Ραντάρ

Το ραντάρ (radar = RAdio Detection And Ranging ή επίσης Radio Angle Detection And Ranging) αποτελεί μια ηλεκτρονική κατασκευή που εκπέμπει κατάλληλο ηλεκτρομαγνητικό κύμα και στη συνέχεια παραλαμβάνει τυχόν ανακλάσεις του σε μεταλλικές επιφάνειες. Έτσι είναι δυνατόν να συλλεγούν πληροφορίες για είδος και πλήθος κινούμενων ή σταθερών μεταλλικών αντικειμένων. Αυτή η κατασκευή υλοποιήθηκε σχεδόν παράλληλα στη Γερμανία, τη Βρετανία και τη Σοβιετική Ένωση στα τέλη της δεκαετίας του 1930, με κύριο στόχο την αντιμετώπιση αντιπάλων αεροπλάνων και πλοίων κατά το β' παγκόσμιο πόλεμο. Το έτος 1849 είχε μετρήσει ο Γάλλος Φυσικός Armand Fizeau (Φιζώ, 819-1896) την ταχύτητα του φωτός με την καταγραφή του χρόνου που χρειάζεται μια φωτεινή δέσμη να ανακλαστεί σε εμπόδιο που βρίσκεται σε δεδομένη απόσταση, και να επιστρέψει στον πομπό της. Από τη στιγμή που είναι γνωστή η ταχύτητα του φωτός, μπορούμε να επαναλάβουμε το πείραμα με στόχο τον προσδιορισμό της απόστασης, στην οποία βρίσκεται το εμπόδιο. Όμως, το φως δεν προσφέρεται για τέτοιες εφαρμογές, γιατί ανακόπτεται εύκολα από διάφορα εμπόδια και επίσης απορροφάται και σκεδάζεται σε μεγάλο βαθμό από την υγρασία και τη σκόνη της ατμόσφαιρας. Το έτος 1866 είχε διαπιστώσει πειραματικά ο Rudolf Hertz ότι τα ραδιοκύματα αντανακλώνται σε μεταλλικά αντικείμενα. Στα τέλη της δεκαετίας του 1870 επανέλαβε ο Ινδός Jagadish Chandra Bose (Μπόουζ, 1858-1937) τα πειράματα του Χερτς στην Καλκούτα, χρησιμοποιώντας μικρότερα μήκη κύματος. Με τα αποτελέσματα από αυτά τα πειράματα οδηγήθηκε ο Μπόουζ στην κατασκευή των πρώτων κυματοδηγών.

Τη μέθοδο Φιζώ για εντοπισμό μεταλλικών αντικειμένων αλλά με ραδιοκύματα εφάρμοσε το έτος 1904 ο Γερμανός φοιτητής Christian Huelsmeyer (Χυλσμάγερ, 1881-1957), ο οποίος στα πλαίσια πειραμάτων ως υποψήφιος εκπαιδευτικός, προσδιόρισε την ακριβή απόσταση πλοίων στη θάλασσα από το εργαστήριό του. Τα ραδιοκύματα είναι κατάλληλα για μετρήσεις απόστασης μεταλλικών αντικειμένων εφόσον έχουν υψηλή συχνότητα (μικρό μήκος κύματος), αλλιώς κάμπτωνται κατά την πρόσκρουση σε μεταλλικά μεπόδια και αλλάζουν κατεύθυνση εκπομπής. Τα κύματα μεγαλης συχνότητας (μικροκύματα) είναι διεισδυτικά και διαπερνούν τα σύννεφα. Το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας που έλαβε ο Χυλσμάγερ το ίδιο έτος έχει τίτλο: «Μέθοδος ειδοποίησης ενός παρατηρητή για την ύπαρξη απομακρυσμένων μεταλλικών αντικειμένων με χρήση ραδιοκυμάτων». Είναι άγνωστο, αν έγινε ευρύτερα αντιληπτή από τον τεχνικό κόσμο η σημασία αυτής της επινόησης του Χυλσμάγερ, το μόνο συναφές στοιχείο ήρθε από ένα τελείως διαφορετικό χώρο, αυτόν της λογοτεχνίας. Ο Αμερικάνος τεχνικός και συγγραφέας Hugo Gernsback (Γκέρνσμπακ, 1884-1967) με καταγωγή από το Λουξεμβούργο, περιγράφει σε ένα μυθιστόρημα επιστημονικής φαντασίας που κυκλοφόρησε το έτος 1911, την αξιοποίηση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων για τη λειτουργία ενός ραντάρ, το οποίο χρησιμεύει στη μυθιστορηματική πλοκή του έργου. Είναι άγνωστο, αν ο Γκέρνσμπακ επηρεάστηκε από την ιδέα του Χυλσμάγερ ή έπλασε αυτοδύναμα την ιστορία του για το ραντάρ. Το έτος 1917 αξιοποίησε ο Γάλλος Φυσικός Paul Langevin (Λανζεβέν, 1872-1946) τους υπερήχους για εντοπισμό αντικειμένων στο νερό. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα και το φως δεν ήταν δυνατόν να χρησιμοποιηθούν σ' αυτό το μέσο, ενώ οι υπέρηχοι προσφέρονται λόγω του μικρού μήκους κύματος που διαθέτουν κι επειδή δεν σκεδάζονται ή απορροφώνται από το νερό. Τα αντικείμενα που έπρεπε να εντοπιστούν δεν ήταν άγνωστα ευρήματα αλλά γερμανικά υποβρύχια, τα οποία κατά τη διάρκεια του α' παγκόσμιου πολέμου προκαλούσαν τεράστιες απώλειες στα αντίπαλα πλεούμενα. Η συσκευή που κατασκεύασε ο Λανζεβέν, το σονάρ (sonar = SOund, Navigation And Ranging), δεν ολοκληρώθηκε βέβαια έγκαιρα ώστε να αξιοποιηθεί στον πόλεμο, χρησιμοποιείται όμως βελτιωμένη μέχρι σήμερα για να εντοπιστούν, εκτός από υποβρύχια και ναυάγια, κοπάδια ψαριών, αλλά και για να καταγραφεί το ανάγλυφο του πυθμένα των θαλασσών. Εκτός αυτών, οι υπέρηχοι παίζουν σημαντικό ρόλο στην ιατρική διαγνωστική. Στη δεκαετία του 1930 εξελίσσονται παράλληλα προσπάθειες για ανάπτυξη ραντάρ στο πλαίσιο των εξοπλισμών από τις κυριότερες αντίπαλες δυνάμεις και συγκεκριμένα τη Γερμανία, τη Βρετανία, τη Σοβιετική Ένωση και τις ΗΠΑ. Επειδή το ραντάρ είχε τότε σχεδόν αποκλειστικά στρατιωτικό ενδιαφέρον, η ανάπτυξή του έγινε σε όλες τις χώρες με μεγάλη μυστικότητα, γι' αυτό και οι τεχνικοί που συμμετείχαν σε κάθε χώρα δεν είχαν δυνατότητα επικοινωνίας. Αυτός είναι και ο λόγος που τα συστήματα, τα οποία τελικά αναπτύχθηκαν, διέφεραν σημαντικά μεταξύ τους. Το έτος 1934 πραγματοποιεί το γερμανικό ναυτικό (Dr. Rudolf Kuehnhold) πειράματα στον κόλπο του Κιέλου με μία συσκευή που εκπέμπει εκατοστομετρικά κύματα (decimeter). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η συσκευή μπορούσε να εντοπίσει, εκτός από πλοία, και αεροπλάνα που πέταγαν πάνω από το λιμάνι. Στο αμέσως επόμενο χρονικό διάστημα η εμβέλεια εντοπισμού έφτασε τα 40 km. Η πρώτη στρατιωτική αξιοποίηση αυτού του ραντάρ έγινε στα τέλη του έτους 1939 (o β' παγκόσμιος πόλεμος είχε αρχίσει ήδη τον Σεπτέμβριο αυτού του έτους), όταν εντοπίστηκαν έγκαιρα και καταρρίφθηκαν βρετανικά αεροπλάνα που ετοιμάζονταν για έφοδο σε πολεμικά πλοία στο λιμάνι του Αμβούργου. Η εταιρία Telefunken εγκατέστησε το έτος 1939 μια σειρά ραντάρ με το κωδικό όνομα Wuerzburg για την υποστήριξη των αντιαεροπορικών πυροβολαρχιών. Το «πιάτο» αυτών των ραντάς είχε διάμετρο 3 m, η εκπομπή γινόταν στα 565 MHz με 8 kW παλμική ισχύ και η εμβέλεια έφτανε τα 40 km. Αυτές οι συσκευές βελτιώθηκαν σταδιακά και μέχρι το τέλος του πολέμου είχαν κατασκευαστεί περίπου 4.000 κομμάτια. Μια ειδικότερη κατασκευή αυτού του ραντάρ είχε την ονομασία Wuerzburg-Riese (γίγας). Στη Βρετανία παρουσίασαν οι Robert Watson-Watt και Arnold Wilkins το έτος 1935 ένα σχέδιο για κατασκευή ραντάρ, το οποίο προέβλεπε εκομπές με μήκος κύματος 49 