Итоги столетия магнитной записи

Е. П. Зелевич, Г. К. Трыков

Электросвязь, давшая завершившемуся веку одно из многочисленных определений, с момента своего изобретения поставила человечество перед необходимостью записи, воспроизведения и хранения передаваемой на расстояние информации. За минувшее столетие техника магнитной записи электрических сигналов прошла впечатляющий путь от робкой попытки демонстрации некоторых своих возможностей до оформления в самостоятельное научно-техническое направление и создания мощного собственного промышленного потенциала [1].

За точку отсчета этого пути принято считать 1898 г., когда датский физик В. Паульсен впервые продемонстрировал устройство, "телеграфон", позволяющее записывать и воспроизводить речевые сигналы [2, 3]. Сигнал записывался на стальную проволоку диаметром около 1 мм, намотанную по спирали на барабан. В качестве записывающей магнитной головки использовался электромагнит, в обмотку которого был включен микрофон. Записанный сигнал воспроизводился другим электромагнитом с включенными в его цепь головными телефонами. Скорость движения стальной проволоки составляла 20 см/с. По современным понятиям технические характеристики этого устройства, в первую очередь величина продольной плотности записи, значение которой характеризует степень совершенства любого современного запоминающего устройства, крайне низкие. Но это скромное по сегодняшним меркам достижение в 1900 г. на Всемирной выставке в Париже было удостоено "Гран При".

Последующие три десятилетия развитие магнитной записи прошли в попытках усовершенствовать характеристики телеграфона и отдельных его составных элементов. Но только в результате усилий Пфлеймера, который изобрел ленточный носитель записи на пластмассовой основе с порошковым магнитным слоем, и Шюллера, сконструировавшего кольцевую магнитную головку с рабочим зазором 20 мкм, устройства магнитной записи приняли современный облик [4, 6]. В 1935 г. на фирме AEG был разработан и изготовлен аппарат Т1, названный магнитофоном. Он имел такие параметры: частотный диапазон записываемых и воспроизводимых сигналов от 50 до 10 000 Гц, скорость движения ленты 77 см/с, динамический диапазон 35 дБ (определяемый подмагничиванием постоянным током).

За ним пришли системы с большим динамическим диапазоном, в которых применяется ВЧ-подмагничивание - важное открытие, сделанное в Японии и Германии.

Начиная с довоенных времен параллельно с развитием одно- и многодорожечных систем записи на магнитной ленте появились аппараты наклонно-строчной записи с постепенным уменьшением ширины используемой ленты (от 50,8 мм до 8 мм) и увеличением угла наклона дорожек. Отсюда запись вращающимися головками первоначально называлась "поперечно-строчной", а затем стала "наклонно-строчной". Такие аппараты применялись для аналоговой и цифровой видео- и звукозаписи.

Широкое участие отечественных ученых и специалистов в развитии теории и техники магнитной записи началось во время Великой Отечественной войны. В 1943 г. появилась публикация А. А. Харкевича о магнитной записи звука и в Институте звукозаписи (ВНАИЗ) под руководством профессора И. Е. Горона был разработан магнитофон МАГ-1 [7]. В дальнейшем в течение многих лет ВНАИЗ (впоследствии ВНИИТР) был головным институтом, решавшим основные научно-технические и многие практические вопросы в области магнитной записи. Там же был разработан первый отечественный видеомагнитофон "Кадр-1", позволивший начиная с 1960 года проводить регулярные передачи с применением видеозаписи на Центральном телевидении.

В 1960-1970 гг. магнитная запись получила достаточно широкое распространение в системах связи. Она использовалась для организации магнитных переприёмов фототелеграмм, для "фотогазеты", при метеоанализе, а также при анализе параметров действующих аналоговых и цифровых каналов связи при передаче по ним реальных сигналов в процессе эксплуатации.

Магнитная запись позволила реализовать различные виды анализа сигналов, недоступные ранее, так как заменила параллельный анализ в реальном масштабе времени последовательно-параллельным.

Было создано устройство для сравнения сигналов, записанных на выходе протяженных каналов связи (например, Москва - Владивосток) с исходными сигналами. Оно служило для контроля особо надёжных каналов управления.

Для компенсации временных искажений, вносимых каналами магнитной записи, применялись качающиеся головки с угловым позиционированием. Были созданы следящие системы восстановления средней скорости транспортирования магнитного носителя. Для этих целей ранее использовались перфорированные носители.

Магнитная запись также нашла применение для изменения временного масштаба исходного сигнала без практического изменения его спектра.

Без магнитных записей не могло развиваться и кинопроизводство. Здесь использовалась кинолента с нанесённым путём полива магнитным слоем, а также синхронизированные аппараты магнитной записи с перфорированным магнитным носителем, транспортируемым со скоростью 456 мм/с. При этом в кинотехнике осуществлялась магнитная запись на 3-9 каналов.

