ПРИЛОЖЕНИЕ A

VLF РАДИОСТАНЦИЯ GOLIATH (ГЕРМАНИЯ)

: общие сведения о радиостанции : : антенное поле : : антенна : : передатчик : : вспомогательные средства : : зона покрытия : : источники информации и илююстраций :

Настоящая глава, по сравнению с немалым числом имеющихся в Сети публикаций на тему радиостанции Голиаф, в большей степени ориентирована на описание и анализ технических аспектов предмета. Кроме того, автор предлагает ряд уточнений и поправок к имеющимся в сети материалам, а также ряд ранее не опубликованных для широкого пользования сведений, в т.ч. касающихся обустройства антенного поля, схемы и конструкции антенны, схемы передатчика и технических особенностей других узлов и арегатов, включая сведения об их защите патентами.

 

Координаты: 52°39'52"N 11°25'30"E.

Период работы: 1943 - 1945 г.г. (демонтирована в 1947 г.)

Частотный диапазон: 15 - 60 кГц. (основная частота 16.55 кГц.)

Мощность передатчика: до 1000 кВт.

Мощность, излучаемая антенной: до 300 - 900 кВт с ростом частоты.

Классы излучения: A1A (15-60 кГц) | A3C (30-60 кГц) |A3E (45-60 кГц).

Рис.A1. Панорама радиостанции Goliath

 

Радиостанция была построена в 1943 году вблизи г. Кальбе (Calbe) и функционировала до капитуляции Германии. Генеральным подрядчиком по проектированию и строительству станции являлась ведущая немецкая радиотехническая компания C.Lorenz AG. К работам также был привлечен и ряд других крупных немецких предприятий. Руководил проектом известный немецкий радиотехник и изобретатель доктор-инженер Фритц Гутцманн (Fritz Gutzmann), получивший на разработанные им технические решения антенны, передатчика и других узлов радиостанции целый ряд патентов. На момент создания радиостанция была самой большой и самой мощной в мире и оставалась таковой еще много лет, а показатели КПД ее антенны остаются рекордными до сих пор.

Перед капитуляцией Германии радиостанция по приказу немецкого командования была частично разрушена, а документация на нее была почти полностью уничтожена, но затем была воссоздана советскими специалистами при участии немецких. Сама радиостанция теми же силами была восстановлена в 1947 году и прошла тестовые испытания, после чего была демонтирована и вывезена в СССР, как военный трофей. В СССР она была вновь смонтирована вблизи пос. Дружный Горьковской области и запущена в эксплуатацию в 1952 году.

Основными источниками исторической и технической информации о радиостанции Goliath является сайт города Кальбе [1], монография Клауса Херольда [2], мемуары Б.Г.Чурочкина [3] (см. источники информации), ряд материалов отдельных энтузиастов исследования истории и техники Голиафа, а также патенты фирмы Lorenz AG, которые будут упомянуты по ходу изложения.

 

Внимание! До 1952 г. название города Кальбе на немецком языке писалось как Calbe (т.е. с буквой C в начале), поэтому имеющиеся в Сети карты и схемы с написанием названия города как Kalbe (т.е. с буквой K в начале), введенным с 1952 года, нельзя считать первичными историческими документами и они должны быть отнесены к документам, воссозданным или составленым после указанной даты.

 

Радиостанция располагалась на берегах прямолинейного русла реки Мильде на участке с повышенной влажностью и засоленностью и высоким уровнем грунтовых вод. Участок с такими параметрами грунта был выбран преднамеренно, поскольку вследствие сочетания указанных факторов обладал повышенной электропроводностью в требуемом диапазоне глубин, что позволило минимизировать потери мощности излучения в земле и тем самым обеспечить достижение высокого КПД антенны.

Большая часть участка была заболочена, что не только осложняло строительство, но и являлось источником неравномерности и нестабильности электропроводности почвы и, соответственно, потенциальным источником нестабильности параметров антенны и ее согласования с передатчиком. По этой причине ее верхний слой необходимо было осушить, а уровень грунтовых вод застабилизировать. С этой целью была создана разветвленная осушительно-увлажняющая система.