m. Αυτό το μήκος ήταν περίπου το διπλάσιο του ανοίγματος το πτερύγων των συνηθισμένων βομβαρδιστικών αεροπλάνων κι έτσι οι μεταλλικές επενδύσεις των αεροπλάνων αντανακλούσαν τα ραδιοκύματα ως δίπολα μισού μήκους κύματος. Μετά από διάφορες βελτιώσεις εγκαταστάθηκε το έτος 1937 κατά μήκος της ανατολικής ακτής της Βρετανίας ένα δίκτυο 20 κεραιών που ονομάστηκε Chain Home. Η εκπομπή γινόταν με μήκη κύματος 10-13,5 m (22-30 MHz) με συχνότητα εκπομπής παλμών 25 Hz και ισχύ 200 kW. Η εμβέλεια αυτών των πομπών ήταν της τάξης των 200 km. Από το έτος 1939 βρισκόταν αυτό το δίκτυο ραντάρ σε 24ωρη λειτουργία. Η γερμανική κατασκοπεία πληροφορήθηκε για τη βρετανική εγκατάσταση εντοπισμού αεροπλάνων και έστειλε ένα αερόστατο Ζέπελιν για ανίχνευση πάνω από το κανάλι μεταξύ Βρετανίας και Ευρώπης για να καταγράψει σήματα και τεχνικά χαρακτηριστικά. Αυτή η κατασκοπευτική εξόρμηση έμεινε όμως χωρίς αποτέλεσμα, γιατί οι Γερμανοί τεχνικοί ανίχνευαν την περιοχή συχνοτήτων 200-600 MHz, ενώ οι Εγγλέζοι πραγματοποιούσαν εκπομπές στα 30 MHz.

Αριστερα: Το γερμανικό ραντάρ Wuerzburg-Riese, Δεξιά: Οι κεραίες του δικτύου Chain Home

Το δίκτυο Chain Home είχε μια ικανοποιητική για την εποχή εμβέλεια, δεν μπορούσε να εντοπίσει όμως αεροπλάνα σε χαμηλή πτήση. Γι' αυτό δημιουργήθηκε ένα δεύτερο δίκτυο, Chain Home Low, με εμβέλεια 80 km και συχνότητα εκπομπής στα 200 MHz. Τα δύο αυτά δίκτυα αποδείχθηκαν πολύ αξιόπιστα κατά τις επιθέσεις της γερμανικής αεροπορίας στο Λονδίνο και άλλες μεγάλες βρετανικές πόλεις. Το έτος 1940 κατασκευάστηκε στη Βρετανία συσκευή μάγνητρου (magnetron) ικανή να παράγει κύματα 10 cm κι έτσι έγινε δυνατός ο εφοδιασμός των αεροπλάνων με μικρά ραντάρ. Αυτό το ραντάρ έδειχνε στο χειριστή τη διαμόρφωση του εδάφους, με αποτέλεσμα να είναι πολύ ακριβέστερη η πλοήγηση των αεροπλάνων κοντά σε στόχους. Τα πρώτα αεροπλάνα εφοδιασμένα με ραντάρ χρησιμοποιήθηκαν το έτος 1943. Και οι δύο αντίπαλες πλευρές στο δυτικό μέτωπο, Βρετανοί και Γερμανοί, χρησιμοποίησαν τεχνικές παρεμβολών στα εχθρικά ραντάρ. Μάλιστα και οι δύο πλευρές εφάρμοσαν την ίδια μέθοδο, είτε τυχαία είτε αξιοποιώντας πληροφορίες από κατασκοπεία: τη ρίψη σε μεγάλες ποσότητες μικρών ταινιών από staniol. Σύμφωνα με πληροφορίες που έγιναν γνωστές μετά τον πόλεμο, κατά τις επιθέσεις των βρετανικών βομβαρδιστικών στην περιοχή του Αμβούργου, επί 2 συνεχείς ημέρες στο τέλος Ιανουαρίου 1943, ρίχτηκαν για παρενόχληση των γερμανικών ραντάρ περί τα 92 εκατομμύρια ταινίες μεγέθους ίσο με το μισό μήκος κύματος των εκπεμπόμενων ραδιοκυμάτων. Το συνολικό βάρος των ταινιών staniol ήταν της τάξης των 40 τόνων. Λίγο αργότερα βελτιώθηκαν τα γερμανικά ραντάρ με αξιοποίηση του φαινομένου Doppler, ώστε να διαχωρίζονται μικρές επιφάνειες που κινούνταν αργά ή έμεναν ακίνητες, από μεγαλύτερες επιφάνειες που κινούνταν σταθερά. Στις ΗΠΑ άρχισε το έτος 1937 η μελέτη των δυνατοτήτων κατασκευής ραντάρ για στρατιωτική χρήση. Σύντομα προσδιορίστηκαν οι ανάγκες και κατασκευάστηκαν 800 συσκευές με εμβέλεια 