Onderstaande tekst is in delen in de afgelopen anderhalf jaar uitgezonden via de RTYY- en PSK31-bulletins. Op veler verzoek staat hieronder de volledige tekst van het artikel. De tekst van dit artikel mag hergebruikt worden in andere bulletins of relevante nieuwsmedia voor radiozendamateurs. Bron- en auteursvermelding is hierbij echter verplicht.
1 – Alan Blumlein en de ontwikkeling van radar
Alan Blumlein was zeker niet direct verantwoordelijk te noemen voor de uitvinding van radio direction finding (RDF) of radar (radio detection and ranging) zoals het uiteindelijk bekend zou worden. Hij heeft wel een steeds belangrijker wordende rol gespeeld in de ontwikkeling en toepassing van een aantal onderdelen van het systeem dat in de originele vorm van ontdekking werd toegepast. Daarnaast speelde hij een rol in de verfijning en verbetering van h2s, een van de meest gebruikte toepassingen van de ontwikkeling van radar tijdens de tweede wereldoorlog. Blumlein’s toewijding aan de bouw en het testen van alle radarsystemen tijdens de tweede wereldoorlog kostte hem uiteindelijk zijn leven. Leest u over de ontwikkeling van radar…
De oorsprong van radar: ‘geluidsreflectoren’
Door de luchtaanvallen op Londen gedurende de eerste wereldoorlog werd het voor het ministerie van defensie duidelijk dat bij oorlogen in de toekomst er onvermijdelijke nog zwaardere luchtaanvallen zouden volgen op de Britse steden. In november 1932 hield Stanley Baldwin een toespraak voor het lagerhuis waarin hij de conclusie trok dat het zinloos was om meer en meer afschrikkingsmethoden te verzinnen en te bouwen. Want: ‘…de bommenwerpers kwamen er toch’ wel door’. Een wijdverspreide mening in die tijd was dat het zeker was dat er een technologie zou moeten bestaan, hoewel op dat tijdstip misschien nog niet bekend, die het mogelijk maakte om dit probleem op te lossen. Gelukkig is deze mening niet bij een paar mensen gebleven.
In de eerste wereldoorlog waren er verschillende vormen van geluidsdetectoren gebruikt om de positie van vijandelijke kanonnen te vinden. Deze kleine schotelvormige detectoren werden nu gezien als een mogelijke oplossing om vlieguigen te vinden. Hiervoor werden de schotels aanmerkelijk in schaal vergroot.
In het diepste geheim werdden er experimenten gedaan op de toppen van de kliffen rondom Dover, waarbij een grote diversiteit aan betonnen geluidsreflectoren gebruikt werd. Deze waren eerder al uitgevonden door Dr. William Tucker. Aan het eind van de jaren 20 en in het begin van de jaren 30 werd er een serie gigantische lange-afstands-vliegtuig-detectoren gebouwd. Ze waren overal langs de kust van Engeland te vinden.
Gehoopt werd er dat deze ‘enorme oren’, gemaakt van gewapend beton, groot genoeg waren om het geluid van naderende, maar nog ver weg zijnde, vliegtuigen op te vangen. Dit geluid werd gefocuseerd in een plaats in het midden van de schijf, op een centrale luisterplek. In feite waren deze detectoren niets anders dan grote hoorns die het versterkte geluid van de schotel oppikte. Hiermee kon, zo werd verwacht, de richting van het geluid worden bepaald.
De gigantische schotel was zelf niets meer dan een grote versterker, met de bediener luisterend met een soort van periscopische buis, waarvandaan het geluid in een soort van stethoscoop werd geleid. De luisteraar wachtte dan geduldig tot hij een naderend vliegtuig hoorde en maakte een peiling. Deze informatie werd dan zo snel mogelijk aan het hoofdkwartier doorgegeven. Wanneer een twee of meer peilingen gemaakt werden, door verschillende geluidsdetectoren langs de kust, kon ook de richting van de vliegtuigen worden bepaald.
Er was echter een klein onvoorzien probleempje met het systeem. Het pikte helaas niet alleen de geluiden van naderende vliegtuigen op, maar ook versterkten ze de geluiden van al het andere dat in de omgeving gebeurde. Grazende schapen, auto’s die voorbij reden en meeuwen die overvlogen waren een bron van storing.
In de zomer werd de ruim 80 meter lange betonnen wand overigens ook vaak gebruikt als gigantisch windscherm door picknickers. Tijdens een demonstratie voor het ministerie van defensie werden de officials bijna doof van de geluiden van een melkwagen die door een paard werd getrokken! Al snel werd duidelijk dat er grote beperkingen aan het geluids-detectiesysteem zaten en dat er verder naar andere technologieen gezocht moest worden.
In het begin van de jaren 30 was de Britse regering bezig, net zoals vele anderen, met het bijeenroepen van teams van wetenschappers. Ze moesten de mogelijkheid bekijken voor het construeren van ‘dodelijke stralen’, die mogelijk ook gebruikt konden gaan worden tegen vijandelijke vliegtuigen. Hoewel het tegenwoordig als onzin wordt beschouwd, werd de mogelijkheid van zulke stralen, die een vliegtuig en zijn piloot in brand konden steken als het overvloog, zeer serieus genomen. Dit moest onderzocht worden.
Het ministerie van defensie had genoeg zorgen over een mogelijke aanval vanuit de lucht en stelde een comissie samen om ‘… Uit te zoeken hoe ver recentelijke vorderingen in de wetenschap en technische kennis gebruikt kunnen worden om de huidige methodes voor verdediging tegens vijandelijke vliegtuigen te versterken’. Henry Tizard, voorzitter van het aeronautical research committee, zou de nieuwe comissie gaan voorzitten. Tevens zou ook alexander watson-watt, directeur van het radio research station (RRS) in de comissie deelnemen.
De vraag ‘kan een dergelijke dodelijke straal gebouwd worden’ werd aan deze laatste voorgelegd. Arnold witkins, een van de medewerkers van het rrs, kreeg de vraag van Watson-Watt toegespeeld. Hij moest berekenen hoeveel energie er nodig was om een vliegtuig of de bemanning ervan te beschadigen en, als zo’n straal mogelijk was, of deze al gemaakt was.
Wilkins bekeek de mogelijkheid van een dergelijke straal en concludeerde dat, hoewel het in theorie mogelijk was, de energie die benodigd was om de straal effectief te maken zo groot was dat hij het onmogelijk achtte om een dergelijk apparaat te bouwen. Wilkins rapporteerde zijn bevindingen terug aan watson-watt en de twee mensen van de commissie concludeerden dat dit ook was wat ze hadden verwacht. Ze rapporteerden in februari 1935 dat het onmogelijk was om een hoog-energetische straal te maken die vliegtuigen kon beschadigen. Toch werd gevraagd om verder te zoeken naar andere mogelijkheden.
Enkele jaren hiervoor was wetenschappers van het British Post Office opgevallen dat een vliegtuig dat door een experimentele vhf-straal vloog merkbare ‘flutter’ veroorzaakte. Dit – toen merkwaardige feit – kwam ook Wilkins ten ore die toendertijd bij het RRS, wat onderdeel van het Post Office was, werkte. In 1935 herinnerde Wilkins zich het rapport en hij bedacht dat dit wellicht de basis voor een systeem voor het detecteren van vliegtuigen kon zijn. Watson-watt was voldoende geinteresseerd om hem te vragen om de mogelijkheid te bekijken om dit te gebruiken. Na enig werk kwam wilkins met de conclusie dat het zeer goed mogelijk was om een vorm van vliegtuig-detectie te ontwikkelen, vooropgesteld dat er de beschikking was over een goede uitrusting. Het
leek zeer waarschijnlijk dat een vliegtuig een radiosignaal kon terugkaatsen naar de zender…
Robert Watson-Watt schreef een rapport voor Tizard en het ministerie van defensie, getiteld ’the detection and location of aircraft by radio means’ (de detectie en lokalisering van vliegtuigen door middel van radio), waarin hij schreef: ‘hoewel het onmogelijk was om vliegtuigen te vernietigen door middel van radiogolven zou het wel mogelijk moeten zijn om de radio-energie die door een vliegtuig wordt teruggekaatst te detecteren’.
Bij een vergadering op 13 februari 1935 was luchtmaarschalk Dowding eerst niet onder de indruk van de conclusies van Tizard en zijn comissie. Tenslotte vertoonden deze alleen maar een zeer kleine mogelijkeid voor een dergelijk detectiesysteem. Toch was hij van mening dat indien een praktijkdemonstratie kon worden gegeven en de berekeningen correct waren hij zijn standpunt zou veranderen. Er werd uiteindelijk besloten dat een serie tests moest worden uitgevoerd…
2 – Ontwikkeling van de Wurzburg Riese
De ontwikkeling van het Wurzburg systeem startte al voor de oorlog, door het duitse concern Telefunken. In 1939 werd aan de wehrmacht een systeem gedemonstreerd dat een stuk luchtafweergeschut bestuurde. De demonstratie was succesvol, waarna de Wurzburg in productie werd genomen. In 1941 werd een vergrote versie van de Wurzburg radar geintroduceerd: de Wurzburg Riese (reuzen-wurzburg). Deze had een sterkere zender, waardoor het bereik vergroot werd tot circa 70 kilometer. Plannen voor een Wurzburg Gigant (FuMG 65) werden nooit gerealiseerd. In totaal zijn er meer dan 3000 stuks van de diverse types Wurzburg gebouwd. De Wurzburg radar is ook bekend als de FuMG 39T (funkmessgerat, ingevoerd in 1939, producent Telefunken) of de FuMG 62 (luftwaffebenaming).