Рис.A.2. Карта антенного поля радиостанции Goliath, воссозданная после 2003 года
(автор Dr. Jorg Schubert, обозначения и комментарии фиолетового цвета - Janto)

 

СМК и ЮМК - северный и южный магистральные каналы; ПВ - пруды - водосборники, ПП - павильон передатчика, АП - антенные павильоны, 1-3 - центральные мачты, 4-18 - периферийные мачты

 

Рис.A.3. Расположение антенного поля радиостанции Goliath на карте Google maps

(кликнуть для увеличения)

 

Антенное поле имело форму треугольника со срезанными углами, по периметру которого были устроены 2 магистральных канала (северный и южный) упомянутой осушительно-увлажняющей системы, соединяющиеся через шлюзы с руслом реки Мильде, а через сеть проводящих каналов - с прудами-водосборниками, расположенными звездообразно между периферийными мачтами антенных секций. Данные элементы присутствуют как на карте доктора Шуберта (рис.A2.), так и на других чертежах и фото антенного поля (см. [2]), а их рудименты хорошо просматриваются на спутниковой карте Google Maps (рис.A3).

 

Примечание. Ни в одной из публикаций по Голиафу наличие данной системы прямо не упоминается, а ее магистральным каналам приписывается функция заградительного рва. Однако в пользу осушительно-увлажняющей системы говорит, во-первых, наличие и топология характерных для дренажных систем гидротехнических элементов, во-вторых, комментарий, который сделал исследователь Голиафа доктор Йорг Шуберт на составленной им карте, а также упомянутая в работе [1] необходимость стабилизации уровня грунтовых вод для стабилизации оптимальных параметров передающего тракта и упомянутая там же изрезанность территории многочисленными траншеями.

 

Площадь антенного поля, измеренная в Google Maps (открыть карту с данными) по рудиментам магистральных каналов, составляет около 2,5 кв. км, а периметр - около 6 км. Эти цифры несколько расходятся с данными, приведенными в [1], где упоминается длина стороны треугольника 2,4 км и площадь 2,63 кв.км. Расхождение, возможно, связано с тем, что в указанной работе имелся в виду треугольник, в который вписывается антенное поле, без учета обрезанности его углов. Прорисовка на карте Google Maps с приемлемой точностью подтверждает эту гипотезу.

Кроме элементов осушительно-увлажняющей системы на антенном поле располагались:

• 3 антенные секции, образованные 18-ю мачтами с антенными полотнами;
• по 1-му антенному павильону в каждой антенной секции;
• по 1-ой заглубленной системе проводников заземления в каждой антенной секции;
• павильон передатчика;
• 1 заглубленная система проводников заземления под передатчиком;
• 2 скважины для забора технической воды для систем охлаждения;
• 2 градирни для охлаждения технической воды систем охлаждения.

Более подробно о данных компонентах радиостанции см. далее.

 

Полноценное описание и анализ антенны радиостанции Goliath заслуживают отдельного обзора. Здесь же будут даны лишь ограниченные сведения приниципиального характера, необходимые для получения общего представления о техническом уровне радиостанции Goliath.

Конструктивная и электрическая схемы антенны приведены на рис.A4. В соответствии с данными схемами антенна включала три идентичных антенных секции, каждая из которых представляла собой вертикальный излучатель, имеющий физическую длину много меньше четверти длины волны, удлиняемый до нужной электрической длины с помощью верхней емкостной нагрузки модифицированного зонтичного типа («umbrella»), а также с помощью индуктивности (т.н. геликса), включенной между основанием и землей.

Рис.A.4. Конструктивная и электрическая схемы антенны радиостанции Goliath

# На конструктивной схеме (согласно патенту DE-889023):

20 - блок коммутации антенных секций; 21 - павильон передатчика; 22 - согласующий вариометр передатчика; 23, 24, 25 - размыкатели фидеров; 30, 40, 50 - центральные мачты-излучатели; 31, 41, 51 - проводники «зонтиков» емкостных нагрузок; 32-36, 42-46, 52-56 - периферийные несущие мачты; 38, 48, 58 - фидеры питания антенных секций; 39, 49, 59 - изоляторы;

# На эквивалентной электрической схеме:

A1-A3 - излучатели; F1-F3 - фидеры; L1-L3 - удлиняющие индуктивности; C1-C3 - удлиняющие емкости; G - генератор.

