних застосувань: Texas Instruments, International Business Machines (IBM), Hewlett-Packard та Motorola. Вони отримали ліцензії за ті самі $25000 із низьким роялті. Їх запросили на другий симпозіум у квітні 1952 року, де секрети виготовлення транзисторів були повністю розкриті. До 1952 фірм-виробників стало вісім, до 1953 - п'ятнадцять, а до 1956 було, принаймні, двадцять шість компаній, що виробляють германієві транзистори, з доходом більше 14 мільйонів доларів на рік. У цьому американські військові були основним споживачем транзисторів. У 1952 році виробники напівпровідників з Bell Labs підписали військових контрактів на суму понад 5 мільйонів доларів. Частка фінансування досліджень (R&D, Research and Development) з боку військових з 1953 по 1955 рр. зросла до 50%.
При цьому, майбутнє напівпровідників для військових залишалося незрозумілим, т.к. транзистор був «шумним», порівняно з лампами, він витримував менші навантаження, міг бути пошкоджений від раптових стрибків напруги, його характеристики були нестабільні в температурному діапазоні, а частотний діапазон був відносно вузький. Погіршував ситуацію великий розкид параметрів між двома транзисторами. Ціна транзисторів також була висока: перші зразки коштували $20, до 1953 вони подешевшали до $8, тоді як лампи коштували близько $1. Кремнієві меза-транзистори компанії Fairchild Semiconductor були продані IBM у кількості 100 штук за ціною $150 (кожний) у 1958 році - тоді як германієві транзистори коштували тоді менше $5. У середині 1960-х ці транзистори стали коштувати менше 10 центів за штуку.
А що із слуховими апаратами? Вони дійсно з'явилися в США в 1952-1953 роках, і це стало першим невоєнним використанням транзистора. AT&T видала безкоштовні ліцензії на використання в слухових апаратах на згадку про роботу Олександра Белла з глухими.
На жаль, ця історія має маловідоме сумне продовження, яке стосується вже Радянського Союзу. Професор Я.А. Федотов (автор однієї з перших монографій з транзисторів 1955 року) у 1994 році у статті «Електроніка шле SOS!» згадує «вбивчий» вирок, який винесли на одному із засідань Радміну СРСР у 1956 році: «Транзистор ніколи не увійде до серйозної апаратури. Єдино перспективна для нього сфера застосування - це апарати для туговухих...». Знайомі вислови, чи не так? Федотов пише: «Ця недовіра до транзистора і потяг до старої лампової техніки пояснювалися нерозумінням нової ситуації в електроніці». І це за рік до початку першого супутника! Таким чином, усе те, чого уникали та успішно уникли американські «транзисторобудівники», навалилося на вітчизняних: таємність, відсутність централізації, нерозуміння перспектив вищим політичним керівництвом СРСР. Очевидно, за таких умов транзистори мали мало шансів потрапити на борт.
Якщо не транзистор, то що?
Чи була альтернатива транзисторам? Адже, повторимося, на борт можна поставити не будь-який прилад, а тільки з необхідними характеристиками по надійності. Альтернатива виникла кінці 1940-х років, тобто. практично одночасно з транзисторами, у вигляді стрижневих радіоламп. Зважаючи на секретність теми, відстежити історію винаходу та розвитку цього типу радіоламп досить складно, і часто доводиться задовольнятися інформацією з інтернет-форумів.
Червень 1946 року. Радмін СРСР доручає Заводу 617 (незабаром - Союзному науково-дослідний інститут № 617 (НДІ-617) з дослідним заводом Держкомітету Ради Міністрів СРСР з радіоелектроніки) у Новосибірську розробку надмініатюрних та особливо міцних ламп для бортових обчислювальних комплексів авіаційної техніки. Керувати роботами призначили В.М. Авдєєва.
Рис. 10 Валентин Миколайович АвдєєвВалентин Миколайович Авдєєв народився 16 травня 1915 року в м. Котельничі Вятської губернії. Після здобуття початкової освіти працював на заводі «Світлана» (нині ПАТ «Світлана») у Ленінграді. Закінчив заводський технікум, потім навчався у Всесоюзному заочному інституті технічної освіти у 1934-1938 роках. У 1941 році на півроку був відправлений на стажування до США (на заводи Radio Corporation of America, RCA) для вивчення виробництва радіоламп. Коли почалася Велика Вітчизняна війна, разом із колективом заводу було евакуйовано до Новосибірська. Там працював спочатку майстром дільниці, з 1942 року – головним інженером заводу, з 1943 – заступником начальника лабораторії. Надмініатюрні радіолампи були розроблені ОКБ заводу 617 до 1947, а з 1948 почалося секретне виробництво. З 1949 року відкрито роботу «Молекула» зі створення надмініатюрних ламп підвищеної вібростійкості. На основі лабораторії № 1 створюється НДІ-617, директором якого призначається Авдєєв.
