Who Invented Radar?

By Cornell Drentea, KW7CD

———-

Gdy myślimy o radiu, zwykle myślimy o jednym człowieku: Guglielmo Marconi.

Radar natomiast był wynikiem pracy wielu ludzi.

W 1793 roku włoski naukowiecLazzaro Spallanzani, profesor Uniwersytetu w Padwie badał zdolność ślepych nietoperzy do nawigacji za pomocą ultradźwięków. Zaobserwował, że nietoperze latały dobrze w ciemności bez pomocy wzroku. Następnie zaprojektował unikalny eksperyment, aby zademonstrować wykorzystanie uszu nietoperza i doszedł do wniosku, że bez słuchu nietoperz stałby się zdezorientowany. Stwierdził, że nietoperze wytwarzają ciągły ciąg impulsów dźwiękowych i zasugerował, że szybkość tych impulsów wzrasta w miarę zbliżania się nietoperza do obiektów. Nie zostało to udowodnione aż do 1939 roku, kiedy profesor Don Griffin z Uniwersytetu Harvarda potwierdził to zjawisko, wykorzystując nowatorskie techniki rejestracji dźwięku i niedostępne wcześniej oprzyrządowanie. Chociaż badania te nie doprowadziły do żadnych natychmiastowych wniosków, koncepcje te posłużyły do stworzenia pierwszych radarów.

Już w 1864 roku brytyjski fizyk James Clerk Maxwell opracował zestaw równań, które regulowałyby zachowanie fal elektromagnetycznych i prawa odbicia. W 1886 r. niemiecki fizyk Heinrich Hertz eksperymentował z nadajnikami iskrowymi i generował tłumione fale RF o długości fali 66 cm. Następnie odkrył, że fale elektromagnetyczne mogą być transmitowane przez niektóre rodzaje materiałów, podczas gdy inne materiały odbijają je. Tak więc nowo odkryte fale elektromagnetyczne zostały nazwane falami Hertza, od jego nazwiska.

Wczesny wkład

Dopiero w 1903 r. niemiecki inżynier Christian Hulsmeyer zaproponował i opracował „wykrywacz przeszkód” dla statków. Jego eksperymenty okazały się skuteczne na odległość jednej mili, ale nie doprowadziły do powstania praktycznego radaru. Radar, jako system antykolizyjny, był postrzegany jako pożądane narzędzie, zwłaszcza po udanym użyciu łączności radiowej w katastrofie Titanica w 1912 roku.

Radar stał się praktyczny dzięki kilku wynalazkom, które wydarzyły się niemal przypadkowo na przełomie XIX i XX wieku. Po pierwsze, trwałe wytwarzanie nietłumionych lub ciągłych fal radiowych stało się możliwe dzięki wynalezieniu zaworu termionowego, lub Audionu, jak go nazwano, przez Lee De Forest (jego wynalazcę) w 1906 roku. Było to rozwinięcie wcześniejszego wynalazku zaworu Fleminga z 1904 r. i wynalazku efektu Edisona z 1883 r.

Audion umożliwił dalszy rozwój technologii odbiorników radiowych wraz z wynalezieniem superheterodynowego odbiornika radiowego przez Edwina H. Armstronga w 1918 r., wynalazku, który jest z nami do dziś. Ostatnim ważnym wynalazkiem, który ostatecznie umożliwił powstanie radaru, było wczesne wprowadzenie oscyloskopu w 1920 roku, który z kolei umożliwił po raz pierwszy wyświetlanie odstępów czasowych pomiędzy zdarzeniami, a w konsekwencji odległości na kineskopie, co było kolejną konsekwencją działania Audionu. Od tego momentu, to była tylko kwestia czasu, zanim radar stanie się główną częścią naszego życia.

Po 1920 roku, postęp w radar był nieuchronny. Poważne rozważania na temat możliwości określania odległości za pomocą radia zostały przedstawione przez Marconiego w 1916 roku. Zauważył on odbicie krótkofalowych sygnałów komunikacji radiowej alfabetem Morse’a i możliwość wykorzystania tych sygnałów nie tylko do komunikacji, ale także do określania odległości obiektów poprzez echo. W czerwcu 1922 r. w Nowym Jorku, w Amerykańskim Instytucie Inżynierów Elektryków i Radiotechników, w swoim przemówieniu programowym ogłosił powstanie radaru. Zapowiedział wtedy nowe typy morskiej aparatury radiowej, która emitowałaby fale radiowe i wykrywała ich odbicia od metalowych przedmiotów, aby „natychmiast ujawnić” obecność i położenie innych statków w ciemności lub zamgleniu. Dodatkowe prace w 1922 roku zostały wykonane przez Taylora i Younga w NRL, którzy wykryli drewniane statki przy użyciu technik ciągłej fali radiowej o długości fali 5 metrów. W 1924 roku brytyjski fizyk, Sir Edward Victor Appleton użył echa radiowego do określenia wysokości jonosfery, a w 1925 roku w USA Breit i Tuve po raz pierwszy użyli technik radaru impulsowego, aby zrobić to samo.