Отдельным направлением являлось создание бортовых ЗУ для массового применения ("чёрные" ящики, рассчитанные на жёсткие внешние воздействия, устройства управления). Для этих целей была разработана специальная магнитная проволока и металлическая лента, которая напылялась в вакууме.

В 1960-1980 гг. работы по теории и технике магнитной записи приобретают в нашей стране невиданный размах. Это было вызвано растущими потребностями различных отраслей народного хозяйства: радиовещания, телевидения, вычислительной и специальной техники. Сложились многочисленные коллективы и школы высококвалифицированных специалистов: ВНИИТР, НИКФИ, МЭИС, ВЗЭИС, отраслевые НИИ в Москве, Киеве, Шостке, Ленинграде, Вильнюсе, Каунасе и т. д.

В этот период публикуются монографии и статьи В. Г. Королькова, А. И. Горона, М. В. Гитлица, В. И. Пархоменко, Я. А. Мазо, А. И. Вичеса, Ю. А. Василевского и других авторов, посвященные фундаментальным вопросам теории магнитной записи: физическим основам процесса записи с ВЧ-подмагничиванием, методам записи цифровых сигналов, математическому и машинному моделированию канала записи, процессам записи на магнитный носитель [8, 9]. Под эгидой научно-технического общества радиотехники, электроники и связи (НТОРЭС) им. А. С. Попова проводятся регулярные всесоюзные конференции и семинары с участием многих специалистов по вопросам теории и практики магнитной записи.

Все это благотворно сказалось на деятельности коллективов отраслевых НИИ, создававших устройства магнитной записи для решения конкретных задач. Ретроспективный анализ показывает, что во многих случаях идеи и концепции, закладываемые в отечественные конструкции, опережали мировой уровень.

В конце 50-х годов на путях решения сложных задач, связанных с полетом искусственных спутников Земли (ИСЗ), автоматических межпланетных станций (АМС), пилотируемых кораблей и систем специального назначения, в магнитной записи возникло и в дальнейшем сформировалось как самостоятельное новое научно-техническое направление - специальная, или точная магнитная запись.

Запоминающие устройства (ЗУ) разрабатывались под конкретные задачи, которые надо было решить при запуске того или иного космического аппарата (КА). При этом оптимизация параметров создаваемых ЗУ проводилась каждый раз в рамках задаваемых жестких требований, связанных с необходимостью минимизации габаритно-весовых характеристик, энергопотребления, с учетом воздействия внешних дестабилизирующих факторов.

При создании бортовых ЗУ приходилось каждый раз заново переосмысливать их концепцию построения, находя те, почти единственные, решения, которые и приводили в конечном счете к успеху. Процессы стандартизации и унификации, без которых невозможно было развитие других направлений магнитной записи из-за необходимости обмена между потребителями информационными продуктами (например, в радиовещании, телевидении, вычислительной технике), лишь незначительно коснулись аппаратуры точной магнитной записи, да и то в основном наземных устройств.

Начало длинному ряду бортовых ЗУ положил разработанный в 1955 г. реверсивный проволокопротяжный механизм барабанного типа. В нём были применены магнитные головки из износостойкого магнитного сплава альфенол и магнитная микропроволока диаметром 50 мкм, намотанная в один слой на барабан. В дальнейшем на основе этого прибора было создано целое семейство непрерывных и старт-стопных бортовых ЗУ с широким спектром рабочих характеристик. Наиболее совершенным среди них был разработанный в 1975 г. прибор, основным элементом конструкции которого являлся полый барабан, изготовленный из титанового сплава с толщиной стенки всего 80 мкм. На барабан в один слой виток к витку наматывалось 150 м микропроволоки диаметром 20 мкм. Привод механизмы располагался внутри барабана. Блоки магнитных головок записи и воспроизведения, изготовленные из твердого сплава седаст 10 СЮ-ПМ, устанавливались на подвижной каретке, перемещаемой вдоль барабана ходовым винтом. Короткая петля микропроволоки подводилась к блокам головок через опорные элементы из искусственного сапфира. Рабочие пазы для микропроволоки для устранения перекосов в блоках магнитных головок выполнялись за одну технологическую операцию.

Совокупность реализованных конструкторско-технологических решений позволила создать бортовое ЗУ с характеристиками, не имеющими аналогов в мировом приборостроении: время разгона и остановки в старт-стопном режиме - 10-20 мс, емкость памяти - 5*10⁶ бит, объем - 1,5 дм³, масса - 1,5 кг. Эти характеристики способствовали успешному решению ряда исследовательских задач при полете АМС к Марсу, Венере и другим дальним космическим объектам [10].

На начальном этапе осуществления космических программ бортовые ЗУ выполняли в основном функции записи и воспроизведения небольших потоков телеметрической информации. При этом скорость поступающей информации составляла (0,5-8)*10^з бит/с. Воспроизведение, как правило, шло в ускоренном темпе (26-256)*10^з бит/с или, наоборот, со значительным замедлением для передачи по узкополосному каналу связи.