Стрижневі радіолампи були практично вільні від недоліків, властивих «звичайним» радіоламп і, на відміну від того транзисторів, могли працювати в повному температурному діапазоні. Створена серія радіоламп: 1Ж17Б, 1Ж18Б, 1Ж24Б, 1Ж29Б та 1П24Б. У 1960 році в журналі «Радіо» опубліковано статтю, присвячену принципам роботи стрижневих радіоламп, в якій зазначено переваги цього типу, а також заявлено граничну частоту - понад 200 МГц, що більш ніж відповідало вимогам щодо частоти прийому радіосигналів з першого штучного супутника Землі .).
Рис. 11 Порівняння «звичайних» та стрижневих радіоламп зі статті в журналі «Радіо»За створення стрижневих радіоламп В.М. Авдєєв був обраний членом-кореспондентом АН СРСР у 1958 році (в той же рік, коли С.П. Корольова обрали дійсним членом). Це при тому, що В.М. Авдєєв ніколи не захищав дисертацій – ні кандидатської, ні тим більше докторської.
Автори статті в журналі «Радіо» нарікають: «Кілька років тому, коли з'явилися напівпровідникові прилади, деякі радіофахівці схильні були відразу «поховати» електронну лампу. У лампи, яка протягом десятків років приносила радіоелектроніці один тріумф за іншим, раптом виявилося безліч недоліків… Електронна лампа в порівнянні з напівпровідниковим тріодом безсумнівно має ряд недоліків, але загальновідомі й чудові переваги лампи...». І додають: «На жаль, доводиться відзначити, що питання про масштаби застосування, а отже, і виробництва стрижневих ламп вирішується недостатньо оперативно, незважаючи на те, що ці лампи існують уже багато років і отримали високу оцінку». У цих словах – явна недовіра до «новомодних» транзисторів.
Стрижневі радіолампи використовувалися не тільки в космосі та авіації – на їх основі створені радіостанції для спецназу ГРУ та КДБ СРСР (Р-353 «Протон»), переносна УКХ-радіостанція Р-126, комплекс радіостанцій «МАРС» для МВС та ін.
Транзистори у перших супутниках
Soviet Army's RED STAR:
Uncle Sam думає про те, що Сputnik в небі.
Він вивчив це на всьому світі, не два дні, але два роки в ході.
Boastful і rich uncle називається його Sputnik Vanguard.
The name був beautiful and quite chic,
Але це буде кинуто на бік pshik.З добірки журналу Time щодо реакції світових ЗМІ на невдалий запуск американського супутника «Авангард» 16 грудня 1957 року. VANGUARD"S AFTERMATH: JEERS AND TEARS Monday, Dec. 16, 1957
Наша країна запустила не просто перший штучний супутник Землі (а потім і вивела першу людину в космос), але після першого супутника протягом 7 місяців було запущено 2 повноцінні космічні лабораторії - Супутник-2 з Лайкою та Супутник-3, за допомогою апаратури якого, зокрема, було відкрито природні радіаційні пояси Замлі. Американський перший супутник Explorer 1 на 3 місяці випередив Супутник-3, проте за своїми «функціональними» характеристиками був ближчим до Супутника-1, а за вагою був меншим за нього майже в 4 рази. Запуск Супутника-1 викликав заслужену повагу вчених, здивування і навіть страх обивателів на Заході, загальну радість та урочистість у СРСР та бурю емоцій політиків. Наведу лише два характерні висловлювання радянських та американських політиків (цитую по ). Перший секретар ЦК КПРС Н.С. Хрущов: «Здається, назва „Авангард“ відображала впевненість американців у тому, що саме їхній супутник буде першим у світі. Але... наш радянський супутник став першим, саме він опинився в авангарді...». Сенатор і майбутній президент США Ліндон Джонсон: «Я не вірю, що це покоління американців бажає примиритися зі становищем, коли щоночі доводиться засинати при світлі комуністичного місяця». Не дивно, що космічні перегони стали запеклими.
