Cine a inventat Radarul?

De Cornell Drentea, KW7CD

———-

Când ne gândim la Radio, ne gândim de obicei la un singur om: Guglielmo Marconi.

Radio, pe de altă parte, a rezultat din munca mai multor oameni.

În 1793, omul de știință italianLazzaro Spallanzani, profesor la Universitatea din Padova, a studiat capacitatea liliecilor orbi de a se orienta cu ajutorul ultrasunetelor. El a observat că liliecii zburau bine în întuneric fără ajutorul vederii. El a conceput apoi un experiment unic pentru a demonstra utilizarea urechilor liliacului și a ajuns la concluzia că un liliac ar fi dezorientat fără auzul său. El a concluzionat că liliecii produc un tren continuu de impulsuri sonore și a sugerat că rata acestor impulsuri crește pe măsură ce liliacul se apropie de obiecte. Acest lucru nu a fost dovedit până în 1939, când profesorul Don Griffin de la Universitatea Harvard a confirmat fenomenul folosind tehnici noi de înregistrare a sunetului și instrumente care nu erau disponibile anterior. Deși aceste studii nu au dus la concluzii imediate, conceptele au servit la crearea primelor radare.

Încă din 1864, fizicianul britanicJames Clerk Maxwell a dezvoltat un set de ecuații care vor guverna comportamentul undelor electromagnetice și legile reflexiilor. În 1886, fizicianul germanHeinrich Hertz a experimentat cu emițătoare cu scântei și a generat unde de radiofrecvență amortizate la o lungime de undă de 66 cm. El a descoperit apoi că undele electromagnetice puteau fi transmise prin anumite tipuri de materiale, în timp ce alte materiale le reflectau. Astfel, undele electromagnetice nou-descoperite au fost denumite unde hertziene, după numele său.

Contribuții timpurii

Nu până în 1903, când inginerul germanChristian Hulsmeyer a propus și dezvoltat un „detector de obstacole” pentru nave. Experimentele sale s-au dovedit reușite la o distanță de o milă, dar nu au avut ca rezultat un radar practic. Radarul, ca sistem anticoliziune, a fost imaginat ca un instrument dezirabil mai ales după utilizarea cu succes a comunicațiilor radio în dezastrul Titanicului din 1912.

Radarul a devenit practic datorită mai multor invenții care au avut loc aproape concomitent la sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea. În primul rând, generarea susținută de unde radio neamestecate sau continue a devenit posibilă odată cu inventarea valvei termoionice, sau Audion, așa cum a fost denumită, de către Lee De Forest (inventatorul acesteia) în 1906. Aceasta a fost o ramificație a invenției anterioare a supapei Fleming din 1904 și a invenției efectului Edison din 1883.

Audionul a făcut posibile dezvoltări ulterioare în tehnologia receptoarelor radio, odată cu inventarea receptorului radio superheterodină de către Edwin H. Armstrong în 1918, o invenție care se află și astăzi printre noi. Ultima invenție majoră care, în cele din urmă, a făcut posibil radarul a fost introducerea timpurie a osciloscopului în 1920, care, la rândul său, a făcut posibilă, pentru prima dată, afișarea intervalelor de timp dintre evenimente și, în consecință, a distanței pe un tub catodic, o altă consecință a Audionului. Din acest moment, a fost doar o chestiune de timp până când radarul va deveni o parte importantă a vieții noastre.

După 1920, progresul în domeniul radar a fost iminent. Considerații serioase asupra posibilității de a determina distanța prin radio au fost date de Marconi în 1916. El a observat reflectarea semnalelor de radiocomunicații în cod Morse cu unde scurte și posibilitatea de a folosi aceste semnale nu numai pentru a comunica, ci și pentru a determina distanța obiectelor prin intermediul ecourilor. În iunie 1922, la New York, în cadrul Institutului American al Inginerilor Electrici și Radioelectrici, a mărturisit realizarea radarului în discursul său principal. El a prezis atunci noi tipuri de aparate de radiocomunicații marine care să proiecteze unde radio și să detecteze reflexiile acestora asupra obiectelor metalice, astfel încât să „dezvăluie imediat” prezența și orientarea altor nave în întuneric sau în ceață. În 1922, Taylor și Young de la NRL au efectuat lucrări suplimentare, detectând nave din lemn cu ajutorul tehnicilor de radiofrecvență cu unde continue la o lungime de undă de 5 metri. În 1924, un fizician britanic, Sir Edward Victor Appleton, a folosit ecouri radio pentru a determina înălțimea ionosferei, în timp ce în 1925, în SUA, Breit și Tuve au folosit pentru prima dată tehnici de radar cu impulsuri pentru a face același lucru.

