Povijest radara

Sadržaj

1 1800

2 1900

3 Mikrovalovi

4 Drugi svjetski rat

4.1 Velika Britanija

4.1.1 Chain Home
4.1.2 Daljnje nadogradnje
4.1.3 Magnetron

4.2 Razvoj u Njemačkoj

4.2.1 Würzburg

4.3 Usporedba

5 Hladni rat

1800

1887 Njemački fizičar Heinrich Hertz započeo je u svom laboratoriju eksperimentiranje sa radio valovima. Pronašao je da radio valovi mogu biti odašiljani kroz različite tipove materijala, i također da bivaju reflektirani od strane drugih. Postojanje elektromagnetskih valova perdvidio je ranije James Clerk Maxwell, ali Hertz je bio taj koji je prvi eksperimentalno uspješno stvorio i detektirao radio valove.

1900

Do 1900 Njemački inžinjer Chistian Huelsmeyer, predložio je da se koriste odrazi radio valova u svrhu izbjegavanja sudara. Izmislio je uređaj koji je nazvao telemobiloscope, a koji se sastojao od jednostavnog otvora sa iskrištem usmjerenim pomoću metalne antene u obliku lijevka. Kada se odraz vidio pomoću dvije ravne antene pripojenih na prijamnik, oglasio se zvuk. Iako vrlo jednostavan, sustav je mogao detektirati brod na oko 3 km. No mornarica nije bila baš previše zainteresirana za njegov izum, te on nije ušao u proizvodnju.

Nikola Tesla, je u Kolovozu 1917, postavio principe u svezi frekvencije i snage za prve primitivne radarske uređaje. Teslina proučavanja visokog napona i izmjeničnih struja visoke frekvencije značajna su za ovaj razvoj. Tesla je stvorio koncept korištenja radio valova u svrhu detekcije objekta na određenim udaljenostima. 1917 U časopisu The Electrical Experimenter, Tesla je iznio te principe do u detalj.

Tesla je izjavio, "Na primjer, njihovim [odnosi se na elektromagnetne valove] korištenjem možemo poslati, iz odašiljačke postaje, električni efekt u bilo koji dio zemaljske kugle; [sa kojim] možemo odrediti relativnu poziciju i smjer objekta koji se kreće, poput plovila na moru, njegov prijeđeni put, ili brzinu." Tesla je također predložio korištenje ovih elektromagnetskih valova zajedno sa impulsnim reflektiranim valovima u svrhu određivanja relativne pozicije, brzine i smjera kretajučeg objekta te je uz to predložio i ostale moderne koncepte radara.

Tesla je prvi predložio da se radio lokacija koristi za pronalaženje podmornica (za što inače i nije baš najpogodnije), a fluorescentni indikator, po prvi puta je korišten za uspješno lociranje zrakoplova i površinskih plovila tijekom 2 svjetskog. Emil Girardeau, radio je na prvim francuskim radarskim sustavima, i izjavio je da izgrađuje radarske sustave "u skladu sa principima iznesenima od strane Tesle". Tesla je prvi postavio principe u svezi frekvencije i nivoa snage za prve primitivne radare 1934 godine.

U jesen 1922, A. H. Taylor i L. C. Young sa Mornaričkog Istraživačkog Laboratorija - Naval Research Laboratory (NRL) u SAD detektirali su drveni brod koristeći continuous wave (CW) radar sa odvojenom odašiljačkom i prijamnom antenom. Ti ljudi su prvi inovatori radara. U Lipnju, 1930, L. A. Hyland sa NRL-a u SAD-u. detektirali su zrakoplov sa tim tipom radara. Radar sa valnim preklapanjem (Wave-interference) može detektirati prisutnost objekta, ali ne može odrediti njegovu lokaciju ili brzinu. Da bi došli do tog rezultata moralo se pričekati na izum impulsnog radara.

Prvi eksperimenti sa impulsnim radarom vođeni su na NRL-u (SAD.) 1934 i 1935. 28. Travnja 1936, uspješno je demonstriran prvi impulsni radar sa dometom od 2.5 milje, ali do Lipnja te iste godine, domet je povećan na 25 milja. Impulsni radr je jedini način da se detektira pozicija, veličina i brzina objekta, ali njegova limitiranost za korištenje na brodovima i avionima izazvana je njegovim radom na niskim frekvencijama koje zahtijevaju velike antene. No ipak, u Lipnju, 1936, NRL istraživači pronašli su 200 MHz impulsni radar koji je koristio duplex radar; koji je u stvari, radar sa odašiljačkom i prijamnom antenom smještenom na sam radarski uređaj.

