Hvem opfandt radaren?

Af Cornell Drentea, KW7CD

———-

Når vi tænker på radio, tænker vi normalt på én mand: Guglielmo Marconi.

Radar er derimod et resultat af mange mænds arbejde.

I 1793 undersøgte den italienske videnskabsmand Lazzaro Spallanzani, professor ved universitetet i Padova, blinde flagermus’ evne til at navigere ved hjælp af ultralyd. Han observerede, at flagermusene fløj godt i mørke uden hjælp fra synet. Han udformede derefter et unikt eksperiment for at demonstrere brugen af flagermusens ører og konkluderede, at en flagermus ville blive desorienteret uden hørelse. Han konkluderede, at flagermusene producerede en kontinuerlig serie af lydpulser og foreslog, at hastigheden af disse pulser steg, når en flagermus nærmede sig objekter. Dette blev først bevist i 1939, da professor Don Griffin fra Harvard University bekræftede fænomenet ved hjælp af nye lydoptagelsesteknikker og instrumenter, der ikke tidligere var tilgængelige. Selv om disse undersøgelser ikke resulterede i nogen umiddelbare konklusioner, tjente begreberne til at skabe de første radarer.

Så tidligt som i 1864 udviklede den britiske fysikerJames Clerk Maxwell et sæt ligninger, der skulle styre de elektromagnetiske bølgers adfærd og lovene for refleksioner. I 1886 eksperimenterede den tyske fysikerHeinrich Hertz med gnistsendere og frembragte dæmpede RF-bølger med en bølgelængde på 66 cm. Han opdagede derefter, at de elektromagnetiske bølger kunne transmitteres gennem nogle typer materialer, mens andre materialer reflekterede dem. Derfor fik de nyopdagede elektromagnetiske bølger navnet Hertz-bølger, efter hans navn.

Første bidrag

Det var først i 1903, at den tyske ingeniørChristian Hulsmeyer foreslog og udviklede en “forhindringsdetektor” til skibe. Hans eksperimenter viste sig at være vellykkede på en afstand på en sømil, men resulterede ikke i en praktisk anvendelig radar. Radar som et antikollisionssystem blev anset for at være et ønskværdigt redskab, især efter den vellykkede brug af radiokommunikation i forbindelse med Titanic-katastrofen i 1912.

Radar blev praktisk anvendelig på grund af flere opfindelser, der fandt sted næsten tilfældigt i slutningen af det 19. århundrede og begyndelsen af det 20. århundrede. For det første blev det muligt at frembringe vedvarende uhæmmede eller kontinuerlige radiobølger med opfindelsen af den termioniske ventil, eller Audion, som den blev kaldt, af Lee De Forest (dens opfinder) i 1906. Dette var en udløber af den tidligere opfindelse af Fleming-ventilen i 1904 og Edison-effekten i 1883.

Audion gjorde det muligt at videreudvikle radiomodtagerteknologien med Edwin H. Armstrongs opfindelse af superheterodyn-radiomodtageren i 1918, en opfindelse, som vi stadig har den dag i dag. Den sidste store opfindelse, som i sidste ende gjorde radar mulig, var den tidlige introduktion af oscilloskopet i 1920, som igen for første gang gjorde det muligt at vise tidsintervaller mellem begivenheder og dermed afstand på et katodestrålerør, hvilket også var en konsekvens af Audion. Fra dette tidspunkt var det kun et spørgsmål om tid, før radar ville blive en vigtig del af vores liv.

Efter 1920 var fremskridtene inden for radar nært forestående. Alvorlige overvejelser om muligheden for at bestemme afstanden ved hjælp af radio blev gjort af Marconi i 1916. Han bemærkede refleksionen af kortbølgede morsekode-radiokommunikationssignaler og muligheden for at bruge disse signaler ikke kun til at kommunikere, men også til at bestemme afstanden til objekter via ekkoer. Det var i juni 1922 i New York på American Institute of Electrical and Radio Engineers i New York, at han i sin hovedtale erklærede, at radaren var blevet til virkelighed. Han forudsagde derefter nye typer af radioapparater til søfart, som ville projicere radiobølger og registrere deres refleksioner fra metalgenstande, således at de “straks kunne afsløre” tilstedeværelsen af andre skibe og deres kurs i mørke eller dis. Yderligere arbejde blev udført i 1922 af Taylor og Young på NRL, som opdagede træskibe ved hjælp af radiofoni-teknikker med kontinuerlige bølger ved en bølgelængde på 5 meter. I 1924 brugte en britisk fysiker, Sir Edward Victor Appleton, radio-ekkoer til at bestemme højden af ionosfæren, mens Breit og Tuve i 1925 i USA for første gang brugte pulserende radarteknikker til at gøre det samme.