Dodatkowe prace zostały wykonane w ZSRR w 1934 roku. Wynikiem tego był prymitywny system radarowy wczesnego ostrzegania używany podczas II wojny światowej przeciwko niemieckim samolotom w celu ochrony miast Leningrad i Moskwa. W tym samym czasie, w 1934 roku, Taylor, Young i Hyland z NRL uzyskali w USA patent na system wykrywania obiektów drogą radiową, a dalsze zainteresowanie rozwojem radaru wykazały w USA Naval Research Laboratory, U.S. Army Signal Corps, RCA i AT&T Bell Laboratories. Dalsze prace nad radarami miały miejsce w Niemczech w latach trzydziestych XX wieku za sprawą Rudolfa uhnholda i firmy elektronicznej Telefunken, którzy zaczęli eksperymentować z radiowym wykrywaniem statków.

Początkowe prace Marconiego nad technikami morskiego określania kierunku pomogły utorować drogę do rozwoju pierwszego praktycznego radaru w Wielkiej Brytanii. Prace te przypisuje się brytyjskiemu fizykowi Sir Robertowi Watsonowi-Wattowi, który w lutym 1935 roku zademonstrował pierwszy system radarowy HF, działający na częstotliwości 6 MHz i wykrywający samoloty w zasięgu 8 mil. Do września 1935 roku brytyjscy naukowcy zademonstrowali radar impulsowy o częstotliwości 12 MHz. Wykrył on samoloty w zasięgu większym niż 40 mil, a w marcu 1936 r. Wielka Brytania zademonstrowała wykrywanie samolotów na częstotliwości 25 MHz w zasięgu 90 mil. W międzyczasie, w USA, NRL eksperymentowało z pierwszymi echami radarowymi z półmikrosekundowymi impulsami na jeszcze wyższej częstotliwości 28,3 MHz w odległości 2,5 mili. Wkrótce potem zasięg został zwiększony do 25 mil.

„Chain-Home”

Dopiero w 1939 roku radar został poważnie rozważony do obrony wczesnego ostrzegania w Wielkiej Brytanii. Szybko zbudowano kompleksowy system, który po raz pierwszy stał się praktycznym narzędziem. Wcześniejsze eksperymenty z obroną powietrzną z 1935 roku Sir Watson-Watt opłaciły się, czego efektem był pierwszy praktyczny system wczesnego ostrzegania radarowego HF w Anglii. System ten został nazwany „Chain-Home.”

System składał się z wielu pulsujących stacji radarowych zbudowanych na wysokich na 350 stóp wieżach, podobnie jak „łańcuch” wokół Wysp Brytyjskich, który miał chronić Anglię przed niemieckimi inwazjami lotniczymi. System „Chain-Home” otaczał całe południowe i wschodnie wybrzeże Anglii.

Choć system ten służył swojemu celowi, instalacje HF były dość duże z punktu widzenia długości fali, a moc RF była ograniczona przez wczesną technologię lampową tamtych czasów, co skutkowało ograniczoną wydajnością.

Od razu stało się oczywiste, że pomimo swojej złożoności, „Chain-Home” był ograniczony w swojej wydajności. Potrzebne było coś lepszego, aby przezwyciężyć niedociągnięcia tej technologii. Aby widzieć z większą rozdzielczością i dalej, potrzebne były wyższe częstotliwości (krótsze fale) i technologie nadawcze o większej mocy.

Magnetron

Był rok 1939. Widząc niedociągnięcia systemu „Chain-Home”, rząd brytyjski poprosił dwóch naukowców, profesora Johna Randalla i profesora Henry’ego Boota z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Birmingham, aby wymyślili potężne źródło mikrofal, które zastąpiłoby starą technologię lampową. Zaledwie sześć miesięcy później, w lutym 1940 roku, ci dwaj naukowcy wynaleźli magnetron z wnęką rezonansową.

Ten magnetron generował 10 kilowatów mocy RF przy długości fali 10 centymetrów, około tysiąc razy więcej niż jakiekolwiek inne lampowe źródło mikrofalowe w tamtym czasie.

Jednakże magnetron był urządzeniem kapryśnym w produkcji, a Wielka Brytania szybko zdała sobie sprawę z niezdolności swojego przemysłu, już zdławionego przez niemieckie ataki powietrzne, do wytwarzania magnetronów w ilościach potrzebnych do produkcji nowych i lepszych systemów radarowych. Było jasne, że uniwersalność magnetronu może zapewnić samolotom bezprecedensową zdolność widzenia peryskopów niemieckich U-Bootów na morzu i czołgów na lądzie. Magnetron mógł naprawdę zrewolucjonizować technologię radarową.