De Wurzburg gebruikte een bestuurbare schotelantenne, en werkte op een frequentie van 560 MHz, een voor die tijd fenomenaal hoge frequentie. De duitsers spendeerden veel tijd aan het ontwerp en hadden zo een erg goede radar ontwikkeld waarbij elke mogelijke vorm van frequentieverschuiving vermeden werd.
Daar de Wurzburg radar een schotelantenne had was deze slechts gevoelig in een bundel (directief). Hierdoor was de radar niet geschikt als zoekradar, maar wegens zijn grote nauwkeurigheid des te meer als volgradar. De typische onnauwkeurigheid bij een Wurzburg was 30 tot 40 meter. Een nadeel was er wel: een wurzburg kon slechts 1 vijandelijk vliegtuig tegelijk in de gaten houden, wat in een aanval door een heel squadron niet erg effectief was. Bovendien was
het bereik zeer beperkt: slechts ongeveer 30 kilometer.
In 1941 onderzochten de britten de Wurzburg-radar, doch de wetenschappers hadden concrete elementen nodig om het onderzoek af te ronden. Op 28 februari 1942 overmeesterde een britse commando-eenheid de (eerste generatie) Wurzburg type A radar bij Bruneval. Deze actie staat bekend als de Bruneval raid en de britten namen de hoofdonderdelen (maar niet de indicatormodule) en de radio-operator mee naar Engeland. Het duitse leger was geschokt door de Bruneval raid en ondernam noodmaatregelen voor alle radarsystemen. De zogenaamde Wismar aktion moest de radarfrequenties variabel maken, daar hun radarsystemen tot dan toe slechts een enkele frequentie gebruikten.
In de loop van de oorlog zijn er verschillende versies van de Wurzburg gemaakt. De eerste versie, zoals hierboven beschreven – de Wurzburg A – werd handmatig bediend en vereiste dat de operators zelf het doel in de gaten hielden door middel van het maximaal houden van het signaal op hun oscilloscoop. Omdat de signaalsterkte vanwege diverse redenen vaak veranderde was dit niet echt accuraat. Meestal was er nog een zoeklicht nodig om het doelwit te vinden nadat de radar de positie ongeveer had bepaald. Desalniettemin claime in mei 1940 een eerste wurzburg-site het neerschieten van een vliegtuig, waarbij de positie van het vliegtuig in spraak aan het luchtafweergeschut werd doorgegeven.
Nieuwere versies van de wurzburg bevatten diverse ‘verbeteringen’ om de nauwkeurigheid van het radarstation te vergroten. Zo bevatte een experimentele Wurzburg B een infrarood-detector om een zekere fine-tuning mogelijk te maken. Dit bleek in de praktijk meestal onbetrouwbaar en de productie van dit apparaat werd dan ook al snel gestaakt.
Een verbetering die wel goed werkte werd toegepast in de Wurzburg C. Deze gebruikte het zogenaamde ‘lobe switching’ om de nauwkeurigheid te vergroten. Het apparaat wordt daarbij gericht door een signaal te zenden via twee iets uit het midden geplaatste golfpijpen in de vorm van hoorns. Het signaal wordt daarbij snel gewisseld tussen beide hoorns. Beide terug ontvangen bundels worden naar het scherm gestuurd, waarbij 1 signaal iets vertraagd wordt.
Het resultaat is dat de radar-echo zichtbaar wordt als twee dicht bij elkaar liggende pieken. De operator moet proberen om deze op dezelfde hoogte te houden. Dit systeem zorgde voor een veel snellere reactie bij veranderingen in de positie van het doel omdat elke verandering in de signaalsterkte op beide pieken van invloed is. Hierdoor hoeft de operator niet langer op het maximum te jagen. Dit systeem werkte zo goed dat de Verenigde Staten hetzelfde principe toepaste in hun eerste doelradar, de SCR-268.
In 1941 volgde een verdere verbetering met het D-model. Dit voegde een zogenaamd ‘conical scanning’ systeem toe. Hierbij wordt de ontvanger van de radarbundel uit het midden geplaatst en rondgedraaid met 25 hertz. Het resulterende signaal was iets afwijkend ten opzichte van het midden van de schotel. Als het doelwit zich langs de as van de radar beweegt zal de signaalsterkte groeien en afnemen als de bundel er overheen gaat. Op die manier kan de schotel in de richting van maximum signaal worden gestuurd en daarmee het doel gevolgd worden.
Daarnaast kon het gebied met maximum signaal veel kleiner gemaakt worden dan breedte van de bundel en de antenne. Dit kwam de nauwkeurigheid zeer ten goede. De Wurzburg D had een gemiddelde nauwkeurigheid van 2 graden in de hoek en 3 graden in de elevatie. De meeste apparaten werden in het veld omgebouwd naar model D.
Toch was zelfs het model D niet nauwkeurig genoeg om het luchtafweergeschut te richten. Om de radar nog veel nauwkeuriger te kunnen richten werd de FuG 65 ‘Wurzburg Riese’ ontwikkeld. Gebaseerd op het model D, met dezelfde elektronica, had deze versie een veel grotere antenne met een doorsnede van 7.4 meter en een zender met een bereik tot 70 kilometer.
De hoeknauwkeurigheid van dit nieuwe model was ongeveer 0.2 graden en 0.1 graad in de elevatie. Dit was meer dan genoeg voor het direct aansturen van het luchtdoelgeschut. Nadeel was wel dat deze versie te groot was om mobiel te kunnen worden genoemd. In plaats van een vrachtwagen werd er een speciale onderstel ontwikkeld waarmee de radar via het spoor kon worden vervoerd.
Van de Wurzburg Riese werden tijdens de oorlog meer dan 1500 exemplaren gebouwd. Een nog grotere versie van de radar, de Wurzburg Riese Gigant, met een 160 kw zender, kwam nooit verder dan het ontwikkelstadium.
3 – Ontwikkeling van Chain Home
In het eerste deel van de ontwikkeling van radar, het bulletin van een maand geleden, hebben we gekeken naar de allereerste aanzet tot het ontwikkelen van radar in Engeland. Het concept van de detectie van objecten met behulp van radiogolven was al langere tijd bekend, met de eerste patenten reeds toegekend in 1904, maar het was voor de jaren 1930 dat de praktische ontwikkeling van Radio Direction Finding (RDF) in verschillende landen tegelijkertijd op gang kwam. Met name in Duitsland, Japan, de Verenigde Staten en de Sovjetunie kwam de ontwikkeling al vroeg op gang.
In Engeland begon de ontwikkeling van radar in feite nadat luchtmaarschalk Dowding in februari 1935 een experiment eiste voordat er geld beschikbaar zou komen voor verdere ontwikkeling. Dit experiment en tevens praktische demonstratie werd eind februari 1935 gehouden vlak buiten de stad Daventry. Dit succesvolle experiment resulteerde in het onmiddelijk beschikbaar komen van geld voor een ketting van radarstations aan de Engelse oostkust, van Orkney in het noorden tot Weymouth in het zuiden. De naam van dit project was “Chain Home”.
In 1936 werden de eerste vijf stations gebouwd in het zuidoostelijke deel van Engeland. Het doel was om de monding van de rivier de Thames en de hoofdstad Londen te beschermen. Het doorgeven van informatie en de commandoketen werden hiermee getest. Jachtvliegtuigen van de Royal Air Force vanuit de vliegbasis Biggin Hill werden hierbij gebruikt als doelwit. De geleerde lessen en de technieken om de jagers aan te sturen werden later gebruikt in de Battle of Britain waarbij Chain Home een grote rol zou spelen in de detectie van Duitse bommenwerpers.
Bij het uitbreken van de tweede wereldoorlog waren er in totaal 21 Chain Home stations operationeel. Het Chain Home systeem was simpel en basaal te noemen, zelfs volgens de standaarden van 1935. Volgens moderne standaard is het systeem zelfs ronduit primitief te noemen. Om het systeem snel in productie te kunnen nemen – er was immers een dreiging van Duitsland – werd er voornamelijk gebruik gemaakt van bestaande, commercieel beschikbare technologie. Het ontwikkelingsteam had en kreeg geen tijd om nieuwe technieken en methoden te ontwikkelen en te perfectioneren, ze moesten gebruik maken van wat er op dat moment in Engeland beschikbaar was. Robert Watson-Watt, een pragmatische ingenieur, geloofde dat “het twee-na-beste systeem zou voldoen als het een-na-beste systeem niet op tijd beschikbaar zou zijn en het beste helemaal niet”. Het Chain Home-systeem had zeker last storingen, soms rare verschijnselen en fouten in het rapporteren van informatie, maar door deskundig gebruik en het accepteren van de beperkingen van het systeem
kon er toch een een effectief systeem ontstaan dat zeer goed werkte. De grootste beperkingen van het Chain Home-systeem waren een slechte detectie van vliegtuigen op lage hoogte en zeer trage methode van het doorgeven van informatie tussen de verschillende radarstations.
Bij het terugkijken, nu 80 jaar geleden, is het heel gemakkelijk om het Chain Home af te doen als een “verouderd systeem dat een dood einde van de technologie vertegenwoordigde”. Maar in de tijd was het een aanzienlijke technische prestatie om een volledig geintegreerd luchtverdedigingssysteem te bouwen met als enige achtergrond een experiment. In vijf jaar tijd, tussen 1935 en 1940, was dit absoluut een wereldrecord. Uiteindelijk heeft het Chain Home geleid tot extreem verfijnde moderne lange-afstandsradar die ook over de horizon kan kijken.