Однако магистральный путь развития бортовых ЗУ был связан с применением в них в качестве носителя информации магнитных лент, позволяющих записывать и воспроизводить сигнал одновременно по многим дорожкам. Именно параллельная цифровая магнитная запись, реализуемая с помощью многодорожечных блоков магнитных головок, позволяла снизить скорость потоков сигнала, записываемого по каждому из каналов, повысить достоверность воспроизводимой информации и производить нужные преобразования сигнала.

Продольная плотность записи сигнала на магнитную ленту была невысокой и составляла от 10 до 40 дв. ед./мм. Это было вызвано необходимостью выбора рабочей точки на начальном участке амплитудно-частотной характеристики магнитной ленты, на котором обеспечивается максимальная амплитуда сигнала, минимальные межсимвольные ошибки и требуемая высокая достоверность. Блоки магнитных головок записи и воспроизведения изготавливались из железо-никелевых сплавов альфенол или пермаллой и содержали от 1 до 10 каналов при величине рабочих зазоров головок записи 5-10 мкм и зазоров головок воспроизведения 2-5 мкм. В телеметрических ЗУ ширина магнитных лент составляла 6,25; 12,7 и 25,4 мм и толщиной от 55 до 27 мкм. Физико-механические свойства таких лент допускали применение разнообразных схем их транспортирования в лентопротяжном тракте: ведущий вал с прижимным роликом, пружинный привод за катушку или ведущий вал большого диаметра без прижимного ролика.

В течение многих лет разработки, изготовления и эксплуатации телеметрических ЗУ был накоплен большой положительный опыт, который послужил основой для создания базовых образцов в самых современных проектах, в том числе на околоземных комплексах "Мир" и международной космической станции "Альфа". Неоценимо значение ЗУ, которые применялись при испытаниях и настройке сложных систем авиационных и ракетно-космических комплексов.

В середине 70-х годов дальнейшее развитие программ космических исследований, связанных, в частности, с орбитальным мониторингом поверхности Земли, потребовало разработки нового класса бортовой регистрирующей аппаратуры - высокоинформативных ЗУ, способных записывать и воспроизводить потоки видеоинформации со скоростью более 15 Мбит/с.

Создание высокоинформативных ЗУ (ВЗУ) во многом зависело от достигнутого прогресса в смежных областях научной и практической деятельности и стало возможным после проведения большого объема исследований и получения положительных результатов по всем аспектах этой проблемы. К ним относится создание высококоэрцитивных магнитных лент, разработка широкополосных многодорожечных блоков магнитных головок на базе магнитных материалов с бездефектной структурой, разработка методов высокоплотной записи и кодирования сигнала, создание элементной базы с высокой степенью интеграции для записи и последующего воспроизведения сигналов с малым уровнем в широком частотном диапазоне.

Концепция построения каналов записи-воспроизведения предусматривала обеспечение максимальной продольной плотности записи на всех скоростях транспортирования магнитного носителя при заданной достоверности воспроизведения цифровых сигналов и обычно составляла 1300 бит/мм при количестве дорожек 32 или 42 по стандартам ISO.

Блоки магнитных головок (БМГ), являвшиеся "узким" местом в ряду технологий, используемых при создании ВЗУ такого класса, были освоены отечественной промышленностью. При этом применялись уникальные высокоточные станки и прецизионные устройства контроля конструктивных параметров БМГ. Например, качество поверхности БМГ оценивалось на интерферометрических установках.

В настоящее время магнитная запись совершенствуется с использованием средств вычислительной техники.

Сто лет существования магнитной записи прошли под знаком непрерывной борьбы за плотность записи информации. Эта тенденция сохранится и в обозримом будущем.

Литература

1. Трыков Г. К. К столетию магнитной записи. Вестник связи. М., 1996, № 9, с. 47-48.
2. Poulsen V. Annalen der Physik und Chemic (Leipzig), 1900, Bd. 3, S. 754-760.
3. Пат. США 661619, 1900.
4. Пат. Германии 500900,1930.
5. Schuller E. Electrotechnische Zeitschrift, 1939, S.1219-1221.
6. Stille K. Electrotechnische Zeitschrift, 1930.
7. Горон И. Е. Отечественные конструкции аппаратов магнитной звукозаписи. Изв. АН СССР, сер. физическая, 1949, т. ХIII, № 6.
8. Корольков В. Г. Процесс магнитной записи с высокочастотным подмагничиванием. Труды ВНИИТР, 1966, № 4.
9. Василевский Ю. А. Техника кино и телевидения, 1970, № 3.
10. История Российского НИИ космического приборостроения, 1996, вып. 2.
11. Информационные технологии. Модус, 2000, № 7(110), с.10-11.