Внимание! Начало и порядок нумерации антенных секций на схеме, а также количество радиальных проводов в секциях соответствуют описанию патента DE-889023, составленному изобретателем антенны Гутцманом, но не соответствуют схемам и планам, в т.ч. плану рис.A3, составленным исследователем истории Голиафа доктором Шубертом.

 

Каждая антенная секция имела в плане форму правильного шестиугольника со стороной 400 м, в центре которого находилась стальная трубчатая мачта излучателя высотой 204 м, а в вершинах - периферийные несущие мачты высотой 170 м, выполненные из стальных ферм треугольного сечения. Центральные мачты секций были расположены в вершинах равностороннего треугольника на расстоянии 800 м друг от друга, при этом между ними располагались по одной периферийной несущей мачте, каждая из которых являлась общей для смежных секций. Т.о., суммарное число мачт всей антенны было равно 18.

Все мачты антенных секций были установлены на бетонных опорах и зафикисированы тремя ярусами оттяжек, при этом мачты излучателей были изолированы от бетонных опор фарфоровыми изоляторами с пробивным напряжением 300 кВ. Проводники «зонтиков» емкостных нагрузок были выполнены из сталь-алюминиевых тросов диаметром 25 мм и растянуты радиально от центральных мачт путем крепления к сталь-алюминиевым тросам диаметром 36 мм, закрепленным с помощью изоляторов на периферийных мачтах.

Передатчик располагался в геометрическом центре антенны между антенными секциями. Последние запитывались сверху через индивидуальные фидеры, подключенные к выходу передатчика через размыкатели. Указанная схема обеспечивала возможность выборочного отключения антенных секций для ремонта, профилактики и тестирования. В штатном режиме все три секции работали параллельно-синфазно, при этом все три фидера также работали синфазно, образуя таким образом единый центральный излучатель, работающий параллельно-синфазно с остальными.

Все мачты-излучатели и общая шина передатчика были заземлены с помощью сетей заглубленных, радиально расходящихся от заземляемых точек проводников, выполненных из стальной оцинкованной ленты. Данная система заземления в совокупности с высокой электропроводностью грунта позволила обеспечить во всем диапазоне частот передачи сопротивление заземления на уровне 30 - 65 миллиом, при этом минимум сопротивления достигался на частоте 25 кГц.

Рис.A.5. Удлиняющая катушка и фидеры антенн радиостанции Goliath

 

Удлиняющие катушки L1 - L3 располагались в антенных павильонах в вертикальном положении. Каждая катушка состояла из наружной катушки диаметром 3,5 м, высоту 5 м (см. рис.5, слева), намотанной многожильным проводом 7х50 мм2, и находящейся внутри нее подвижной катушки диаметром 3,2 м, намотанной многожильным проводом 5x50 мм2. Настройка индуктивности осуществлялась путем перемещения внутренней катушки вдоль оси наружной с помощью дистанционно управляемого многоступенчатого сервопривода с точностью до 0.1 мм. Общий вес всей конструкции измерялся многими тоннами.

Диапазона перестройки индуктивностей не хватало для настройки антенных излучателей в резонанс во всем диапазоне частот передатчика, поэтому на высокочастотных участках последовательно с удлиняющими катушками включались компенсирующие конденсаторы (см. секции Antennenhaus 1, 2, 3 на рис. A.9).

Каждый антенный павильон имел сплошной алюминиевый экран. За счет вихревых токов, несмотря на специальное дополнительное экранирование незаземленного торца катушки, потери в экране доходили до 50 кВт, что приводило к его сильному нагреву и потребовало установки системы воздушного кондиционирования с термостабилизацией.

 

На схему и конструкцию антенны ее создателю фирме Lorenz AG и ее изобретателю доктору-инженеру Гутцману было выдано 3 патента Германии, в т.ч.:

DE-879720, защищающий схему антенной системы из трех симметрично расположенных вертикальных антенн, питаемых от одного передатчика (рис. A.6 слева);

DE-881226, защищающий схему антенной системы из трех симметрично расположенных вертикальных антенн по патенту DE-870720, в которой использовано индуктивно-емкостное электрическое удлинение излучателей и верхнее питание их высоким напряжением от общего центрального фидера-излучателя (рис. A.6 справа);

DE-889023, являющийся дополнением к патенту DE-881226 в части введения отключателей антенных секций (рис. A.4 слева).