Maar laten we eens naar opbouw van Chain Home kijken. De radarstations bestonden in feite uit twee stations per stuk. Een station bevatte de zender plus de bijbehorende masten, het andere station bevatte de ontvanger en de operators. De stations stonden een paar honderd meter uit elkaar. De operators waren vaak vrouwen uit de Women’s Auxiliary Air Force (WAAF). Radarecho’s werden “plots” genoemd en deze werden telefonisch doorgegeven aan het hoofdkwartier. Hier werd in een speciale “filterkamer” uitgezocht en gecontroleerd. En in feite was de filterkamer het meest slimme deel van Chain Home. Het radarsysteem mocht dan simpel en primitief zijn maar een hoop denkwerk was besteed aan het bouwen van de commandoketen en het systeem om een integrale verdediging te bieden.
In de filterkamer werden de verschillende meldingen van de radarstations uitgezocht en verzameld om vervolgens in de plotkamer op de kaart te worden gezet. Hiervandaan werden de meldingen doorgezet naar de controlestations van de verschillende RAF groepen rondom Londen en het midden van Engeland. Zij konden de data vervolgens weer doorgeven aan de vliegvelden waarvandaan de jachtvliegtuigen dan konden opstijgen voor interceptie. Dezelfde data ging ook zijdelings naar andere verdedigingswerken zoals de Royal Navy, luchtafweergeschut van het leger en de onderdelen die versperringsballonnen oplieten.
En hoe zit het dan met de techniek? We hadden al vastgesteld dat Chain Home een systeem met beperkingen was. De belangrijkste van deze beperkingen was het feit dat het vast systeem was dat niet gericht kon worden. Dat betekende dat een radarstation niets zag buiten zijn openingshoek van 60 graden van de zender of achter zich wanneer de vliegtuigen overgevlogen waren. Voor plots boven land was men daarom afhankelijk van menselijke waarnemers van het (Royal) Observer Corps, oftewel “human eye mark 1” zoals het in die tijd ook wel genoemd werd. Waarnemers op de grond konden gedurende de dag bij goed weer acceptabele resultaten bereiken, maar in het donker of bij slecht zicht konden zij ook weinig bereiken. Dit probleem werd later opgelost door de introductie van meer geavanceerde surveillance radar die over 360 graden zicht en volgmogelijkheden beschikten. Ook vliegtuigen met onderscheppingsradar, die tegelijkertijd met Chain Home vanaf 1936 werd ontwikkeld, hielp hierbij. Deze apparatuur kwam echter pas later in de
oorlog ter beschikking.
Chain Home type 1 stations bestonden in twee verschillende versies, namelijk oostkust en westkust. De stations aan de oostkust gebruikten drie of vier stalen torens van 120 meter elk voor de zender plus vier houten 80 meter hoge torens voor de ontvanger. De stations aan de westkust gebruikten dezelfde houten torens voor de ontvangers maar hadden 120 meter masten met tuidraden in plaats van vakwerktorens voor de zenders.
In verschillende opzichten was Chain Home inferieur aan de ontwikkelingen in de Duitse radar die technologisch hierin voorop liep. Echter, omdat de duitse radar veel meer kostte dan Chain Home stations hadden de Britten bij de start van de tweede wereldoorlog een veel betere dekking van de kust dan de duitsers. Deze laatsten hadden op het moment van de Battle of Britain slechts 8 radarstations (type Freya) in gebruik. Hoewel primitief was Chain Home in staat om de afstand en richting te bepalen van inkomende vliegtuigen. De meeste stations waren ook in staat om de hoogte te bepalen, hoewel de geografie van het terrein rondom sommige stations die ter plaatse onmogelijk maakte. Daarnaast waren de operators behoorlijk bedreven in het schatten van het aantal vliegtuigen of formaties aan de hand van de vorm van de weergegeven radarecho, dit ondanks dat er bij het ontwerp van het systeem hier geen rekening mee gehouden was.
Antenne-technisch gezien leek Chain Home op niets van wat we later als radar zouden herkennen. De antenne was vast opgesteld, de antenne-array van de zender werd gevormd door vast-opgehangen antennedraden welke tussen de 120 meter hoge masten waren gespannen. In feite zonden deze antennes een floodlight bundel van elektromagnetische energie uit. Deze bundel was ongeveer 100 graden breed. De ontvangende antenne-array stond op houten torens van 80 meter hoof en bestond uit twee antennes die onder een rechte hoek ten opzichte van elkaar waren geplaatst. De ontvangstantennes waren richtinggevoelig zodat de sterkte van het ontvangen signaal op elke antenne afhankelijk was van de hoek tussen de antenne en het doel. De operator paste handmatig een vergelijkingscircuit af om de hoek te vinden die de relatieve signaalsterkte van beide antennes het beste gelijk kreeg. De elevatie van het doel werd geschat door het gebruiken van een vergelijkbaar paar met antennes die dicht bij de grond stonden. Hierdoor, in samenwerking met het signaal van
de hoge antennes, kon er een verschil in gevoeligheid worden gezien die de hoogte bepaalde. Daarnaast bepaalde de tijdsvertraging van de echo ten opzichte van het uitgezonden signaal uiteraard de afstand tot het doel.
De Chain Home stations waren ontworpen om op een frequentie van 20 tot 50 megahertz te werken, in het overgangsgebied tussen HF en VHF, hoewel de meeste stations een frequentie van tussen de 22 en 30 megahertz gebruikten (12 meter). Het beschikbaar hebben van meerdere frequentiebanden waarop gewerkt kon worden gaf enige bescherming tegen verstoringen, dit is tegenstelling tot de Duitse radar welke voor het overgrote deel op 1 vaste frequentie werkte. Het bereik voor detectie was gemiddeld 190 kilometer in de zoekmodus, maar in sommige gevallen zelfs nog meer.
In de maanden mei tot en met augustus 1939 maakte de zeppelin LZ130 Graf Zeppelin II vluchten langs de engelse noordzeekust om te onderzoeken waar de 100-meter-hoge radiotorens die de Britten gebouwd hadden voor waren. LZ130 deed radiometrische tests en maakte foto’s. Duitse bronnen gaven door dat ze de 12-meter-golven gedetecteerd hadden en vermoedden dat deze iets met radar van doen hadden. De hoofdonderzoeker was echter niet in staat om zijn vermoedens te bewijzen en het Duitse oppercommando verwierp de vermoedens dan ook, ook omdat er vanuit andere bronnen tegenstrijdige berichten over de radiomasten binnenkwamen. Al met al gingen de Duitsers zonder accurate kennis van de Britse radar de slag om Engeland in.
4 – Operatie van Chain Home
Nadat we de vorige keer hebben gekeken naar hoe de Chain Home radarstations in Engeland werden ontwikkeld en gebouwd gaan we vandaag kijken hoe ze in de praktijk werden gebruikt.
Chain Home radarstations waren verdeeld over de Britse kust opgesteld. Initieel stonden de stations alleen in het zuiden en het oosten maar later werd de hele kustlijn voorzien van stations, inclusief de Shetland eilanden. De eerste echte vuurdoop voor de radarstations was tijdens de Battle of Britain in 1940, waarbij ze in staat waren om goede en tijdige waarschuwingen te geven tegen aanvallen van de Luftwaffe. Dankzij de tijdige uitrol had het Verenigd Koninkrijk de tijd om een goed-geintegreerde communicatie-keten in te richten.
Chain Home had vele beperkingen. Doordat vaste antennes richting de zee gebruikt werden moest er worden teruggevallen op het Observer Corps om vliegbewegingen te rapporteren zodra ze de kust waren gepasseerd. Ook was de detectie van radarecho’s lager dan 1500 metyer erg moeilijk met Chain Home. Hiervoor werd in de UK een tweede radarketen ontwikkeld en uitgerold met de naam Chain Home Low. Deze was technisch niet verwant met de eerdere radarketen met ongeveer dezelfde naam. Chain Home Low stations konden vliegtuigen detecteren tot een minimale hoogte van 610 meter, maar dan alleen tot maximaal 56 kilometer uit de kust. Dit was een derde van de afstand van Chain Home.
Calibratie van het systeem werd initieel uitgevoerd door een vlucht met een Avro Rota autogyro uit te voeren waarbij deze vroege vorm van helikopter-vliegtuig boven een bekende landschapsmarkering bleef vliegen. De radar werd dan zodanig gecalibreerd dat de positie van een doel relatief tot de grond van de positie op het scherm kon worden afgelezen. De Rota werd hierbij gebruikt vanwege zijn eigenschap om een relatief stabiele positie boven de grond te kunnen blijven houden. Piloten werden erop getraind om zo klein mogelijke cirkels te vliegen, ondanks mogelijk tegen- en zijwinden.
Gedurende de slag om Engeland werden de Chain Home stations meerdere keren aangevallen door de Luftwaffe, met name in de periode tussen 12 en 18 augustus 1940. Tijdens een van deze aanvallen op de keten met radarstations in Kent scoorden de Duitsers een toevalstreffer door een directe hit op het energiestation. Ondanks echter dat de houten hutten waarin het radarstation was gehuisvest werden beschadigd overleefden de masten en de antennes de aanval zonder noemenswaardige schade. Omdat de torens geen schade hadden konden de radarstations hun werk snel hervatten. De luftwaffe concludeerde uit het snelle herstel van het station dat de radarstations te moeilijk met bommen aan te vallen waren en lieten ze voor de rest van de slag met rust. Als de Luftwaffe zich had gerealiseerd hoe belangrijk de radar was voor de verdediging van Engeland dan is het zeer waarschijnlijk geweest dat ze meer moeite zouden hebben gedaan om de radarstations te vernietigen.