Der blev udført yderligere arbejde i Sovjetunionen i 1934. Det resulterede i et groft radaranlæg til tidlig varsling, der blev brugt under 2. verdenskrig mod de tyske fly til at beskytte byerne Leningrad og Moskva. Det var samtidig, i 1934, at der i USA blev udstedt et patent til Taylor, Young og Hyland på NRL på et system til radiodetektion af objekter, og der blev vist yderligere interesse for radarudvikling i USA af Naval Research Laboratory, U.S. Army Signal Corps, RCA og AT&T Bell Laboratories. Yderligere radarudvikling fandt sted i Tyskland i 1930’erne medRudolf uhnhold og elektronikfirmaet Telefunken, der begyndte at eksperimentere med radiodetektion af skibe.

MMarconi’s indledende arbejde med maritime pejlingsteknikker var med til at bane vejen for udviklingen af den første praktiske radar i Storbritannien. Dette arbejde er blevet tilskrevet den britiske fysiker Sir Robert Watson-Watt, som i februar 1935 demonstrerede det første HF-radaranlæg, der fungerede ved 6 MHz og detekterede fly inden for en rækkevidde på 8 miles. I september 1935 demonstrerede de britiske videnskabsmænd pulserende radar ved 12 MHz . Dette kunne detektere fly på en rækkevidde på over 40 miles, og i marts 1936 demonstrerede Storbritannien detektering af fly ved 25 MHz på en rækkevidde på 90 miles. I mellemtiden eksperimenterede NRL i USA med de første radarekkoer med pulser på et halvt mikrosekund ved hjælp af en endnu højere frekvens, 28,3 MHz på en afstand på 2,5 miles. Kort efter blev rækkevidden udvidet til 25 miles.

“Chain-Home”

Det var først i 1939, at man i Storbritannien for alvor overvejede at anvende radar til tidlig varsling af forsvaret i Storbritannien. Et komplekst system blev hurtigt bygget for første gang som et praktisk værktøj. De tidligere eksperimenter med luftforsvar fra 1935 af Sir Watson-Watt gav pote, hvilket resulterede i det første praktiske HF-radar-system til tidlig varsling i England. Det blev kaldt “Chain-Home.”

Systemet bestod af mange pulserende radarstationer bygget på 350 fod høje tårne, der lignede en “kæde” rundt om de britiske øer for at beskytte England mod tyske luftinvasioner. “Chain-Home”-systemet foretog hele Englands syd- og østkyst.

Og selv om dette system tjente sit formål, var HF-installationerne ret store set ud fra et bølgelængdesynspunkt, og HF-effekten var begrænset af tidens tidlige rørteknologi, hvilket resulterede i begrænset ydeevne.

Det blev straks tydeligt, at “Chain-Home” på trods af sin kompleksitet var begrænset i sin ydeevne. Der var behov for noget bedre for at overvinde teknologiens mangler. For at kunne se med højere opløsning og længere væk var der brug for højere frekvenser (kortere bølgelængder) og transmissionsteknologier med højere effekt.

Magnetronen

Året var 1939. Da den britiske regering så manglerne ved “Chain-Home”-systemet, bad den to videnskabsmænd, professor John Randall og professor Henry Boot fra fysikinstituttet på Birmingham University, om at finde på en kraftig mikrobølgekilde, der kunne erstatte den gamle rørteknologi. Kun seks måneder senere opfandt de to videnskabsmænd i februar 1940 resonanskavitetsmagnetronen.

Denne magnetron genererede 10 kilowatt RF-effekt ved 10 centimeters bølgelængde, hvilket var ca. tusind gange kraftigere end nogen anden rørmikrobølgekilde på det pågældende tidspunkt.

