Qui a inventé le radar ?

By Cornell Drentea, KW7CD

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Quand on pense à la radio, on pense généralement à un homme : Guglielmo Marconi.

Le radar, lui, résulte du travail de nombreux hommes.

En 1793, le scientifique italienLazzaro Spallanzani, professeur à l’université de Padoue a étudié la capacité des chauves-souris aveugles à se diriger grâce aux ultra-sons. Il a observé que les chauves-souris volaient bien dans l’obscurité sans l’aide de la vision. Il a ensuite conçu une expérience unique pour démontrer l’utilisation des oreilles de la chauve-souris et a conclu qu’une chauve-souris serait désorientée sans son ouïe. Il a conclu que les chauves-souris produisaient un train continu d’impulsions sonores et a suggéré que le rythme de ces impulsions augmentait lorsque la chauve-souris s’approchait des objets. Ce phénomène n’a pas été prouvé avant 1939, lorsque le professeur Don Griffin de l’université de Harvard l’a confirmé à l’aide de nouvelles techniques d’enregistrement sonore et d’instruments qui n’existaient pas auparavant. Bien que ces études n’aient pas abouti à des conclusions immédiates, les concepts ont servi à créer les premiers radars.

Dès 1864, le physicien britanniqueJames Clerk Maxwell a développé un ensemble d’équations qui régiraient le comportement des ondes électromagnétiques et les lois de la réflexion. En 1886, le physicien allemand Heinrich Hertz a fait des expériences avec des émetteurs à étincelles et a généré des ondes RF amorties à une longueur d’onde de 66 cm. Il a ensuite découvert que les ondes électromagnétiques pouvaient être transmises à travers certains types de matériaux tandis que d’autres matériaux les réfléchissaient. Ainsi, les ondes électromagnétiques nouvellement découvertes ont été nommées ondes hertziennes, d’après son nom.

Premières contributions

Ce n’est qu’en 1903, que l’ingénieur allemandChristian Hulsmeyer a proposé et développé un « détecteur d’obstacles » pour les navires. Ses expériences se sont avérées concluantes à une distance d’un mile, mais n’ont pas abouti à un radar pratique. Le radar, en tant que système anticollision a été envisagé comme un outil souhaitable surtout après l’utilisation réussie des communications radio dans la catastrophe du Titanic en 1912.

Le radar est devenu pratique en raison de plusieurs inventions se produisant presque en coïncidence au tournant du 19ème siècle et au début du 20ème siècle. Tout d’abord, la génération soutenue d’ondes radio non amorties ou continues est devenue possible avec l’invention de la valve thermionique, ou l’Audion comme il a été nommé, par Lee De Forest (son inventeur) en 1906. C’était une ramification de l’invention précédente de la valve Fleming en 1904, et de l’invention de l’effet Edison en 1883.

L’Audion a rendu possible d’autres développements dans la technologie des récepteurs radio avec l’invention du récepteur radio superhétérodyne par Edwin H. Armstrong en 1918, une invention qui est toujours d’actualité. La dernière invention majeure qui a finalement rendu le radar possible a été l’introduction précoce de l’oscilloscope en 1920, qui a permis pour la première fois d’afficher les intervalles de temps entre les événements, et par conséquent la distance sur un tube cathodique, une autre conséquence de l’Audion. A partir de ce moment, ce n’était qu’une question de temps avant que le radar ne devienne une partie importante de notre vie.

Après 1920, les progrès du radar étaient imminents. Des considérations sérieuses sur la possibilité de déterminer la distance par radio ont été données par Marconi en 1916. Il a noté la réflexion des signaux de communication radio en code Morse à ondes courtes et la possibilité d’utiliser ces signaux non seulement pour communiquer, mais aussi pour déterminer la distance des objets par l’intermédiaire des échos. C’est en juin 1922 à New York, à l’American Institute of Electrical and Radio Engineers, qu’il professe la réalisation du radar dans son discours d’ouverture. Il prédit alors de nouveaux types d’appareils radio marins qui projetteraient des ondes radio et détecteraient leurs réflexions sur des objets métalliques de manière à « révéler immédiatement » la présence et le relèvement d’autres navires dans l’obscurité ou la brume. D’autres travaux ont été effectués en 1922 par Taylor et Young au NRL, qui ont détecté des navires en bois en utilisant des techniques radio à ondes continues à une longueur d’onde de 5 mètres. En 1924, un physicien britannique, Sir Edward Victor Appleton a utilisé des échos radio pour déterminer la hauteur de l’ionosphère, tandis qu’en 1925 aux États-Unis, Breit et Tuve ont utilisé pour la première fois des techniques de radar pulsé pour faire de même.