În URSS au fost efectuate lucrări suplimentare în 1934. Aceasta a dus la un sistem radar rudimentar de avertizare timpurie folosit în timpul celui de-al Doilea Război Mondial împotriva avioanelor germane pentru a proteja orașele Leningrad și Moscova. În același timp, în 1934, în SUA a fost acordat un brevet de invenție lui Taylor, Young și Hyland de la NRL pentru un sistem de detectare a obiectelor prin radio și în SUA s-a manifestat în continuare interes pentru dezvoltarea radarului de către Naval Research Laboratory, U.S. Army Signal Corps, RCA și AT&T Bell Laboratories. Alte dezvoltări ale radarului au avut loc în Germania în anii 1930, cuRudolf uhnhold și firma electronică Telefunken, care au început să experimenteze cu detectarea radio a navelor.

Lucrările inițiale ale lui Marconi în domeniul tehnicilor de detectare a direcției maritime au ajutat la deschiderea drumului către dezvoltarea primului radar practic în Marea Britanie. Această lucrare a fost atribuită fizicianului britanic Sir Robert Watson-Watt care, în februarie 1935, a demonstrat primul sistem radar HF care funcționa la 6 MHz și detecta aeronavele la o distanță de 8 mile. În septembrie 1935, oamenii de știință britanici au demonstrat un radar pulsat la 12 MHz . Acesta a detectat aeronave la o distanță mai mare de 40 de mile, iar în martie 1936, Marea Britanie a demonstrat detectarea aeronavelor la 25 MHz la o distanță de 90 de mile. Între timp, în SUA, NRL a experimentat primele ecouri radar cu impulsuri de o jumătate de microsecundă folosind o frecvență și mai mare, 28,3 MHz la o distanță de 2,5 mile. La scurt timp după aceasta, raza de acțiune a fost extinsă la 25 de mile.

„Chain-Home”

Abia în 1939, în Marea Britanie, radarul a fost luat serios în considerare pentru apărarea de avertizare timpurie. Un sistem complex a fost construit rapid pentru prima dată ca instrument practic. Experimentele anterioare cu apărarea aeriană din 1935 ale lui Sir Watson-Watt au dat roade, rezultând primul sistem practic de radar HF de avertizare timpurie din Anglia. Acesta a fost numit „Chain-Home.”

Sistemul a fost alcătuit din mai multe stații radar cu impulsuri construite pe turnuri înalte de 350 de picioare, la fel ca un „lanț” în jurul insulelor britanice pentru a proteja Anglia împotriva invaziilor aeriene germane. Sistemul „Chain-Home” a căptușit întreaga coastă sudică și estică a Angliei.

Deși acest sistem și-a îndeplinit scopul, instalațiile HF erau destul de mari din punct de vedere al lungimii de undă, iar puterea RF era limitată de tehnologia tubulară timpurie a vremii, ceea ce a dus la o performanță limitată.

A devenit imediat evident că, în ciuda complexității sale, „Chain-Home” era limitat în performanță. Era nevoie de ceva mai bun pentru a depăși neajunsurile tehnologiei. Pentru a vedea cu o rezoluție mai mare și la distanțe mai mari, erau necesare frecvențe mai mari (lungimi de undă mai scurte) și tehnologii de transmisie de putere mai mare.

Magnețronul

Anul era 1939. Văzând neajunsurile sistemului „Chain-Home”, guvernul britanic a cerut la doi oameni de știință, profesorul John Randall și profesorul Henry Boot de la Departamentul de Fizică al Universității din Birmingham, să vină cu o sursă puternică de microunde care să înlocuiască vechea tehnologie cu tuburi. Doar șase luni mai târziu, cei doi oameni de știință au inventat magnetronul cu cavitate rezonantă în februarie 1940.

Acest magnetron a generat 10 kilowați de putere de radiofrecvență la o lungime de undă de 10 centimetri, de aproximativ o mie de ori mai puternic decât orice altă sursă de microunde cu tuburi de la acea vreme.

Cu toate acestea, magnetronul a fost un dispozitiv capricios de fabricat, iar Marea Britanie și-a dat seama rapid de incapacitatea industriei sale deja sugrumate de atacurile aeriene germane de a fabrica magnetroni în cantitățile necesare pentru a produce sisteme radar noi și mai bune. Era clar că versatilitatea magnetronului putea oferi avioanelor o capacitate fără precedent de a vedea periscoapele submarinelor germane pe mare și tancurile pe uscat. Magnetronul putea revoluționa cu adevărat tehnologia radar.