12. Veljače, 1935, Robert Watson-Watt poslao je dokument o preporuci radarskog sustava za Britansko ministarstvo zrakoplovstva (Air Ministry), koji je nazvao "Detection and location of aircraft by radio methods" odnosno detekcija i lokacija zrakoplova pomoću radio matoda. 1915 pridružio se Kraljevskoj Tvornici Zrakoplova (Royal Aircraft Factory) u Ditton Parku, Hampshire, Engleska, kao meteorolog, gdje je pokušao koristiti radio signale u svrhu pronalaženj oluja. Teškoće u određivanju smjera tih signala vodile su prema korištenju rotirajučih usmjerenih antena, i 1923 korištenjem osciloskopa da bi se dobio 2-D prikaz. U tom trenutku jedini dio koji je nedostajao da bi radar pravilno funkcionirao bio je odašiljač.

'Watson-Watt i njegov pomoćnik Arnold Wilkins objavili su izvješće u Veljači 1935, koje su nazvali The Detection of Aircraft by Radio Methods.

Do početka Drugog svjetskog rata , funkcionalna radarska tehnologija temeljila se na osciloskopu tipa SCR-270 Radar.

Mikrovalovi

Za to vrijeme u Njemačkoj, Hans Eric Hollmann radio je već neko vrijeme na mikrovalovima, što je kasnije ostao temelj za skoro sve radarske. 1935 objavio je Physics and Technique of Ultrashort Waves, (fizika i tehnika ultrakratkih valova).

U jesen 1934 njihova tvrtka, GEMA, izradila je prvi komercijalni radarski sustav za detekciju brodova. Radio je u 50 cm opsegu i mogao je detektirati brodove do 10 km. U ljet 1935 razvijen je impulsni radar koji je mogao detektirati brod Königsberg na daljini od 8 km, sa točnošću od 50 m, dovoljnom za gađanje topovima. Isti sustav mogao je detektirati zrakoplov na 500 m visine na udaljenosti od 28 km. Tada je započela konstrukcija vojnih kopnenih i mornaričkih radara poput Freya i Seetakt.

Drugi svjetski rat

Do tada su Engleska i Nacistička Njemačka znale za međusobna dostignuća u toj utrci za naoružanjem. Obje nacije intenzivno su se zanimale za razvoj one druge strane na polju radarske tehnike, te su se aktivno uključivale u pothvate špijunaže i širrenja lažnih informacija o svojoj opremi i napretku. Ali samo je u Britaniji postalo očito da zaostaju u toj trci, jer su njemački sustavi bili daleko tehnološki napredniji (radili su na puno manjim valnim duljinama) dok su u Britaniji to kompenzirali masovnom proizvodnjom i postavljanjem radara i nadzornih sustava.

Velika Britanija

Vidi pod: H2S radar,

Chain Home

Kratko prije početka Drugog svjetskog rata konstruirana je nekolicina radarskih postaja znanih kao Chain Home (ili CH) na jugu Engleske. CH je bio dosta jednostavan sustav. Odašiljanje se odvijalo sa dva 300' (100 m) čelična tornja povezanih nizom kablova. Snaga tih odašiljača bila je 50 MHz ,200 kW (do 800 kW kod kasnijih modela) a napajanje se vršilo kroz te kablove. Drugi dio sustava od 240' (73 m) visokih drvenih tornjeva koristio se za prijam, a sastojao se od serije poprečnih antena na različitim visinama do 215' (65 m). Većina postaja imala je više od jednog seta antena, koje su bile podešene za rad na različitim frekvencijama.

CH radar koristio je osciloskop. Kada je poslan impuls u tornjeve za odašiljanje, pokazivač je bio “okinut” za početak pomicanja snopa vodoravno preko pokazivača velikom brzinom. Izlazni signal sa prijamnika bivao je pojačan i uveden u okomitu os pokazivača, tako da se odraz zrakoplova odbijao od snopa prema gore. Na taj način se formirao šiljasti signal, odraz na pokazivaču, i udaljenost od lijeve strane – mjerena malom skalom na dnu ekrana – davala je udaljenost do mete. Rotacijom prijamnih antena, operator je mogao odrediti smjer (to je razlog korištenja poprečnih antena), veličinu okomite udaljenosti indicirala je broj zrakoplova, i usporedbom jačine odraza od različitih antena mogla se utvrditi visina.