Het laatste succes gedurende de oorlog van de Chain Home type 1 stations was als een vroege vorm om ballistische raketten te detecteren. Hierbij werden de stations gebruikt om de Duitse V2-raketten die op Londen werden afgevuurd tijdens de lancering te detecteren. Deze operatie werd bekend als operatie ‘Big Ben’ en duurde van september 1944 tot mei 1945. Triangulatie (driehoeksmeting) tussen verschillende radarstations werd gebruikt om de lanceerplaatsen te bepalen en om de waarschijnlijke plaats van ontploffing uit te rekenen. Jachtbommenwerpers werden dan aangestuurd om de lanceerplaats aan te vallen zodra deze met succes opgespoord was. Het succes hierbij werd geholpen door het interessante feit dat de V2-raketten een prima kwartgolf-reflector waren voor de 12 metergolven van Chain Home radar.
Bij het opsporen van de lanceerplaatsen was echter wel het nadeel dat de Duitsers deze extreem mobiel, gecamoufleerd en gemotoriseerd hadden gemaakt. Er zijn dan ook geen geverifeerde rapporten van lanceerplaatsen die op deze manier vernietigd werden, hoe accuraat het volgen met behulp van radar ook was. De V-2 was een supersonische raket en ongevoelig voor aanvallen met geschut of vliegtugigen tijdens de vlucht van de raket. Dit in tegenstelling tot de V-1 vliegende bom die in feite een klein onbemand vliegtuig was. Chain Home werd tegen deze toestellen met succes ingezet, in combinatie met jachtvliegtuigen en luchtafweergeschut die de V-1 vliegende bommen vervolgens aanvielen.
Tijdens de laatste jaren van de oorlog, toen de geallieerden in het grootste deel van Europa een overwicht in de lucht hadden en een aanval op Engeland eigenlijk niet meer tot de reele mogelijkheden behoorden werd de Britse radar-verdediging in een hoog tempo uitgefaseerd en/of op non-actief gesteld. Veel stations werden gesloten en andere in een status van ‘care and maintenance’ geplaatst, hetgeen in feite overheidstaal was voor passief laten bestaan ‘voor het geval dat’. Na de tweede wereldoorlog werd echter door de spanningen tussen Engeland, Amerika en de Russen een aantal stations opnieuw in bedrijf gesteld, men kon immers nooit weten. Een aantal radarstations werd daarbij omgebouwd naar voor die tijd moderne standaards en met de bijbehorende betrouwbaarheid. Hierbij waren er ook significante verberteringen in bereik en nauwkeurigheid. De herbouwde stations vormden de eerste fase van het systeem dat Chain Home zou gaan vervangen: ROTOR, dat in drie fasen tussen 1949 en 1958 zouo worden uitgerold. De laatste Chain Home
stations werden in 1955 uitgefaseerd. In die periode werden ook het grootste deel van de stalen en houten torens die bij de radarstations hoorden gesloopt.
Een aantal van de stalen torens die voor de zenders van Chain Home werden gebruikt zijn echter aan de sloop ontsnapt en staan nog steeds overeind. De houten torens hebben geen van allen de sloop-slagen van de Britse regering overleefd. De wel overgebleven torens hebben inmiddels verschillende nieuwe functies gekregen en in sommige gevallen zelfs opgenomen in de lijst van cultureel erfgoed. Een voorbeeld van een overgebleven 120 meter toren stat bijvoorbeeld in Great Baddow in Essex en is nu onderdeel van de BAE Systems faciliteiten aldaar. Deze toren stond van oorsprong op de RAF basis Canewden in Essex. Het is de enige overgebleven Chain Home toren met alle originele platformen nog intact.
De enige originele Chain Home site die nog steeds in gebruik is als een militair radarstation in RAF Staxton Wold in Yorkshire. Helaas zijn er geen overblijfselen van de originele 1937 apparatuur meer te vinden omdat de site volledig ontmanteld en opnieuw opgebouwd is voor ROTOR. De 80 meter hoge houten torens was in de tijd de hoogste houten bouwwerken ooit gebouwd in Engeland. Twee van deze houten torens stonden in 1955 nog steeds overeind.
Na de tweede wereldoorlog volgden ontwikkelingen in radar elkaar in zeer snel tempo op. Maar dat is een verhaal voor het volgende hoofdstuk.
5 – Radarontwikkeling in en direct na de Tweede Wereldoorlog
In de voorgaande delen hebben we voornamelijk gekeken naar de werking van Chain Home, het radarsysteem waar de Britten de tweede wereldoorlog in gingen. Ook hebben we gekeken naar de Duitsers, de ontwikkeling van de Wurzburg Riese en hoe deze werkte. Het waren echter niet alleen Duitsland en Engeland die voorafgaand aan de tweede wereldoorlog met de ontwikkeling van radar bezig waren. Ook in Amerika en in de Sovjetunie werd gedurende de jaren 30 al aan de eerste vormen van radar gewerkt.
De Sovjetunie begon in de jaren 1930 met de ontwikkeling van radar. Elf jaar later, toen in juni 1941 de Duitsers het land binnenvielen en daarbij gebruik maakten van grote aantallen vliegtuigen konden de Sovjets gebruik maken van verschillende typen radar welke ze in de jaren ervoor ontwikkeld hadden. In productie was op dat moment echter maar een type vliegtuig-detectie-radar. Deze werkte op een frequentie van rond de 75 Megahertz in de VHF-band en hoewel erg primitief werkte deze naar behoren. Verdere ontwikkelingen in de Sovjetunie met betrekking tot radar werden echter gestoord door de Duitse invasie. Het werk aan radar werd naar het oosten van het land verplaatst en daar voortgezet. De Sovjet- en daarna Russische radar zullen we later nog verder gaan bekijken aangezien latere ontwikkelingen in het land een aantal opzienbarende en interessante ontwerpen en installaties opleverde.
Aan het begin van de tweede wereldoorlog was het Duitsland die in de ontiwkkeling het meest vergevorderd was, aanzienlijk verder en geavanceerder dan elk ander land dat zich met de ontwikkeling van radar bezig hield. Bij de start van de oorlog gebruikten de Duitsers al op grote(re) schaal radar op de grond en in de luch, voornamelijk als bescherming tegen geallieerde bommenwerpers. Ook experimenteerden de Duitsers reeds in 1936 mer radar op een mini-oorlogsschip. Tegen het einde van 1940 werd de doorontwikkeling van radar echter in Duitsland stopgezet omdat geloofd werd dat de oorlog bijna over was. Andere landen, met name de Verenigde Staten en Engeland versnelden hun pogingen om radat verder te ontwikkelen. Tegen de tijd dat de Duitsers hun fout inzaken was het al te laat om op hetzelfde niveau te komen.
Behalve enkele Duitse radarsystemen die op hogere frequenties werkten, waren alle min of meer succesvolle radarsystemen die voor de tweede wereldoorlog werden ontwikkeld voor frequenties lager dan ongeveer 200 megahertz. Zoals gezegd waren de Duitse systemen met frequenties rond de 375 en 560 megahertz hierbij een uitzondering.
Het gebruik van VHF had echter een aantal problemen. Als eerste zijn VHF richtbundels behoorlijk breed. Het gebruik van smallere richtbundels in radar heeft een aantal significante voordelen zoals een grotere nauwkeurigheid, betere resolutie en het uitsluiten van ongewenste echo’s van de grond en andere objecten. Daaarnaast leent VHF zich niet echt voor de breedbandigheid die vereist is voor de korte uitgezonden pulsen die gebruikt worden om de nauwkeurigheid van de afstandsbepaling te vergroten. En als derde en laatste argument tegen VHF was het feit dat VHF volgens de onderzoekers in die tijd gevoeliger was voor atmosferische storingen, daarbij een limiet stellende aan de gevoeligheid van de ontvangers. Affijn, als zendamateurs komen deze argumenten ons natuurlijk niet onbekend voor.
Echter, ondanks deze beperkingen en nadelen vertegenwoordigde VHF in de jaren 1930 het neusje van de zalm op radiogebied. De ontwikkeling van radar op deze frequentieband mag dan ook gerust als een stukje pionierswerk worden gezien. De vroege onderzoekers van radar waren zich er overigens zeer goed van bewust dat hogere frequenties erg gewenst waren, zeker omdat daarmee smallere richtbundels konden worden gerealiseerd zonder dat er onhandelbaar grote antenne’s nodig waren.
Een opening naar hogere frequenties, met name die in het microgolfgebied en dus met de bijbehorende duidelijke voordelen, kwam aan het einde van 1939. Britse natuurkundigen aan de Universiteit van Birmingham vonden de cavity magnetron oscillator uit. Het concept van de magnetron werd in 1940 door de Britten zeer genereus ook met de Verenigde Staten gedeeld. Het concept van de magnetron werd daar de basis van het nieuw opgerichte Massachusetts Institute of Technology (MIT) Radiation Laboratory in Cambridge. In feite maakte de magnetron het gebruik van microgolfradar in de tweede wereldoorlog een feit.
De succesvolle ontwikkeling van belangrijke en innovatieve microgolf radarsystemen moet ook voor een deel worden toegeschreven aan de noodzaak om aan nieuwe militaire mogelijkheden te voldoen. Ook een belangrijke factor in het succes van het onderzoek en de ontwikkeling was het effectieve mangement van het MIT Lab, die het mogelijk maakte om getalenteerde en bevlogen onderzoekers aan te trekken. In totaal werden er meer dan honderd verschillende radarsystemene ontwikkeld als gevolg van de vijf jaar dat het ontwikkelprogramma in het laboratorium liep (1940 tot 1945).