Men magnetronen var et lunefuldt apparat at fremstille, og Storbritannien indså hurtigt, at dets industri, der allerede var kvalt af de tyske luftangreb, ikke var i stand til at fremstille magnetroner i de mængder, der var nødvendige for at producere nye og bedre radarsystemer. Det stod klart, at magnetronens alsidighed kunne give flyene en hidtil uset evne til at se tyske ubådsperiskoper på havet og tanks på land. Magnetronen kunne virkelig revolutionere radarteknologien.

Britanien stod over for sine mest desperate timer. Bomber faldt hver nat over Liverpool og London, og en nazistisk invasion var nært forestående. Med sine begrænsede ressourcer fuldt ud udnyttet blev der hurtigt truffet en beslutning af Storbritanniens premierminister Winston Churchill om at sende opfindelsen af magnetronen til USA, hvor der var store industrielle ressourcer til rådighed til at producere den.

Den første magnetron undslap de tyske bomber og sejlede fra Liverpool og krydsede i al hemmelighed Atlanten i september 1940 om bord på det canadiske linjeskib Duchess of Richmond. Det var en yderst hemmelig mission, der blev udført af Sir Henry Tizard, rektor for Imperial College of Science and Technology og formand for den britiske regerings vigtigste videnskabelige udvalg om luftforsvar. Denne historiske begivenhed er kendt som Tizard-missionen.

Den britiske magnetron ankommer til Raytheon

Duchess of Richmond ankom stille og roligt til Newfound Land’s Cape Race og Halifax havn om morgenen den 6. september 1940. Herfra gik den dyrebare last via jernbanen til Washington, D.C. I de næste par dage mødtes Tizard med embedsmænd fra den amerikanske regering, herunder flådeminister Franklin Knox og FDR.

Endeligt mødtes Tizard med sin tekniske amerikanske modpart, dr. Vannevar Bush en videnskabsmand ved MIT og også medstifter af American Appliance Company også kendt som Raytheon (et navn, der betyder Guds lys), en stor etableret elektronikproducent i USA.

Det er på dette tidspunkt, at Raytheon går ind i magnetronindustriens forretning. Der blev hurtigt arrangeret et møde mellem Tizard og Percy L. Spencer, Raytheons chefingeniør. Spencer var en genial selvstændig ingeniør og en ivrig radioamatør med en praktisk sans for, hvad der kan opnås. Han lyttede opmærksomt til de fremstillingsproblemer, som briterne beskrev, og bad om at få lov til at tage magnetronen med hjem i weekenden for at lege med den i sin amatørhytte. Tilladelsen blev givet, og Spencer kom med radikale ændringer og forbedringer af ydeevnen, som gjorde magnetronen fremstillingsegnet for første gang. Der blev straks indgået en kontrakt med Raytheon om en lille mængde magnetroner, og ved slutningen af Anden Verdenskrig fremstillede Raytheon over 80 % af alle magnetroner i USA.

Der var også takket være Percy Spencer, at magnetronen fandt vej ind i mikrobølgeovnen. I 1945 opdagede Spencer en smeltende chokoladebar i sin skjortelomme, mens han stod foran en magnetron-drevet radar. Han indså straks værdien af denne opdagelse. Opfinder Spencer, der opnåede over 120 patenter i sit liv, så den praktiske anvendelse af magnetronen i køkkenet, og han holdt straks en pose majsfrø ved siden af den magnetron-drevne radarsender og fik popcorn. Raytheon udviklede og markedsførte den første mikrobølgeovn nogensinde ved hjælp af magnetronen i 1954. Den var kendt under navnet 1161 Radar Range. Den stod 1,5 meter høj og vejede 750 pund. I første omgang blev den kun brugt af luksusrestauranter og oceangående skibe, men i 1967 producerede Raytheons Amana-division den første mikrobølgeovn til husholdningskøkkener. I dag er magnetronen til stede i alle køkkener. De fleste magnetroner produceres i dag i Japan eller Kina.

Fra starten i 1922 som American Appliance Company til en ny begyndelse i 1925 som Raytheon (Light of Gods), til opfindelsen af ensretterrøret (kaldet Raytheon), der gjorde det muligt for radiomodtagere at køre på vekselstrøm uden brug af batteri, til det første styrede missil, til rumcomputere, der gjorde de historiske månerejser mulige, til nutidens tilstedeværelse inden for alle aspekter af radio og radar, har Raytheon været en ubestridt global leder inden for RF-teknologi.