CH se potvrdio vrlo efektivnim tijekom “Bitke za Britaniju” (Battle of Britain), i često je pomagao RAF-u da pobijedi mnogo veče snage Luftwaffe-a. Gdje god da je Luftwaffe morao pretraživati prostor da pronađe RAF-ove lovačke zrakoplove, RAF je već točno znao gdje se bombarderi Luftwaffe-a nalaze, i mogao je usmjeriti sve svoje lovce na njih. RDF postaje radile su samo iznad mora, te su pozicije neprijateljskih zrakoplova iznad kopna morale biti dobavljene putem osmatrača i zrakoplova.

Vrlo rano tijekom rata Luftwaffe je pokušao niz manjih napada na nekoliko postaja, ali su one ponovo vrlo brzo vraćene u pogon nakon nekoliko dana. U međuvremenu operatori su koristili signale iz radaru sličnih uređaja i sustava u svrhu zavaravanja Njemaca koji su povjerovali da radarski sustavi još uvijek funkcionalni. Na kraju su Njemci odustali od daljih pokušaja da ih unište. Čini se da Luftwaffe nikad nije u potpunosti shvatio važnost radara za RAF, jer bi mu inače dodjelili puno veći prioritet – jer jasno je da su htjeli mogli su nakraju ipak uništiti te postaje.

Da bi izbjegli CH sustav Luftwaffe je usvojio drugačiju taktiku. Zrakoplov je prilazio kopnu na vrlo malim nivoima, ispod linije vida radarskih postaja. To je na neki način poništeno dodavanjem niza postaja kraćeg dometa izgrađenih na samoj obali, a poznatijih kao Chain Home Low (CHL). Ti radari prvenstveno su namjenjeni za mornaričko topništvo poznatije kao (Obalna Obrana) Coastal Defense (CD), ali njihovi uski snopovi mogli su pretraživati samo područje puno bliže kopnu a da ne vide odraz kopna ili mora. Za razliku od većih CH sustava, CHL je morao imati odašiljačku antenu zakrenutu prema prijamniku . To se radilo ručno na pedalnom sustavu dok nije napravljen puno pouzdaniji motorizirani pokretač instaliran 1941.

Daljnje nadogradnje

Slični sustavi kasnije su usvojili novi pokazivački sustav za (Presretanje kontrolirano sa zemlje) Ground Controlled Intercept postaje krajem 1941. Kod tih sustava antena se rotirala mehanički, pračena sa pokazivačem na operatorskoj konzoli. To je, umjesto jedne crte preko podnožja displeja s lijeva na desno, prikazivalo liniju koja se rotirala okolo pokazivača istom brzinom kako se okretala antena.

Rezultat je 2-D prikaz zračnog prostora oko postaje sa operatorom u sredini, te pozicijama zrakoplova koji su se pojavljivali kao točkice u prikladnom djelu prostora. Ti takozvani Plan Position Indicators (PPI) dramatično su pojednostavili rad potreban za pračenje ciljeva od strane operatora. Takav sustav sa rotirajučom crtom je ono što većina ljudi povezuje sa radarskim pokazivačem.

Umjesto da izbjegava radare, Luftwaffe je izbjegavao lovačke zrakoplove letenjem po noći i lošem vremenu. Iako je RAF bio svjestan lokacije bombardera, nisu mogli puno uraditi jer piloti nisu mogli vidjeti protivničke zrakoplove. No uskoro je Watson-Watt (na požurivanje Tizzarda) započeo rad na minijaturnom radarskom sustavu pogodnom za zrakoplov, takozvano (Zrakoplovno presretanje) AI (airborne interception). Početni uređaji bili su dostupni već 1941 i postavljeni na zrakoplov Bristol Blenheim, koji je ubrzo zamjenjen sa poboljšanim Bristol Beaufighter, koji je vrlo brzo prekinuo Njemačko letenje po noći i lošem vremenu. Mosquito zrakoplovi za noćno letenje opremljeni su sa AI Mk VIII i kasnijim derivatima, koji su uz uređaj zvan "Serrate" (Nazubljen) mogli pratiti Njemačke noćne lovce na temelju njihovih night Lichtenstein B/C i SN2 radarskih odašiljanja, te uz uređaj zvan "Perfectos" mogli su pratiti Njemački IFF, što je sve omogućilo zrakoplovu Mosquito da pronađe i uništi Njemačke noćne lovce. Kao protumjeru Njemački noćni lovci koristili su Naxos ZR radarski detektor.