Des travaux supplémentaires ont été effectués en URSS en 1934. Ils ont abouti à un système rudimentaire de radar d’alerte précoce utilisé pendant la Seconde Guerre mondiale contre les avions allemands pour protéger les villes de Leningrad et de Moscou. C’est à la même époque, en 1934, qu’un brevet a été accordé aux États-Unis à Taylor, Young et Hyland au NRL pour un système de détection d’objets par radio. Le Naval Research Laboratory, l’U.S. Army Signal Corps, RCA et AT&T Bell Laboratories ont manifesté un intérêt supplémentaire pour le développement du radar aux États-Unis. D’autres développements de radar ont eu lieu en Allemagne dans les années 1930 avecRudolf uhnhold et la firme électronique Telefunken qui ont commencé à expérimenter la détection radio des navires.

Le travail initial de Marconi dans les techniques de radiogoniométrie maritime a contribué à ouvrir la voie au développement du premier radar pratique en Grande-Bretagne. Ce travail a été attribué au physicien britannique Sir Robert Watson-Watt qui, en février 1935, a fait la démonstration du premier système radar HF qui fonctionnait à 6 MHz et détectait les avions à une distance de 8 miles. En septembre 1935, les scientifiques britanniques ont fait la démonstration d’un radar pulsé à 12 MHz. Ce système détectait les avions à une distance supérieure à 40 miles et, en mars 1936, la Grande-Bretagne démontrait la détection d’avions à 25 MHz à une distance de 90 miles. Pendant ce temps, aux États-Unis, le NRL expérimente les premiers échos radar avec des impulsions d’une demi-microseconde utilisant une fréquence encore plus élevée, 28,3 MHz, à une distance de 2,5 miles. Peu après, la portée a été étendue à 25 miles.

« Chain-Home »

Ce n’est qu’en 1939 que le radar a été sérieusement envisagé pour la défense d’alerte précoce en Grande-Bretagne. Un système complexe fut rapidement construit pour la première fois comme outil pratique. Les expériences antérieures de défense aérienne de 1935 par Sir Watson-Watt ont porté leurs fruits et ont abouti au premier système pratique de radar HF d’alerte précoce en Angleterre. Ce système était appelé « Chain-Home ».

Le système était composé de nombreuses stations radar pulsées construites sur des tours de 350 pieds de haut, un peu comme une « chaîne » autour des îles britanniques pour protéger l’Angleterre contre les invasions aériennes allemandes. Le système « Chain-Home » bordait toute la côte sud et est de l’Angleterre.

Bien que ce système ait rempli son rôle, les installations HF étaient plutôt grandes du point de vue de la longueur d’onde et la puissance RF était limitée par la première technologie à tubes de l’époque, ce qui entraînait des performances limitées.

Il est devenu immédiatement évident que malgré sa complexité, « Chain-Home » était limité dans ses performances. Quelque chose de mieux était nécessaire pour surmonter les lacunes de la technologie. Afin de voir avec une plus grande résolution et plus loin, des fréquences plus élevées (longueurs d’onde plus courtes) et des technologies de transmission plus puissantes étaient nécessaires.

Le magnétron

L’année était 1939. Constatant les lacunes du système « Chain-Home », le gouvernement britannique demande à deux scientifiques, le professeur John Randall et le professeur Henry Boot du département de physique de l’université de Birmingham, de trouver une source de micro-ondes puissante pour remplacer l’ancienne technologie à tubes. Seulement six mois plus tard, les deux scientifiques ont inventé le magnétron à cavité résonnante en février 1940.

Ce magnétron a généré 10 kilowatts de puissance RF à 10 centimètres de longueur d’onde, environ mille fois plus puissant que toute autre source micro-ondes à tube à l’époque.

Cependant, le magnétron était un dispositif capricieux à fabriquer, et la Grande-Bretagne s’est rapidement rendu compte de l’incapacité de son industrie déjà étranglée par les attaques aériennes allemandes à fabriquer des magnétrons dans les quantités nécessaires pour produire de nouveaux et meilleurs systèmes radar. Il était clair que la polyvalence du magnétron pouvait donner aux avions une capacité sans précédent de voir les périscopes des U-boote allemands en mer et les chars sur terre. Le magnétron pouvait véritablement révolutionner la technologie radar.