Brytania stała w obliczu najbardziej rozpaczliwych godzin. Bomby spadały co noc nad Liverpoolem i Londynem, a nazistowska inwazja była nieuchronna. Mając w pełni zaangażowane swoje ograniczone zasoby, premier Wielkiej Brytanii Winston Churchill szybko podjął decyzję o wysłaniu wynalazku magnetronu do Stanów Zjednoczonych, gdzie ogromne zasoby przemysłowe były łatwo dostępne do jego produkcji.

Mało uciekając przed niemieckimi bombami i płynąc z Liverpoolu, pierwszy magnetron potajemnie przekroczył Atlantyk we wrześniu 1940 roku na pokładzie kanadyjskiego liniowca Duchess of Richmond. Była to najbardziej tajna misja prowadzona przez Sir Henry’ego Tizarda, rektora Imperial College of Science and Technology i przewodniczącego kluczowego komitetu naukowego rządu brytyjskiego ds. obrony przeciwlotniczej. To historyczne wydarzenie znane jest jako Misja Tizarda.

Brytyjski Magnetron przybywa do Raytheona

Księżna Richmond dotarła spokojnie do przylądka Race na Nowej Fundlandii i portu w Halifaksie rankiem 6 września 1940 roku. Stamtąd cenny ładunek wyruszył koleją do Waszyngtonu. Przez następne kilka dni Tizard spotkał się z urzędnikami rządu USA, w tym z sekretarzem marynarki Franklinem Knoxem i FDR.

W końcu Tizard spotkał się ze swoim technicznym amerykańskim odpowiednikiem, dr. Vannevarem Bushem, naukowcem z MIT, a także współzałożycielem American Appliance Company, znanej również jako Raytheon (nazwa ta oznacza Światło Bogów), dużego, uznanego producenta elektroniki w USA.

To właśnie w tym momencie Raytheon wchodzi w branżę magnetronów. Szybko doszło do spotkania między Tizardem a Percym L. Spencerem, głównym inżynierem Raytheona. Spencer był błyskotliwym inżynierem i zapalonym krótkofalowcem z praktycznym wyczuciem tego, co można osiągnąć. Wysłuchał uważnie problemów produkcyjnych opisanych przez Brytyjczyków i poprosił o możliwość zabrania magnetronu do domu na weekend, aby pobawić się nim w swojej chacie. Pozwolenie zostało udzielone, a Spencer zaproponował radykalne zmiany i ulepszenia, które po raz pierwszy uczyniły magnetron możliwym do wyprodukowania. Natychmiast przyznano firmie Raytheon kontrakt na niewielką ilość magnetronów, a do końca II wojny światowej Raytheon produkował ponad 80% wszystkich magnetronów w USA.

Również dzięki Percy’emu Spencerowi, magnetron znalazł się w kuchence mikrofalowej. W 1945 roku, Spencer odkrył topiącą się tabliczkę czekolady w kieszeni koszuli, stojąc przed radarem zasilanym magnetronem. Natychmiast zdał sobie sprawę z wartości tego odkrycia. Wynalazca Spencer, który w ciągu swojego życia uzyskał ponad 120 patentów, dostrzegł praktyczne zastosowanie magnetronu w kuchni i natychmiast umieścił woreczek z ziarnami kukurydzy obok nadajnika radaru zasilanego magnetronem i otrzymał popcorn. Firma Raytheon opracowała i wprowadziła na rynek w 1954 r. pierwszą kuchenkę mikrofalową wykorzystującą magnetron. Była ona znana pod nazwą 1161 Radar Range. Miała pięć stóp wysokości i ważyła 750 funtów. Początkowo używały jej tylko luksusowe restauracje i statki oceaniczne, ale w 1967 r. oddział Amana firmy Raytheon wyprodukował pierwszą domową kuchenkę mikrofalową. Dziś magnetron jest obecny w każdej kuchni. Większość magnetronów jest dziś produkowana w Japonii lub Chinach.

Od powstania firmy w 1922 r. jako American Appliance Company do jej nowych początków w 1925 r. jako Raytheon (Światło Bogów), do wynalezienia lampy prostowniczej (zwanej Raytheon), która umożliwiła odbiornikom radiowym zasilanie prądem zmiennym bez konieczności stosowania baterii, do pierwszego pocisku kierowanego, do komputerów kosmicznych, które umożliwiły historyczne podróże księżycowe, do dzisiejszej obecności w każdym aspekcie radia i radaru, firma Raytheon jest niekwestionowanym światowym liderem technologii RF.