Рис.A.6. Схемы антенн по патентам фирмы Lorenz AG

 

В качестве основного преимущества своей антенны Гутцман заявлял возможность получения крайне низкого сопротивления заземления и, соответственно, уменьшение потерь и повышение КПД, а также увеличения отношения действующей высоты антенны к ее физической высоте.

Следует также отметить, что во многих публикациях антенну Голиафа относят к разновидности антенны Александерсона. На самом деле это утверждение не совсем верно, т.к. сходство антенны Гутцмана с антенной Александерсона заключается только в использовании первичного излучателя в качестве трансформатора для верхнего питания высоким напряжением через воздушную сеть емкостной нагрузки остальных излучателей. На этом сходство заканчивается, при этом заявленные цели обоих изобретений различны. Более подробно о сравнении антенны Голиафа с антенной Александерсона см. в работе Антенна Александерсона: эссе к 100-летнему юбилею..

 

По данным, приведенным в патентах фирмы Lorenz AG и в монографии [1] Й.Шуберта, антенна имела следующие параметры:

• собственная емкость: 115 нанофарад;
• отношение эффективной высоты антенны к физической высоте: 0.50 - 0.55;
• сопротивление излученияЖ от 75 миллиом при 15 кГц до 1150 миллиом при 60 кГц;
• полоса пропускания: 30/63/250/1230 Гц на частотах 15/20/30/60 кГц;
• КПД: от 47% при частоте 15 кГц до 90% при частоте 60 кГц.

При максимальной подводимой к антенне мощности 1000 кВт максимальные значения токов в мачтах-излучателях составляли 700 А, в центральном фидере-излучателе - 400 А, а максимальное напряжение в верхней точке - 200 кВ.

 

 

 

 

Передатчик включал задающий генератор, усилитель мощности с системой охлаждения и модулятор. Задающий генератор представлял собой синтезатор частоты с кварцевым генератором на 12 переключаемых фиксированных частот со стабильностью 1х10^-6 и генератором плавного диапазона со стабильностью 1,35x10^-5. Точность установки частоты была не хуже 5х10^-5, т.е. не хуже 0,75 Гц на нижней границе диапазона (15 кГц) и 3 Гц на верхней границе диапазона (60 кГц). Выходная мощность задающего генератора составляла 600 ватт. Схема задающего генератора в открытых источниках не обнаружена.

Модуляция осуществлялась в задающем генераторе. Какие-либо сведения о технических решениях и параметрах модулятора также не были найдены.

Рис.A.7. схема усилителя мощности передатчика радиостанции Goliath

 

Усилитель мощности имел три каскада, в т.ч.:

• каскад предварительного усиления (stufe 1), выполненный о однотактной схеме на двух вакуумных лампах RS217, работающих в линейном режиме;
• предоконечный каскад (stufe 2), выполненный по двухтактной схеме на шести вакуумных лампах RS250, работающих в режиме класса B;
• оконечный каскад (stufe 3), выполненный по двухтактной схеме на шести вакуумных лампах RS301, работающих в режиме класса С при телеграфии и в режиме класса B при телефонии.

Количество одновременно работающих ламп в каждом каскаде могло регулироваться с помощью выключателей анодного напряжения и входного сигнала, подаваемого на сетки, при этом отключенные лампы находились в горячем резерве, т.е. с разогретыми катодами. Каскад предварительного усиления мог работать с одной или двумя включенными лампами с выходной мощностью 5 и 10 кВт соответственно. Предоконечный каскад мог работать с четырьмя или шестью включенными лампами, что обеспечивало выходную мощность 60 и 90 кВт соответственно. Оконечный каскад также мог работать с четырьмя или шестью включенными лампами с выходной мощностью до 1000 кВт в обоих случаях.

Для ограничения токов разряда в случае коронных и искровых разрядов, которые могут иметь место в высоковольтных цепях передатчика и антенны, в анодных цепях ламп усилителя мощности были установлены токоограничивающие резисторы.