Een van de meest opmerkelijke microgolfradar die door het MIT Radation Laboratory werd ontwikkeld was de SCR-584, een veelzijdige radar die breed ingezet is als besturing voor geschut. In dit systeem werd gebruik gemaakt van conisch zoek-en-volgen, waarbij een smalle bundel van vier graden continu ronddraait rondom de centrale as van de radarantenne. Het systeem had genoeg nauwkeurigheid in het bepalen van hoeken dat hiermee luchtdoelgeschut kon worden aangestuurd zonder de aanvulling van extra optica en zoeklichten. Dit laatste was wel nodig bij oudere radarsystemen met een bredere zoekbundel zoals de SCR-268. De SCR-584 gebruikte frequenties tussen de 2.7 en 2.9 gigahertz – ook wel bekend als de S-band – en beschikte over een parabolische antenne met een doorsnede van ongeveer 2 meter. Het systeem werd dor het eerste in de strijd ingezet in 1944 op het bruggehoofd bij Anzio in Italie. De nieuwe set kwam precies op tijd aangezien de Duitsers op dat moment reeds hadden ontdekt hoe ze de voorganger SCR-268 konden storen. De introductie van de SCR-584 kwam voor het Duitse leger als een volledige verrassing en er waren geen tegenmaatregelen bekend.
In de jaren na de oorlog ging het tempo van de ontwikkelingen in radartechnologie aanvankelijk aanzienlijk omlaag. De tweede helft van de jaren 40 werden voornamelijk besteed aan het verder (uit)ontwikkelen van het onderzoek dat tijdens de tweede wereldoorlog in gang was gezet. Twee van de meest belangrijke ontwikkelingen uit deze periode zijn de enkelpuls-radat en het tot stand komen van de zogenaamde moving-target indicator, waarbij het Doppler-effect gebruikt wordt om het onderscheid te kunnen maken tussen stationaire en bewegende voorwerpen. Het zou echter nog vele jaren vergen om deze twee technieken volwassen te krijgen en hun potentieel ten volle te benutten.
Nieuwe en betere (of verbeterde) radarsystemen kwamen er in de jaren 50. Een daarvan was bijvoorbeeld een zeer nauwkeurige enkelpuls-volgradar. Dit systeem, de AN/FPS-16, had de mogelijkheden om een hoeknauwkeurigheid van 0.1 milliradian te halen, dat is ongeveer 0.006 graad. Daarnaast verschenen er ook grote radars met hoog vermogen op 220 Megahertz in VHF en 450 Megahertz in UHF. Deze systemen, uitgerust met enorme mechanisch ronddraaiende antennes van in sommige gevallen meer dan 37 meter breed, konden betrouwbaar op zeer lange afstand vliegtuigen detecteren. De ontwikkeling van deze systemen hing samen met de uitvinding en ontwikkeling van de Klystron versterker. Deze verschafte een stabiele hoog-vermogensbron voor de lange- en zeer-lange-afstandsradar.
Ook radar met een aanpasbare openingshoek werd in de jaren vijftig ontdekt, maar het zou nog bijna dertig jaar duren voordat deze techniek op een goede manier kon worden doorontwikkeld en praktisch bruikbaar gemaakt kon worden. Hiervoor bleken namelijk digitale signaalverwerking en andere voortgang in vergelijkbare technieke nodig. Over deze ontwikkeling hebben we het in een toekomstig deel van deze serie nog uitgebreider. Een laatste interessante ontwikkeling die in de jaren vijftig gedaan werd was de Doppler-pulsradar. Deze werd aan het einde van deze tijdsperiode ge-introduceerd in de Bomarc lucht-luchtraket.
Naast al het praktische onderzoek werd in het tijdsbestek van de jaren vijftig ook veel gepubliceerd over de belangrijke achterliggende theoretische concepten die het mogelijk maakten om het ontwerpen van radar verder te kwantificeren. Er werd onder andere onderzoek geddan naar de statistiek rondom het detecteren van signalen in de ruis voor het maken van aangepaste filters met een match. Dit onderzoekn toonde onder andere aan hoe een radarontvanger zodanig was in te stellen dat er een maximale detectie kon worden bereikt voor het ontvangen van zwakke signalen.
Ook een theoretische ontwikkeling uit deze periode is het zogenaamde Woodward onzekerheidsdiagram. Dit diagram maakt duidelijk waar een goed compromis kan worden bereikt tussen het gebruik van een golflenges, hun eigenschappen, het detectiebereik en daarnaast de snelheid waarmee de radarantenne kan ronddraaien en hoe nauwkeurig er gedetecteerd kan worden. Ook de basismethoden voor het filteren van Doppler-effecten in radarstations die gebruik maken van Movable Target Indication stammen uit deze tijd. Dit laatste onderzoek werd later belangrijk toen digitale technologie het mogelijk maakte om deze theorie tot een praktisch bruikbaar systeem te brengen.
En daar eindigt de geschiedenis van de ontwikkeling van radar voor het bulletin van vandaag. Maar de serie is daarmee zeker nog niet afgelopen. In een toekomstig bulletin gaan we verder kijken hoe onder andere Doppler en digitale techniek vanaf de jaren zestig radar verder verbeterden. Een ander deel van deze serie dat op dit moment nog in de research zit is de geschiedenis van de (Sovjet) Russische radar, waar ook zeker nog een interessant kantje aan zit.
6 – Radar in de jaren 60 en verder: de opkomst van het digitale tijdperk
In de voorgaande delen van deze serie over de ontwikkeling van radar hebben we gekeken naar de tweede wereldoorlog en de jaren direct erna. In het laatste deel (5), uitgezonden op zaterdag 1 februari zijn we gestopt aan het einde van de jaren 50. In die tijdsperiode ging het tempo van de ontwikkeling van radar naar beneden ten opzichte van de jaren veertig. Wel werd er op een aantal vlakken technologisch voorgang geboekt. Maar de jaren vijftig kenmerkten zich voornamelijk door het theoretische onderzoek. Een van de onderzoeksrichtingen waar veel theoretisch werk is in verricht was het Dopplereffect. En het is hier waar we het zesde deel van deze serie zullen beginnen.
Het principe acher de Doppler frequentieverschuivingen en de toepassing ervan binnen radar waren in feite al voor de Tweede Wereldoorlog bekend. Het zou echter nog een behoorlijk aantal jaren onderzoek en ontwikkeling vergen om deze toepasing zo ver te krijgen dat deze breed ingezet kon worden. De eerste serieze toepassingen van het Doppler-principe begonnen in de jaren 50. Tegenwoordig is het gebruik van Doppler in wezen cruciaal geworden voor onze huidige inzet van radarsystemen.
Zoals bij velen wel bekend en ook eerder uitgelegd is het principe van het Doppler-effect heel simpel. Een door een bewegend voorwerp teruggekaatst signaal zal in frequentie veranderen. De mate van verandering is hierbij gerelateerd aan de beweging en het verschil in snelheid tussen het doelwit en het radarstation. Het gebruik van doppler is onmisbaar in radars die gebaseerd zijn op het principe van de continugolf en ook bij pulsradar. Omdat beide systemen gemaakt zijn voor de detectie van bewegende objecten kan het doppler-effect gebruikt worden om ongewenste reflecties te onderdrukken, bijvoorbeeld van objecten aan de horizon.
Toen wetenschappers echter met het doppler-effect gingen spelen kwamen ze al snel andere toepassingen tegen waarbij doppler ook zeer bruikbaar bleek te zijn. Zo ontstond bijvoorbeeld een zijtak voor het gebruik van radar door de politie. Snelheidsmetingen, zowel vanuit stationair oogpunt als mobiele controles, bleken door het gebruik van doppler-radar een stuk eenvoudiger en vooral nauwkeuriger te kunnen. Ook de techniek van het in kaart brengen van terrein door middel van radarsignalen ging een stuk vooruit. Het gebruik van doppler in combinatie met Synthetic Aperture Radar (SAR) en Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR) resulteerde in beelden met een veel hogere resolutie dan voorheen mogelijk was. Verder bleek doppler een uitstekende methode voor vliegtuigradar te zijn waarmee ook de snelheid van het vliegtuig gemeten kon worden. Een andere toepassing die tegenwoordig niet meer weg te denken is uit ons leven is het gebruik van weerradar. Het gebruik van doppler-verschuiving maakt het mogelijk om zware stormen en gevaarlijke windstoten vroegtijdig te detecteren.
Voortbordurend op de ontwikkelingen in de jaren 50 kwam de ontwikkeling van radar-elektronica in de jaren 60 pas echt goed op gang. Elektronisch gestuurde phase-array radar, waarbij de antenne elektronisch in plaats van mechanisch gericht wordt bestond in theorie al sinds de jaren 50, maar kon pas praktisch in de jaren zestig worden ingezet toen voortgang op het gebied van elektronica en met name integratie van componenten voor de sturing mogelijk werd. In deze tijd werd ook de early warning-radar ontwikkeld welke tijdens de koude oorlog een grote rol zou gaan spelen. In de beginfase was deze radar voornamelijk airborne, dus in vliegtuigen geintegreerd. Een latere ontwikkeling uit de jaren zestig is ook de radar die over de horizon kon kijken, iets waar beide kanten van het ijzeren gordijn in deze jaren de basisprincipes van demonstreerden. Dit type kortegolfradar zal later in deze serie nog terugkeren als in de jaren 80 met name de Sovjetunie dit soort radar met enorme vermogens inzet met storingen op onder andere de amateurbanden tot gevolg.