La Grande-Bretagne faisait face à ses heures les plus désespérées. Des bombes tombaient chaque nuit sur Liverpool et Londres et une invasion nazie était imminente. Avec ses ressources limitées pleinement engagées, une décision a été rapidement prise par le Premier ministre britannique Winston Churchill d’envoyer l’invention du magnétron aux États-Unis où de vastes ressources industrielles étaient facilement disponibles pour le produire.

Échappant de justesse aux bombes allemandes et naviguant depuis Liverpool, le premier magnétron a secrètement traversé l’Atlantique en septembre 1940 à bord du paquebot canadien Duchess of Richmond. Il s’agit d’une mission très secrète menée par Sir Henry Tizard, recteur de l’Imperial College of Science and Technology et président du principal comité scientifique du gouvernement britannique sur la défense aérienne. Cet événement historique est connu sous le nom de mission Tizard.

Le magnétron britannique arrive chez Raytheon

Le Duchess of Richmond est arrivé tranquillement dans le port de Newfound Land, au cap Race et à Halifax, le matin du 6 septembre 1940. De là, la précieuse cargaison part pour Washington, D.C. par voie ferrée. Pendant les quelques jours qui suivent, Tizard rencontre des représentants du gouvernement américain, notamment le secrétaire à la Marine Franklin Knox et FDR.

Enfin, Tizard rencontre son homologue technique américain, le Dr. Vannevar Bush un scientifique au MIT et aussi, cofondateur de l’American Appliance Company aussi connu sous le nom de Raytheon (un nom qui signifie Lumière des Dieux), un grand fabricant d’électronique établi aux États-Unis.

C’est à ce moment que Raytheon entre dans l’industrie du magnétron. Une réunion est rapidement organisée entre Tizard et Percy L. Spencer, l’ingénieur en chef de Raytheon. Spencer est un brillant ingénieur autodidacte et un radioamateur passionné qui a le sens pratique de ce qui peut être réalisé. Il a écouté attentivement les problèmes de fabrication décrits par les Britanniques, et a demandé à emporter le magnétron chez lui pendant le week-end, pour jouer avec dans sa cabane de radio amateur. La permission lui est accordée et Spencer propose des changements radicaux et des améliorations des performances qui rendent le magnétron manufacturable pour la première fois. Un contrat fut immédiatement attribué à Raytheon pour une petite quantité de magnétrons et à la fin de la Seconde Guerre mondiale, Raytheon fabriquait plus de 80 % de tous les magnétrons aux États-Unis.

Aussi, grâce à Percy Spencer, le magnétron a trouvé sa place dans le four à micro-ondes. En 1945, Spencer a découvert une barre de chocolat fondante dans la poche de sa chemise alors qu’il se trouvait devant un radar alimenté par un magnétron. Il a immédiatement compris la valeur de cette découverte. L’inventeur Spencer, qui a obtenu plus de 120 brevets au cours de sa vie, a vu l’application pratique du magnétron dans la cuisine, et a immédiatement tenu un sac de graines de maïs à côté de l’émetteur radar alimenté par magnétron et a obtenu du pop-corn. Raytheon a développé et commercialisé le premier four à micro-ondes utilisant le magnétron en 1954. Il était connu sous le nom de 1161 Radar Range. Il mesurait 1,5 mètre de haut et pesait 750 livres. Au début, il n’était utilisé que par les restaurants de luxe et les paquebots, mais en 1967, la division Amana de Raytheon a produit le premier four à micro-ondes de cuisine domestique. Aujourd’hui, le magnétron est présent dans toutes les cuisines. La plupart des magnétrons sont aujourd’hui produits au Japon ou en Chine.

De sa création en 1922 sous le nom d’American Appliance Company à ses nouveaux débuts en 1925 sous le nom de Raytheon (Lumière des Dieux), à l’invention du tube redresseur (appelé Raytheon) qui a permis aux récepteurs radio de fonctionner en courant alternatif sans avoir besoin de batterie, au premier missile guidé, aux ordinateurs spatiaux qui ont rendu possibles les voyages lunaires historiques, à la présence actuelle dans tous les aspects de la radio et du radar, Raytheon a été un leader mondial incontesté de la technologie RF.