Рис.A.8. Фрагменты панорамы передатчика радиостанции Goliath

 

Фильтрация внеполосных излучений передатчика осуществлялась с помощью двойного дискретно перестраиваемого П-фильтра нижних частот (секция Siebkette на рис.A.9). Для согласования выходного импеданса передатчика с входным импедансом антенных фидеров и входным импедансом эквивалента (имитатора) антенны после П-фильтра был включен индуктивно-емкостной настраиваемый трансформатор (секция Antennen-Ankopplung на рис.A.9) с вариометром на выходе (секция Spulenturm на рис.A.9 и поз.22 на рис.A.4).

Рис.A.9. Цепи согласования выходного каскада передатчика Goliath с антенной

Siebkette - фильтр нижних частот; Antennen-Ankopplung - антенный трансформатор; Kunstliche Antenne - эквивалент антенны; Spulenturm - вариаометр; 1, 2, 3 Antennenhaus - антенные павильоны 1, 2, 3.

 

Настройка передатчика на заданную частоту передачи требовала синхронного изменения параметров большого числа элементов в его различных каскадах, поэтому весь частотный диапазон передачи был разбит на 2 поддиапазона: 15-30 кГц и 30-60 кГц, а частотный диапазон усилителя мощности на 4 поддиапазона: 15,0-21,2 кгЦ; 21,2-30,0 КгЦ; 30,0-42,0 КгЦ; 42,0 - 60 КгЦ.

Основным используемым видом модуляции была телеграфная манипуляция кодом Морзе с приемом на слух (A1A). Она могла использоваться во всем диапазоне частот, однако на практике для обеспечения максимальной зоны покрытия использовалась, в основном, частота 16,55 кГц. Модулятор также обеспечивал возможность работы телетайпом с амплитудной двухполосной модуляцией A3C в диапазоне частот 30-60 кГц, однако этот участок диапазона был гораздо менее востребован из-за существенно меньшей зоны покрытия. Была также предусмотрена телефония с двухполосной амплитудной модуляцией A3E в диапазоне частот 45-60 кГц, однако из-за узкой полосы частот радиотракта (менее 1230 Гц) качество звукового сигнала было неудовлетворительным.

 

Система электропитания

Радиостанция питалась от публичной трехфазной сети электроснабжения 15 кВ 50 Гц через разделительный трансформатор. Также был предусмотрен резервный трехфазный дизель-генератор 2.110 PS с выходным напряжением 380 В 50 Гц и мощностью 1800 кВА, автоматически включавшийся в работу при аварии публичной сети. Внутренняя сеть электроснабжения радиостанции состояла из высоковольной (15 кВ) и низковольтной (380 В) трехфазных шин, связанных через два трансформатора. Кроме этого имелся еще один резервный дизель-генератор мощностью 110 кВт для питания вспомогательных систем станции при неработающем передатчике.

Передатчик питался от дублированного источника питания, работавшего от упомянутых внутренних высоковольтной и низковольтной трехфазных сетей станции. Его мощные высоковольтные выпрямители, питающие анодные цепи передатчика, были собраны по шестифазным схемам на ртутных тиратронах (игнитронах). Нити накала этих тиратронов постоянно находились под напряжением и, соответственно, были постоянно разогреты, что обеспечивало возможность ускоренного включения источника питания в работу при необходимости.

Система охлаждения

Лампы выходного каскада передатчика охлаждались двухконтурной водяной системой охлаждения. Теплоносителем первичного контура, непосредственно охлаждавшим лампы, была дистиллированная вода, которая готовилась дистилляторами, расположенными в здании передатчика, в объеме 1200 литров в сутки. Производительность первичного контура равнялась 100.000 л/час. Во вторичном контуре, охлаждавшем воду первичного контура, циркулировала техническая вода, добываемая в объеме 30.000 л/час из двух артезианских скважин, расположенных на территории антенного поля, и охлаждаемая электровентиляторами в градирне. Производительность вторичного контура равнялась 150.000 л/час.

Насосы обоих контуров приводились в действие от общего электродвигателя, при этом имелся резервный насосный агрегат, а также аварийный резервуар с дистиллированной водой, которая могла охлаждать лампы самотеком в течение 15 минут в непредвиденных ситуациях.

Работа системы охлаждения и температурный режим ламп контролировались с помощью датчиков расхода воды, давления и температуры с выводом их на индикацию и записью на самописцах. Кроме контроля системы охлаждения эти данные также использовались для оценки потерь в выходном каскаде и его КПД.