Magnetron

Slijedeći veliki pronalazak u povijesti radara bio je izum cavity magnetron-a od strane Randalla i Boota sa Birminghamskog Univerziteta ranih 1940-ih. To je bio mali uređaj koji je stvarao puno jače mikrovalove nego raniji uređaji, koji je omogućio detekciju puno manjih objekata i korištenje puno manjih antena. Tajnost uređaja bila je tako velika da je 1940 odlučeno da se prebaci kompletna proizvodnja u SAD, što je dovelo do stvaranja MIT Radiation Lab koji je nastavio daljnji razvitak uređaja.

Razvoj u Njemačkoj

Njemački izumitelji pratili su Britanske, no kod njih je radar bio na nižem prioritetu sve do kraja rata. Freya radar je u stvari bio puno rafiniraniji od CH-a, i po radu na valnoj duljini od 1.2 m (nasuprot desetorostrukoj veličini kod CH) Freya je bio puno manji i nudio puno bolju rezoluciju. No do početka rata radilo je samo 8 uređaja, što je omogućavalo puno manje pokrivanje.

No Njemci nisu imali zrakoplovni sustav sve do 1942, što je bio problem kod navođenja lovaca u bliznu mete. Da bi rješili taj problem početkom 1941 uveden je sustav Würzburg.

Würzburg

Za razliku od ostalih sustava, Würzburg je bio postavljen na visoko usmjerenu paraboličnu antenu koja je bila osjetljiva samo u jednom smjeru. To je bilo korisno za pronalaženje mata, jer je taj radarski sustav bio vrlo precizan: kasniji modeli bili su 0.2 stupnja točnosti ili manje. Da bi to postigao radar je slao dva snopa i povrat svakog od njih vidio se na pokazivaču. Zadržavajući odraze na istoj jačini, operator je usmjeravao Würzburg direktno na metu.

Slabost Njemačke radarske mreže je bila u tome što je mogla pratiti samo jedan cilj po Würzburg uređaju. Činjenica je da je sustav zahtijevao 2 Würzburga po presretanju, jedan za metu, i jedan za lovački zarakoplov. To znači kako se povečavao broj i količina naleta, moglo se navoditi samo nekoliko noćnih lovaca odjednom, a samo je jedan mali broj od nekih 5,000 Würzburga bio unutar njihovog dometa od 25 km u isto vrijeme.

Usporedba

U usporedbi sa Britanskim PPI sustavima, Njemački sustavi su bili mnogo impresivniji. Problem je bio u nedostatku dobrog pristupa zapovjednom lancu. Prošao je niz godina dok Luftwaffe nije uspostavila sustav zapovijedanja i nadzora poput onog uspostavljenog od Watt-a prije rata.

Njemačkie radarske postrojbe slijedile su sličan način. Rane Lichtenstein BC jedinice postavljene su nešto prije1942, i funkcionirale su na valnoj duljini od 2 m i zahtijevale su veće antene. Za to vrijeme Britanci su već postali eksperti u ometanju Njemačkih radara, i kada je Ju 88 noćni lovac opremljen BC-om sletio u Englesku jedne maglovite noći, to je bilo samo nekoliko tjedana prije nogo je sustav postao potpuno beskoristan. Do kraja 1943 Luftwaffe je počela uvoditi uvelike poboljšane SN-2, ali zahtijevali su velike antene što je usporavalo zrakoplove za 50 km/h. Za ometanje SN-2 trebalo je više vremena, ali je nakraju uspješno izvedeno. Sustav na valnoj duljini od 9 cm poznat kao Berlin uspješno je postavljen, ali na samom kraju rata.

Hladni rat

Nakon Drugog svijetskog rata, SAD i Kanada izgradile su lanac radara u Arktičkom području, tvz. Distant Early Warning Line, u svrhu ranog upozoravanja na napad sovijetskih bombradera. Kasnih 1950-ih postojećoj mreži dodan je i sustav za rano upozoravanje na balističke projektile tvz. Ballistic Missile Early Warning System koji je upozoravao na lansiranje ICBM-ova.