Для наочності в таблиці нижче представлені дати запуску та основні масо-габаритні характеристики перших штучних супутників Землі.
Дата запуску Назва Країна Габарити маса, кг 04.10.1957 Супутник-1 СРСР ~58 см (без антен) 83,6 03.11.1957 Супутник-2 СРСР 2 м х 4 м 508 01.02.1958 Explorer 1 США близько 1 м у довжину 21,5 17.03.1958 Vanguard-I США 16,3 см (без антен) 1,474 26.03.1958 Explorer 3 США близько 2 м у довжину 13,97 15.05.1958 Супутник-3 СРСР 1,73 м х 3,57 м 1327 Відлуння жорстокості гонки чути і зараз. Так, у 2015 році (№138) журнал National Geographic Росія надрукував коротку, але дуже примітну своєю непрофесійною ангажованістю замітку «Супутник „Авангард-1“: все ще в авангарді». Наводжу її повністю: «Розміром з диню та вагою близько кілограма, „Авангард-1“ став першим супутником на сонячних батареях та важливим кроком США у космічній гонці. Намагаючись наздогнати Радянський Союз, який запустив у 1957 році „Супутник-1“ та „Супутник-2“, США відправили на орбіту „Авангард-1“ 17 березня 1958 року. Хрущов зневажливо називав його „грейпфрутом“. Проте більші „Супутники“ зійшли з орбіти і згоріли при вході в атмосферу в 1958 році, а „Авангард-1“ літає досі. Він припинив передачу даних 1964 року, коли відмовили останні фотоелементи. Але пристрій утримує титул найстарішого штучного супутника на орбіті і, за прогнозами, протримається там ще близько 240 років» (кінець цитати). При всій повазі до National Geographic та американських розробників «Авангарду-I», думаю, що тут коментарі зайві.
Повернемося до транзисторів. Як ми вже зазначали, деякі автори стверджували, що транзистори з'явилися вже на Супутнику-1, причому наводили навіть тип транзистори - П401, . Сайт теж наводить це твердження, хоч і робить застереження, що ймовірніше застосування стрижневих радіоламп. Довгий час на різних форумах різні ентузіасти намагалися зрозуміти, що до чого, але розібратися було практично неможливо до появи публікації ВАТ «Російські космічні системи» (раніше НДІ-885) звіту по Супутнику-1. Тексту цієї публікації в мене немає, але її цитують у журналі «Радіо» (№ 4, 2013), там же наводять схему передавача першого штучного супутника Землі:
Рис. 12 Схема основного передавача «Супутника-1» на 20 МГцНа схемі немає жодного транзистора, проте є стрижневі радіолампи 2П19Б. Виходить, мають рацію ті, хто вважає, що перші транзистори з'явилися тільки в американському Explorer 1?
Рис. 13 Вільям Пікерінг, Джеймс Ван Аллен та Вернер фон Браун демонструють повномасштабну модель супутника Explorer 1 на прес-конференції у Вашингтоні після підтвердження виведення супутника на орбіту
Рис. 14 Джордж Людвіг із резервною копією Explorer 1Це питання безпосередньо поставили Джорджеві Людвігу, розробнику систем Explorer 1 . Він відповів, що раніше справді так вважав, але потім досліджував це питання докладніше і з'ясував, що хоча Ради не використовували транзисторів у Супутнику-1, вони використовували в одному з приладів Супутника-2, запущеного в листопаді 1957 року. Людвіг нарікає: «Звичайно, у них (у Рад) була набагато більша місткість і їх носії могли виводити вакуумні лампи та потрібні їм батареї». При цьому він наголошує, що Explorer 1 став першим супутником, апаратура якого була повністю на транзисторах (нагадаємо, що пристроїв типу стрижневих радіоламп у США на той час не було). Куратор інтерв'ю дає посилання на публікацію 2001 року, де стверджується таке: „Супутник-2 був справжньою науковою платформою, яка містила різні електронні компоненти. На додаток до радіопередавача та кабіни для Лайки, у ньому були детектори сонячного ультрафіолету та рентгенівських променів, а на корпусі ракети були змонтовані прилади для дослідження космічних променів“. І далі: „Два ідентичні детектори в експерименті з космічними променями працювали як реєстратори сцинтиляцій, зумовлених зарядженими частинками. Імпульси підраховувалися напівпровідникової (з урахуванням тріодів) схемою...“. На жаль, у статті немає посилання на джерело цієї інформації. На жаль, у зарубіжній літературі, трапляється, плутають Супутник-2 і Супутник-3 (наприклад, це сталося в , хоча в більш ранній статті одного із співавторів плутанини немає).