Эквивалент антенны

Для различных технологических целей к выходу передатчика вместо штатной антенны можно было подключить ее эквивалент (Kunstliche Antenne на рис.A.9). Он представлял из себя 16 супермощных проволочных резисторов (4 блока по 4 резистора), включенных параллельно и охлаждаемых водой с расходом до 18.000 литров в час. Его можно также было подключать параллельно штатной антенне для расширения ее полосы пропускания в случае такой необходимости.

 

Необходимо отметить, что в доступных источниках отсутствуют какие-либо сведения о наличии на радиостанции Goliath средств борьбы с обледенением антенны, хотя таковые, как показала практика, необходимы и имеются на многих VLF радиостанциях.

 

В таблице 1 приведены обощенные данные, полученные при эксплуатации радиостанции Goliath в годы ВМВ, представляющие собой статистическую обработку результатов приема сигнала на более, чем 200 подводных лодках во всей акватории их передвижения.

Уровень принимаемого сигнала регистрировался при следующих условиях:

• частота передачи: 16,55 кГц;
• вид модуляции: телеграфная манипуляция кодом Морзе с приемом на слух;
• мощность, подводимая к антенне: 780 кВт;
• мощность излучения: 410 кВт.

Для приема сигнала использовались штатные радиосредства - СДВ приемник T3PLLa38 и рамочная магнитная антенна, которыми были оснащены немецкие подводные лодки, при этом рамочная антенна ориентировалась на максимум сигнала и находилась на 1 м выше уровня «мостика». За пороговый уровень сигнала был принят уровень его громкости в интервале от 2-х до 3-х баллов по пятибалльной шкале.

 

Таблица 1 (цитируется по [1])

акватория	в целом	над сушей	T	S	глубина
СЕВЕРНОЕ МОРЕ
# Питерхед (Шотл.)-Ставангер (Нор.)	1000 км	300 км	5-15 C°	34,5 %	15-25 м
# Южная акватория	400 км	300 км	5-15 C°	34,5 %	15-25 м
СЕВЕРНАЯ АТЛАНТИКА
# Западное побережье Англии	1200 км	400 км	5-20 C°	37,0 %	8-26 м
# Бискайский залив	1200 км	800 км	10-20 C°	35,5 %	8-26 м
# Залив Св. Лаврентия	5200 км	700 км	0-15 C°	31,0 %	8-26 м
# Нью-Йорк	7000 км	1400 км	15-25 C°	35,0 %	8-26 м
СРЕДНЯЯ АТЛАНТИКА
# Восток*	3000 км	1000 км	20-28 C°	35,0 %	8-20 м
# Карибский бассейн	7600 км	1200 км	25-27 C°	37,0 %	8-20 м
СРЕДИЗЕМНОЕ МОРЕ
Восток	2300 км	800 км	15-25 C°	37,0 %	13-18 м
Запад	2300 км	700 км	13-25 C°	35,0 %	13-18 м
СЕВЕРНЫЙ-ЛЕДОВИТЫЙ ОКЕАН
Баренцево море	2300 км	1300 км	0-10 C°	34,0 %	13-18 м
ЮЖНАЯ АТЛАНТИКА
400 миль южнее Кейптауна	9800 км	8200 км	10-15 C°	35,0 %	8-12 м
ИНДИЙСКИЙ ОКЕАН
Аденский залив	5800 км	5000 км	25-29 C°	36,0 %	8-12 м
Малаккский пролив	8300 км	7400 км	28 C°	30,0 %	8-12 м

Примечание*: В оригинале указано «Запад», что не соответствует расстоянию и, предположительно, является опечаткой.

Рис.A.10. Карта зоны покрытия передатчика Goliath

Для отмеченных позиций через разделитель указаны длина трассы и максимальная глубина приема сигнала порогового уровня.

 

1. Klaus Herold. Der Langstwellensender Goliath bei Calbe an der Milde von 1941 bis 1945

2. Geschichte(n) uber Kalbe (Milde). Der Goliath.

3. Б.Г. Чурочкин. Страницы истории войсковой части 36026

3. Патент Германии DE-879720

4. Патент Германии DE-881226

5. Патент Германии DE-889023

* * * * * * * * *

 

 

Опубликовано 01.03.2020 Последнее изменение - нет

© Janto 2020 Все права защищены