Radar in het digitale tijdperk
Tot op heden zijn alle genoemde ontwikkelingen op radargebied voornamelijk analoog geweest. In de jaren zeventig nam echter de digitale technologie een enorme vlucht met de bijbehorende vooruitgang als gevolg. Ook in de ontwikkeling van radar was het digitale tijdperk vanaf de jaren zeventig goed te merken. Digitale integratie maakt het mogelijk om signaal- en dataverwerking te integreren. Dit had tot gevolg dat bijvoorbeeld vliegtuigadar steeds beter in staat werd om andere vliegtuigen te detecteren, ook als deze dicht bij de grond vlogen. Hoewel Doppler ook analoog al voor een deel in staat was om snel(ler) bewegende voorwerpen te onderscheiden van achtergrond, of in dit geval het terrein, was hiervoor altijd nog nodig dat de snelheid van voortbewegen van het eigen vliegtuig met enige nauwkeurigheid bekend moest zijn. Met behulp van de digitale verwerking van de signalen kon deze afhanelijkheid steeds verder ge-elimineerd worden. Het Amerikaanse leger deed hier zijn voordeel mee met radarvliegtuigen welke boven een slagveld gestationeerd konden worden en die de troepen op de grond of in het water een enorme verbetering in het ‘zicht’ rondom gaven. De zogenaamde AWACS-vliegtuigen (AWACS
staat voor Airborne Warning And Control Systems) die hiervoor ingezet werden zijn bij velen wel bekend.
In de jaren die volgden, met name in de jaren 80, werd de signaalverwerking door computers steeds verder ontwikkeld tot men op het punt kwam dat radar het mogelijk maakte om typen doelwitten van elkaar te kunnen onderscheiden aan de hand van het teruggekaatste signaal — een mogelijkheid waarvan nog geen veertig jaar terug alleen maar kon dromen. In de tweede wereldoorlog was men al lang blij als aan de hand van de radarecho kon worden vastgesteld hoeveel vliegtuigen er op het station afkwamen, nu kon met ook bepalen welk type vliegtuig dit dan vermoedelijk was.
Doordat elektronica in dit tijdperk steeds goedkoper werd om te produceren werd serieproductie van phase-array radar, op dat moment voornamelijk gebruikt voor de luchtverdediging, toegankelijker dan ooit. In de tijd van de koude oorlog, waarin de jaren tachtig zeker niet de beste periode was, werd deze serieproductie ingezet voor het vroegtijdig verkrijgen van waarschuwingen dat bommenwerpers of intercontinentale raketten ingezet werden. Maar in deze periode waren er gelukkig ook een aantal vreedzame toepassingen van de massaproductie van radars die opbloeiden. Zo maakten vooruitgang in detectie op afstand met mogeijk om winden die over de oceanen blazen in kaar te brengen, net zoals golfhoogtes, condities van ijs rondom de noordpool en zo nog een aantal andere natuurverschijselen waar radar een uitstekend hulpmiddel voor bleek te zijn.
Een ontwikkeling die we ook absoluut niet mogen vergeten te vermelden is de vooruitgang in transistor-technologie, zo mooi ook wel solid-state genoemd, gecombineerd met microgolf-technogie. De daaruit volgende millimeter-radar en sub-millimeterradar maakte nieuwe toepassingen van radar mogelijk. Dit gebied was een jaar of twintig daarvoor nog slechts een academische nieuwsgierigheid die geen praktische toepassing leek te kennen.
Voortdurende vooruitgang in computertechnologie in de jaren negentig maakte het mogelijk om steeds meer informatie over de aard van doelwitten en terrein uit radarecho’s te halen. De introductie van doppler-gestuurde weerradar bijvoorbeeld maakte het in deze tijd mogelijk om niet alleen de laterale snelheid van wolken te meten maar ook de hoeveelheid neerslag hetgeen nieuwe en betere voorspellingen van mogelijk gevaarlijk weer mogelijk maakte. Vliegvelden waren een van de eerste plaatsen die hier een enorme mogelijkheid in zagen, de jaren negentig zag dan ook de installatie van terminal-weerradar op of bij belangrijke vliegvelden. Vliegtuigen konden op deze manier gewaarschuwd worden voor windstoten tijdens het landen of opstijgen.
Andere toepassingen uit deze periode zijn de ontwikkeling van radar met redundantie zodat onbemande radarstations met een zeer hoge beschikbaarheid konden worden gebouwd. Aan de leveranciers van dergelijke stations werden hoge eisen gesteld, met name voor stations die gebruikt werden voor de luchtvaart en de controlestations voor het wereldwijde luchtruim (air traffic control). Ook radar in satellieten nam letterlijk en figuurlijk een hoge vlucht. Radar vanuit de ruimte kijken sinds de jaren negentig steeds meer naar de wereldwijde status van onze aarde, zowel land- als oceaanoppervlakten. Verder het heelal in werden verbeterde radarsystemen ingezet door onbemande ruimtevaartuigen die driedimensionale beelden met hoge resolutie maakten van het oppervlakte van Venus. Hierbij kreeg deze radar iets voor elkaar dat eerdere ruimtevaartuigen niet voor elkaar kregen, namelijk het doordringen van het altijd aanwezige en voor normaal licht ondoorzichtige wolkendek dat boven het oppervlak van Venus hangt.
Hoewel er in de laatste jaren nog wel ontwikkelingen gaande zijn op het gebied van radar gaat dit wel aanzienlijk minder hard en ook zijn er nog minder details bekend. Ondanks dat we in een tijdperk van eenvoudige informatievoorziening leven zijn voornamelijk de details op militair gebied en de ontwikkeling van nieuwe systemen geheim. Hetgeen dat wel bekend is, is voornamelijk hoog-over. Zo wordt er verder gewerkt aan de doorontwikkeling van digitale signaalverwerking. Het doel is daarbij in ieder geval in een aantal landen om tot een volledige digitale phase-array radar te komen. Hoewel daarin al veel gedigitaliseerd is zijn deze radarsystemen van oorsprong nog steeds voor een deel analoog. Een andere ontwikkeling uit de eerste jaren van de eenentwintigste eeuw zijn de hoog-vermogen millimeter-golfzenders. Het bouwen van radarstations met millimetergolven is daarmee eenvoudiger geworden, stations op bijvoorbeeld 94 gigahertz hebben nu vermogens van meer dan 100 tot 100 keer dan in het verleden mogelijk was.
En daarmee eindigt de ontwikkeling van radar voor nu. Oplettende lezers zullen opgemerkt hebben dat tot op heden voornamelijk technologie uit het westen, dat wil zeggen de Amerikaanse en Europese kant van het voormalig ijzeren gordijn is langsgekomen. Maar aan de andere kant van dit gordijn werkten de Sovjets tijdens de koude oorlog ook aan een aantal zeer interessante ontwikkelingen. Zoals dus al eerder aangegeven is deze serie dus nog niet ten einde. In het volgende deel gaan we het al beloofde uitstapje maken naar de Sovjet en later Russische radar. Wordt vervolgd dus…
7 – Ontwikkeling van radar in de Sovjetunie en Rusland
In de afgelopen delen hebben we gekeken naar de ontwikkeling van radar in de westerse landen. Maar ook aan de andere kant van het ijzeren gordijn werd er aan radar ontwikkeld. De Russen, toen uiteraard de Sovjets, waren zelfs enige tijd voorlopers op het gebied van de vroege experimenten met radar.
In zijn rapport over experimenten met radiocommuncatie in de Baltische Zee schreef de Russische wetenschapper Alexander Popov al in 1897 over de detectie van een oorlogsschip toen dit door de radioverbinding tussen twee andere schepen heen voer. In feite was deze observatie de eerste bekende en op schrift vastgelegde waarneming met betrekking tot de mogelijkheid tot het detecteren van objecten door middel van radiogolven. Dit was nog ruim voordat in 1904 in de westerse wereld door Christian Huflsmeyer, een Duitse wetenschapper, een patent werd verkregen op dit fenomeen. Hij noemde zijn aparaat een “Telemobiloskop”. Uiteindelijk zou noch met de ontdekking van Popov noch met het patent van Hufsmeyer tot de jaren 1930 iets gedaan worden.
We hebben in eerdere delen al gelezen dat de steeds groter wordende rol van de militaire luchtvaart een van de belangrijkste redenen was om van detectie door middel van geluid over te gaan naar detectie door middel van radio. In de Sovjetunie werd het probleem van detectie van vliegtuigen onafhankelijk van alle andere lander onderzocht en opgelost. Radar werd als technische oplossing voorgesteld in de Sovjetunie in 1932 door Piotr Oschepkov. Binnen het leger en de staven hierin werd het voorstel actief ondersteund met als gevolg dat de eerste experimenten in het veld in de Sovjetunie al in 1934 werden gehouden. Dit was ruim een jaar eerder dan in Engeland, waar ze in 1935 concludeerden dat er ge-experimenteerd moest gaan worden.
De eerste versies van de Sovjet-radar werden in juli en augustus 1934 getest. Het betrof hier een CW-gebaseerde radar in de VHF-band met gescheiden zenders en ontvangers. Dit concept vinden we in de jaren 30 ook terug in Engeland in de Chain Home stations. Deze experimentele radar kon vliegtuigen detecteren op hoogtes tot ongeveer 5 tot 6 kilometer en met een bereik van meer dan 3 kilometer. De gebruikte techniek was daarbij om de verschillen tussen het uitgezonden en het gereflecteerde signaal te meter. Door middel van zero beat kon met het verschil zichtbaar maken en daarmee een bepaling doen. Uiteindelijk leidde de resultaten van deze tests in oktober 1934 tot het eerste industriele contract ter wereld voor de productie van 5 radarstations.