Тож у якому ж радянському апараті вперше використовували транзистори? Достовірно відомо лише про Супутник-3. Супутник-2 запущений лише через місяць після Супутника-1 - яка ймовірність попадання на борт транзисторів, у будь-якій якості? Чесно кажучи, мала, враховуючи як ставлення до транзисторів у керівництві СРСР, а й інші міркування. Як уже зазначалося раніше, германієві транзистори (а саме їх в основному випускала радянська промисловість і про них було достатньо, щоб судити про надійність) нестабільні в діапазоні температур, і там, де потрібна температура вище +85 o C, їх не застосовували. З іншого боку, американські германієві транзистори страждали від тих же хвороб, але їх в Explorer 1, за свідченням Людвіга, застосовували поряд з кремнієвими, оскільки германієві мали меншу напругу база-емітер (0,2 проти 0,5 В у кремнієвих), тому в ряді схем з напругою живлення 2,8 В застосовували саме їх.
Перші транзисторні радіоприймачі
Дозвольте, але звідки тоді згадка транзистора П401 поруч із Супутником? Насправді, враховуючи рекомендовану частоту Супутника 40 МГц і той факт, що гранична частота П401 становила 30 МГц, важко уявити цей транзистор як кандидат для установки на борт. Причина, через яку цей транзистор згадується в контексті Супутника, може бути комічною. Пам'ятаєте ремарку про те, що в побуті плутають транзистор і радіоприймач? Так ось, в 1957 на Воронезькому радіозаводі стали випускати радіоприймач «Супутник», схема якого представлена нижче.
Рис. 15 Схема радіоприймача «Супутник» (1957 р.)У схемі легко можна знайти і П401, і П402, і інші транзистори. Перші зразки були зроблені у квітні 1957 року, за 5 місяців до запуску Супутника-1. Корпус був виконаний з висушеної сосни, просоченої спиртовим розчином целюлози, та обтягнутий декоративним пластиком.
Рис. 16 Транзисторний радіоприймач «Супутник»Габарити – 185х125х49 мм, вага з акумуляторами – 950 г. На верхній грані корпусу знаходилася сонячна батарея! Вартість апарату становила 514 рублів - це була приблизно середня зарплата робітника на той час.
Так через брак даних щодо Супутників сталася плутанина зі «Супутниками».
І що з цього випливає?
У наступному 2017 році ми (Росія та весь світ) відзначатимемо 60-річчя запуску Першого та Другого штучних супутників Землі. Хотілося б звернутися до керівництва АТ «Російські Космічні Системи» з пропозицією опублікувати до цього часу звіт про системи «Супутника-2» та «Супутника-3», оскільки очевидно, що це має величезне історичне значення не тільки для космічної галузі, а й електронної промисловості Росії, яка жива, незважаючи ні на що.
Перевага радянської космічної техніки над американською мимоволі зіграла проти розвитку вітчизняних транзисторів, оскільки були відповідні радіолампи, що дозволяли вирішувати наявні завдання, не переймаючись економією габаритів і маси так, як це доводилося робити американцям. В результаті, оглядаючись назад, ми бачимо, наскільки пішли вперед автоматичні космічні системи НАСА, які активно займаються дослідженням Сонячної системи (Марс, Юпітер, Сатурн, Плутон...). Не відстає і Європейське космічне агентство ЕКА, яке активно займається малогабаритними супутниками (мікро- та наносупутниками). Чи людина в найближчі десятиліття освоїть Сонячну систему, але це зможе зробити людський розум «руками» автоматичних апаратів, які мають необхідний «інтелект». Після занепаду 1990-2000 років, незважаючи на певні успіхи вітчизняних розробників, Росії гостро не вистачає власних мікросхем, здатних вирішувати обчислювальні завдання сучасного рівня або навіть рівня завтрашнього дня (адже космічні проекти плануються кілька років) і які мають при цьому необхідну радіаційну стійкість і збоє. І проблема тут не так у наявному технологічному відставанні, як у відсутності єдиного розуміння вигляду таких обчислювальних систем і, отже, у нестачі не тільки електронної компонентної бази, а й надійного та ефективного програмного забезпечення. Не можна повторювати помилок минулого – треба вчитися на них.