50 μιλίων, φορητές (SCR-270) και σταθερές (SCR-271) με ισχύ 100 kW. Όταν το έτος 1941 επιτέθηκαν τα γιαπωνέζικα αεροπλάνα και κατέστρεψαν τον αμερικάνικο στόλο στο Pearl Harbour, τα αμερικάνικα ραντάρ λειτουργούσαν και είχαν λάβει το σήμα προσεγγίσεως των εχθρικών αεροπλάνων, μόνο που, λέγεται, ότι το προσωπικό χειρισμού δεν διέθετε την κατάλληλη εκπαίδευση για να αντιληφθεί τη σημασία των σημάτων που ελάμβανε. Κατά μία άλλη εκδοχή, τα εχθρικά αεροπλάνα έγιναν αντιληπτά και δόθηκε αρμοδίως μήνυμα συναγερμού, αλλά τα ανώτερα κλιμάκια διοίκησης του στρατού δεν έλαβε σοβαρά υπόψη συτές τις πληροφορίες, ίσως επειδή δεν πίστευαν ότι ήταν δυνατόν να οργανωθεί μία τέτοια επίθεση. Λόγω της τεχνολογικής υστέρησης σ' αυτόν τον τομέα, τα πρώτα αξιόλογα αμερικάνικα επίγεια ραντάρ τέθηκαν σε λειτουργία το έτος 1943, ενώ το έτος 1944 τοποθετήθηκαν τα πρώτα ραντάρ σε αεροπλάνα της πολεμικής αεροπορίας.

Τα πρώτα αμερικάνικα συστήματα ραντάρ, SCR 270 και 271.   Στη Σοβιετική Ένωση υπήρξε επίσης μια αυτοτελής ανάπτυξη του ραντάρ, κυρίως λόγω της σχετικής απομόνωσης του σοβιετικού καθεστώτος και της υποχώρησης στα ενδότερα που κατέστη απαραίτητη, μετά την επίθεση του γερμανικού στρατού. Καταρχήν, περί το έτος 1895 πραγματοποιεί ο καθηγητής στην Πετρούπολη, Alexander Stepanowitsch Popow (Ποπώφ, 1859-1905), πειράματα με ραδιοκύματα. Μέχρι τη δεκαετία του 1920 συνέβαλαν Ρώσοι και Ουκρανοί επιστήμονες στη διαλεύκανση προβλημάτων σχετικά με ανακλάσεις ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Ο Leonid Isaakowitsch Mandelstam (Μάντελσταμ, 1879-1944) και ο Nikolai Dmitrijewitsch Papaleksi (Παπαλέξης, 1880-1947) πραγματοποίησαν μετρήσεις αποστάσεων με ηλεκτρομαγνητικούς παλμούς για προσδιορισμό του ύψους της ιονόσφαιρας. Για το σκοπό αυτό αξιοποιήθηκαν λυχνίες ως γεννήτριες και διαμορφωτές κυμάτων, οι οποίες είχαν κατασκευαστεί για την τηλεόραση. Επίσης κατασκευάστηκε μάγνητρο για την παραγωγή κυμάτων υπερυψηλής συχνότητας. Η ιδέα για τον προσδιορισμό της θέσης αεροπλάνων με ραδιοκύματα άρχισε να συζητιέται στη Σοβιετιή Ένωση από το έτος 1930. Από το 1933 άρχισαν πειραματικές κατασκευές για εκπομπή εκατοστομετρικών κυμάτων και το έτος 1934 δοκιμάστηκε με επιτυχία η συσκευή Rapid, η οποία εντόπιζε αεροπλάνα σε ύψος 5.200 m με ισχύ εκπομπής 200 W και συχνότητα 64 MHz. Μέχρι το έτος 1939 εξελίχθηκε αυτή η συσκευή και πήρε το κωδικό όνομα RUS-1. Το 1941 προστάτευαν 41 τέτοιες μονάδες τη γραμμή Μόσχας-Λένινγκραντ. Παράλληλα αναπτύχθηκαν κι άλλα συστήματα με παραπλήσια χαρακτηριστικά που αξιοποιήθηκαν επίσης κατά το β' παγκόσμιο πόλεμο. Μετά το β' παγκόσμιο πόλεμο ανέλαβαν ηγετικό ρόλο στο θέμα των ραντάρ οι ΗΠΑ, όπως και στις υπόλοιπες ηλεκτρονικές εφαρμογές εξ άλλου και ανέπτυξαν ραντάρ, εκτός από αυτά που προορίζονταν αμιγώς για στρατιωτική χρήση, και άλλα εξειδικευμένα για την ασφάλεια της πολιτικής αεροπορίας, για έλεγχο της οδικής κυκλοφορίας, για μετεωρολογικές παρατηρήσεις και προβλέψεις, για αστρονομικές μελέτες κ.ά.