In 1939 werden deze eerste vijf stations van dit type radar door het Sovjetleger geaccepteerd en in gebruik genomen. De radar stond bekend onder de naam RUS-1 en werkte op een golflengte van 4 meter, de zenders en ontvangers stonden 35 kilometer uit elkaar. Daarna werden er in rap tempo nog 40 van deze stations gebouwd, 45 stations zouden uiteindelijk dienst doen in de oorlog in het verre oosten en in de Kaukasus tijdens de gevechten met de binnengevallen Duitsers.
Terwijl de RUS-1 stations gebouwd werden zaten de wetenschappers echter niet stil. In de tussentijd werd er druk gewerkt aan de opvolger die werkte op het principe van de pulsradar. Deze werd toepasselijk RUS-2 genoemd en was gereed in 1940. In vergelijking met de RUS-1 had deze een groot aantal verbeteringen. Niet alleen had dit radarstation veel minder ruimte nodig, ook kon het vliegtuigen niet alleen detecteren maar ook afstanden meten de hoeken waaronder deze binnenkwamen weergeven.
Aan het begin van de inval van de Duitsers in 1941 waren er 12 stations met dit type radar gereed. Op 12 juli 1941 detecteerden deze radarstations met succes een aanval van meer dan 200 Duitse bommenwerpers, reeds 100 kilometer voor Moskou werden deze gedetecteerd. Dankzij deze tijdige detectie was het voo de Sovjets mogelijk om de aanval af te slaan door middel van anti-vliegtuiggeschut en jagers. Uiteindelijk bereikten mede dankzij de radarstations slechts een handjevol van de bommenwerpers daadwerkelijk Moskou.
Een versie van de RUS-2 voor het gebruik aan boord van schepen kwam ook 1940 van de grond, hoewel het op dat moment nog bijna een jaar zou duren voordat een eerste schip ook daadwerkelijk met radar uitgerust werd. Het grootste probleem dat daarbij opgelost moest worden was het plaatsen van de gescheiden antennes voor zenden en ontvangen. De onafhankelijke uitvinding van de antenne duplexer in 1941 in de Sovjetunie maakte uiteindelijk mogelijk om pulsradars te bouwen waarbij slechts 1 antenne nodig was voor het zenden en ontvangen. Deze mobiele radarstations, zowel gebruikt op het land als op schepen zou bekend worden als de RUS-2S of de Redut-4.
Vliegtuigen moesten in het Rode leger nog tot 1943 wachten. In dat jaar werd de eerste luchtradar in gebruik genomen, de Gneis-2. Met een golflengte van ongeveer anderhalve meter waren ze voor die tijd zeker niet slecht te noemen en vergelijkbaar met de stand van ontwikkeling in het Westen. Na de introductie werden de vliegtuig gebaseerde radarsets in redelijk hoog tempo uitgerold, alleen al in 1943 werden 227 stuks in vliegtuigen ingebouwd.
Net zoals in de westelijke landen ging in de laatste jaren van de tweede wereldoorlog de ontwikkeling hard. In 1944 werd een verbeterde versie van de luchtverdedings-radar RUS-2 in gebruik genomen. Het bereik was ten opzichte van de vorige actieve versie aanzienlijk toegenomen. Nu konden vliegtuigen op afstanden tot 35 kilometer gedetecteerd worden bij een vlieghoogte van 1000 meter en er was een bereik van 100 tot 130 kilometer voor vlieghoogtes van 8000 meter.
Direct na de tweede wereldoorlog werd er door het Politburo een staatsprogramma voor onderzoek en ontwikkeling van radar opgericht in de Sovjetunie. Binnen dat programma verschenen een behoorlijk aantal nieuwe wetenschappelijke onderzoeksbureau’s, ontwerpbureau’s en fabrieken voor het ontwikkelen en produceren van nieuwe types radarstations. Het programma was het begin van een relatief grootschalige en zeer intensieve ontwikkeling van militaire radar in de Sovjetunie.
De enigzins speciale geopolitieke situatie in de Sovjetunie zorgde daarbij voor een werkelijk zeer grote variatie in het aantal en type ontworpen en toegepaste radarstations. Het opmerkelijke hierbij was tevens dat in de hierarchie van het Sovjetleger al vroeg de prioriteit werd gegeven aan radar. Dit leidde ook tot aanpassingen in de vooraanstaande staatsscholen van het land zodat er onderwijs gegeven kon worden in radartechnologie.
Er werd vanuit de staat ook uiteraard gekeken – hoewel niet altijd op legale wijze – naar wat er in die periode in andere landen gedaan werd op het gebied van radar. Kopieen van verkregen informatie op het gebied van buitenlandse radarstations werden op grote schaal binnen de wetenschappers verspreid. Uiteindelijk zou in de jaren 50 en het begin van de jaren 60 het eerste fundamentele werk van de eigen Sovjetwetenschappers worden gepubliceerd. Al deze staatsgeleide zaken zorgden uiteindelijk voor de al genoemde zeer snelle ontwikkeling van radar-wetenschap en dito technologie in de Sovjetunie.
En daar stoppen we voor vandaag in deel 7. Maar niet getreurd, in het volgende deel gaan we kijken naar de verdere ontwikkeling in de Sovjetunie die in de jaren 80 en verder zal leiden tot een aantal zeer speciale typen radar. Als alles tijdtechnisch een beetje mee wil zitten aan mijn kant dan kan u dit deel over twee weken in het volgende ingeroosterde bulletin van mijn hand verwachten. Wordt vervolgd…
8 – Ontwikkeling van Sovjetradar vanaf de jaren 50 en 60
In het vorige deel zijn we begonnen aan de geschiedenis van de radarontwikkeling in de Sovjetunie. We zijn daarbij gestopt vlak na de tweede wereldoorlog, toen er door het Politburo een staatsprogramma werd gestart voor de ontwikkeling van radar. Binnen dit proramma werden zoveel activiteiten en ontwikkelingen ontplooid dat het niet mogelijk is om naar alle verschillende varianten en types radar te kijken die er waren. Vandaar dat ik hier me beperk tot een representatieve selectie.
Binnen het staatsprogramma werd onderscheid gemaakt tussen drie verschillende soorten strategische en tactische radar, elk met hun eigen taak binnen het systeem. In volgorde van (start van) ontwikkeling waren dit de volgende drie types:
– Luchtverdedigingsradar voor bewaking van het luchtruim, de grens en andere objecten
– Radar voor mobiele toepassingen zoals voor grond-lucht-raketten.
– Radar voor de detectie van ballistische raketten
Binnen deze subprogramma’s werd weer functioneel onderscheid gemaakt in radar met verschillende golflengten, al dan niet mobiel of verplaatsbaar en naar vermogen. Luchtverdedigingsradar werd aangeduid met de letter P.
Zoals de meeste landen na de tweede wereldoorlog begonnen was ook de ontwikkeling van radar in de VHF-band de eerste die in de Sovjetunie verder opgepakt werd. In het begin waren dit nog vrij simpele radarsystemen, maar deze zouden door het door de staat gesubsideerde programma al snel doorontwikkelen tot een serie uitstekende detectieradars. Via de P-3, P-8 en P-10 werd de VHF radar ontwikkeld en zou uiteindelijk uitmonden in de P-18 met een bereik van tussen de 18 en 170 kilometer afhankelijk van de vlieghoogte van het doelwit – tussen de 50 meter en de 10 kilometer. Het nadeel echter van VHF-radar was naast de grote golflengte en het bijbehorende formaat antennes ook de relatief grote hoeveelheid valse reflecties. Pas in de jaren 70 zou hier een effectieve oplossing op gevonden worden. De gemoderniseerde versie van de P-18 waarin verouderde elektronische componenten vervangen waren werd uiteindelijk een van de meest populaire types in de luchtverdediging van de Sovjetunie.
Voordat dit echter zover was werd de VHF-radar gebruikt als een eenvoudige radar voor vroege waarschuwingen tegen mogelijke inkomende bedreigingen. Daarvoor werd in 1969 de P-14 “Lena” ontwikkeld, het eerste hoog-vermogen type radar dat werd gebouwd. Het effectief uitgestraalde vermogen van dit type radar was een voor die tijd behoorlijk hoog vermogen van 500 kilowatt. Uit dit type werd de P-70 “Lena-M” ontwikkeld. Dit was het eerste radarstation in eigen ontwikkeling een linear frequentie gemoduleerd signaal en een nog aanzienlijk hogere ERP van ongeveer 17000 kilowatt. Het detectiebereik van dit type radar was effectief ongeveer 700 kilometer voor de P-14 waarbij een gemiddeld jachtvliegtuig als doelwit gebruikt werd. De P-70 deed hierbij er nog een schepje bovenop met een detectiegrens van 2300 kilometer.
Ook de ontwikkeling van UHF gebaseerde radar werd in de Sovjetunie opgepakt. De P-15 “Tropa” werd in dat jaar ingezet door het Sovjetleger, een radarsysteem met detectiemogelijkheden tussen de 100 meter en 6 kilometer. De belangrijkste ontwikkeling echter van dit type radar was de mogelijkheid om bewegende reflecties te onderscheiden van statische. Na een upgrade met nieuwe elektronica en de inzet van een magnetron als zender kwam de verbeterde versie als de P-19 beschikbaar. Dit type radar zou het meest gebruikte type radar binnen het Sovjetleger worden.