Britania se confrunta cu cele mai disperate ore ale sale. Bombele cădeau în fiecare noapte peste Liverpool și Londra și o invazie nazistă era iminentă. Cu resursele sale limitate pe deplin angajate, premierul Marii Britanii, Winston Churchill, a luat rapid decizia de a trimite invenția magnetronului în Statele Unite, unde resurse industriale vaste erau ușor disponibile pentru a-l produce.

Scăpând cu greu de bombele germane și navigând din Liverpool, primul magnetron a traversat în secret Atlanticul în septembrie 1940 la bordul pachebotului canadian Duchess of Richmond. Aceasta a fost o misiune extrem de secretă condusă de Sir Henry Tizard, rector al Colegiului Imperial de Știință și Tehnologie și președinte al principalului comitet științific al guvernului britanic privind apărarea aeriană. Acest eveniment istoric este cunoscut sub numele de Misiunea Tizard.

Magnetronul britanic sosește la Raytheon

Ducesa de Richmond a sosit în liniște la Cape Race din Newfound Land și în portul Halifax în dimineața zilei de 6 septembrie 1940. De aici, prețioasa încărcătură a plecat spre Washington, D.C., pe calea ferată. În următoarele câteva zile, Tizard s-a întâlnit cu oficiali ai guvernului american, inclusiv cu secretarul Marinei, Franklin Knox, și cu FDR.

În cele din urmă, Tizard s-a întâlnit cu omologul său tehnic american, dr. Vannevar Bush, un om de știință de la MIT și, de asemenea, cofondator al American Appliance Company, cunoscută și sub numele de Raytheon (un nume care înseamnă Lumina Zeilor), un mare producător de electronice stabilit în SUA.

În acest moment, Raytheon intră în afacerea industriei magnetronilor. S-a aranjat rapid o întâlnire între Tizard și Percy L. Spencer, inginerul șef al Raytheon. Spencer era un strălucit inginer autodidact și un pasionat de radioamatorism, cu un simț practic a ceea ce poate fi realizat. A ascultat cu atenție problemele de fabricație descrise de britanici și a cerut să ia magnetronul acasă în weekend, pentru a se juca cu el în cabana sa de radioamator. Permisiunea a fost acordată, iar Spencer a venit cu schimbări radicale și îmbunătățiri de performanță care au făcut magnetronul fabricabil pentru prima dată. Un contract a fost imediat acordat companiei Raytheon pentru o cantitate mică de magnetroni, iar până la sfârșitul celui de-al Doilea Război Mondial, Raytheon producea peste 80% din toți magnetronii din SUA.

De asemenea, datorită lui Percy Spencer, magnetronul și-a găsit drumul în cuptorul cu microunde. În 1945, Spencer a descoperit un baton de ciocolată care se topea în buzunarul cămășii sale, în timp ce se afla în fața unui radar alimentat cu magnetroni. Și-a dat seama imediat de valoarea acestei descoperiri. Inventatorul Spencer, care a obținut peste 120 de brevete în timpul vieții sale, a văzut aplicația practică a magnetronului în bucătărie și a ținut imediat o pungă de semințe de porumb lângă emițătorul radar alimentat cu magnetron și a obținut popcorn. Raytheon a dezvoltat și comercializat primul cuptor cu microunde care a folosit vreodată magnetronul în 1954. Acesta era cunoscut sub numele de 1161 Radar Range. Avea o înălțime de 1,5 metri și cântărea 750 de kilograme. La început, a fost folosit doar de restaurantele de lux și de pacheboturile maritime, dar în 1967, divizia Amana a Raytheon a produs primul cuptor cu microunde pentru bucătării casnice. Astăzi, magnetronul este prezent în fiecare bucătărie. Majoritatea magnetronilor de astăzi sunt produși în Japonia sau în China.

De la începuturile sale în 1922 ca American Appliance Company la noile sale începuturi în 1925 ca Raytheon (Lumina zeilor), la inventarea tubului redresor (numit Raytheon) care a permis receptoarelor radio să funcționeze pe curent alternativ fără a avea nevoie de o baterie, la prima rachetă ghidată, la computerele spațiale care au făcut posibile călătoriile istorice pe Lună, până la prezența de astăzi în fiecare aspect al radioului și al radarului, Raytheon a fost un lider global incontestabil al tehnologiei RF.