In de P-19 werd ook voor het eerste ge-experimenteerd met variabele frequenties om het storen van de radar door de vijand tegen te gaan. Ook een techniek voor het samenvoegen van het beeld van verschillende pulsen werd beproefd, dit leidde tot een verbetering in doelwit weergave. Door het gebruik van de magnetron als zender kon het zendvermogen opgeschroefd worden tot 900 kilowatt met een pulsduur van bijna 2.5 picoseconden. Daarmee werd de detectiegrens opgerekt van 100 naar 240 kilometer.
In de Sovjetunie werd later de beslissing genomen om het lagere deel van de UHF band voornamelijk te gebruiken voor de detectie van objecten op kleine hoogtes waarbij de UHF-radar dit werk overnam van de eerder ontwikkelde VHF radar. Het bleek namelijk op de UHF veel eenvoudiger om detectie op lage hoogtes te doen waarbij storingen en reflecties vanaf grondobjecten konden worden genegeerd.
Het probleem om een goede detectie op kleine hoogtes te hebben werd voor de Russen extreem belangrijk toen in het midden van de jaren 80 een Duitse piloot het voor elkaar kreeg om een vliegtuigje vanuit het Westen over het Sovjet grondgebied naar Moskou te vliegen. Rust, de piloot van dit vliegtuig landde daarbij op het Rode Plein. Deze actie was een behoorlijke doorn in het oog van de Russen en UHF radar om dit in de toekomst te voorkomen kreeg het bouwen van UHF radarstations een hoge prioriteit.
Het werk aan de modernisatie van de P-19, dat het gevolg was van het vliegtuig-incident op het Rode Plein, was zeer intensief. Als resultaat van dit werk werd de eerste Russische radar ontwikkeld die volledig solid-state was. Dit type werd “Kasta-2E1” genoemd. Een verbeterde versie “Kasta-2E2” was de gemoderniseerde versie waarbij de ontwerpers het voor elkaar kregen om een zeer effectieve radar voor laagvliegende bewegende doelen te bouwen met een onderdrukking van grondreflecties en -storingen van maar liefst 54 dB. Het bereik was ongeveer 41 kilometer in het meest gunstige geval. Het systeem werd getest tegen alle vormen van kleine vliegtuigen en andere soort doelwitten die de Russen maar konden bedenken. Zo werden laagvliegende en stilhangende helikopters gebruikt, maar ook stealth vliegtuigen, onbemande vliegtuigjes en drones, kruisraketten en zelfs voortgesleepte doelen die achter schepen vastgemaakt werden.
Aan het eind van de jaren 70 kwam de ontwikkeling van de technologie rondom phase-array antennes in een versnelling. Het bovenste deel van de UHF-band bleek het meest geschikt te zijn voor deze nieuwe technologie. In de Sovjetunie werd voor deze band gekozen omdat rond deze tijd ook de ontwikkeling van solid-state versterkers en andere componenten met weinig verlies die hiervoor nodig waren op gan kwam. Het bovenste deel van de UHF-band zou uiteindelijk voor radar bekend worden als de L-band.
Een wereldwijde trend om radarstations voor luchtverkeerscontrole (Air Traffic Control, oftewel ATC) onder vliegroutes te bouwen heeft een positieve invloed gehad op de ontwikkeling van radarsystemen in de L-band. Radar voor luchtverkeerscontrole werkte in de 23-cm band. De eerste ATC radarstations waren dan ook ontworpen op basis van militaire radar. In de Sovjetunie stond een 3D radarsysteem P-90 “Pamir” model voor een prototype van een radarstation voor ATC. In dat station werden de op dat moment laatste en nieuwste technolgie van die tijd gebruikt, inclusief het gebruik van solid-state zenders en ontvangers, plus het gebruik van apparatuur voor digitale signaal- en dataverwerking.
Hoewel radar in de VHF, UHF en L-band in de Sovjetunie lang in gebruik zou blijven is het uiteindelijk de S-band geweest waarin de Russen de meeste typen radarstations ontwikkelden. Hier begonnen ze al relatief vroeg mee, in 1950 werden de eerste S-band radars P-20 “Periskop” en P-50 “Observatoriya” ontwikkeld en getest. Dit waren radars die zowel afstand als elevatie konden metenr, hiervoor werd een V-vormige beam gebruikt. De P-20 was een mobiel radarstation dat vliegtuigen op een afstand van 200 kilometer kon detecteren bij een vlieghoogte van 13 kilometer. De P-50 was het krachtigere en vaste broertje ervan dat ontworpen was om naast belangrijke (staats)objecten gebouwd te worden met een detectiegrens van ongeveer 400 kilometer bij een vlieghoogte van 16 kilometer.
Tussen de jaren 50 en de jaren 70 zou de ontwikkeling van S-bandradarstations doorgaan en de techniek ging ook in de Sovjetunie met sprongen vooruit. Aan het eind van de jaren 70 waren S-band radarstations met een effectief uitgestraald pulsvermogen van 650 tot 800 kilowatt geen uitzondering meer. Doordat de kleine golflengte het mogelijk maakte om antennes met zeer veel versterking te bouwen, gecombineerd met zeer gevoelige ontvangers en zenders met hoog vermogen kregen de radars zeer grote detectiegrens van tegen de 270 tot 350 kilometer. Daarbij werd een pulsduur gebruikt van tussen de 1.2 en 3.1 picoseconden.
En daarmee hebben we in dit deel slechts nog de luchtverdediging behandeld. Zoals al aangegeven werd vanuit staatswege het programma opgesplitst in drie delen. En ook in de andere twee radarontwikkelingen, namelijk die van de grond-lucht raketten en radar tegen ballistische raketten zijn nog een hoop interessante dingen te vinden. Die houdt u dus nog van mij tegenmoet. Wordt vervolgd…
9 – Ontwikkeling van Sovjetradar voor lucht-grond en ballistische raketten
Naast de ontwikkeling van luchtverdedigingsradar werd er ook ontwikkeld aan radar voor grond-lucht raketten. Grond-lucht raketten, ofwel Surface-to-Air Missiles (SAM) werden aan het eind van de jaren 50 niet alleen in de Sovjetunie maar in veel meer landen ontwikkeld en gebouwd. De andere spelers in deze ontwikkeling waren voornamelijk de Verenigde Station, Engeland en Frankrijk. Begin jaren 60 werden SAMs ingezet voor de bescherming van mogelijke militaire en industriele doelwitten, troepen en schepen tegen aanvallen vanuit de lucht.
Vanuit de opdracht van de Sovjetstaat werden er in deze tijd meerdere typen SAM-raketten ontwikkeld, hoewel er in eerste instantie druk gezocht werd naar een universeel systeem, bij voorkeur 1 type, dat alle mogelijke dowlwitten kon beschermen. Dat dit niet mogelijk was zou men later achter komen.
De meest bekende SAM-raket van de Sovjetunie uit de jaren 60 is toch wel de SAM S-75. Dit was een mobiel in te zetten systeem voor de middellange afstand. Hoewel het systeem militair ontwikkeld was en uiteraard daarom geheim hoorde, of liever gezegd voelde, het westen in 1961 van dit systeem. Op 1 mei 1961 ontstond er namelijk een internationaal incident toen door een S-75 een U-2 spionagevliegtuig van de Verenigde Staten werd neergehaald. Het toestel vloog op een hoogte van 22 kilometer over de Sovjetunie voor het maken van foto’s, een hoogte waarvan in de VS gedacht was dat het buiten het bereik van SAM-raketten was. Francis Gary Powers, de piloot van het toestel overleefde en werd gevangen genomen door de Russen.
In de jaren 70 en 80 veranderden de technische eigenschappen van militaire vliegtuigen aanzienlijk. Zo ging de maximale snelheid die deze vliegtuigen konden halen richting de 3 tot 3.5 mach, maar begonnen tactische vliegtuigen daarentegen met he vliegen op extreem kleine hoogtes. Ook de adoptie van onbemande vliegtuigen en lucht-grond raketten die radarbundels van SAM-stations gebruikten om deze te raken maakten het erg lastig voor SAMs en hun bijbehorende radarsystemen. En over de eerste vormen van stealth, en de verbeterde manieren om radarstations te storen of te onderdrukken zullen we maar niet hebben.
Het werd duidelijk dat een significante verdere ontwikkeling van radar voor het gebruik in SAM-stations nodig was. De snelheid waarmee luchtdoelwitten gedetecteerd konden worden ging door het gebruik van krachtige computers flink omhoog. Ook het gebruik van phased-array antennes waarmee radarbundels elektronisch gestuurd konden worden betekenden een forse vooruitgang en konden SAM-systemen beter gebruikt worden.
Daarnaast werd het in de Sovjetunie duidelijk dat het niet mogelijk was om 1 multi-functioneel SAM-systeem te ontwikkeling dat in staat was om tegen alle verschillende typen luchtdoelwit ingezet te kunnen worden. Toen dat eenmaal beseft werd ontstonden er in de Sovjetunie meerdere typen SAM-raketten die elk hun eigen sterke en zwakke punten hadden.
Een interessante vergelijking van de verschillende typen radar die in de Russische SAM gebruikt werden met diegene die in de westerse (lees Amerikaanse) SAM systemen gebruikt werden werd gepubliceerd door Dr. David Barton. Dr. Baron, een in die tijd zeer bekende Amerikaanse wetenschapper en radarspecialist, was van mening dat er een significant voordeel behaald werd door het gebruik van meerdere en verschillende radarsystemen in de Russische SAM. Door het gebruik van gespecialiseerde radar voor luchtwaarneming en vuurgeleiding kon elk type radar geoptimaliseerd worden voor de specifieke functie die deze radar had, aldus Dr. Barton. Dit leidde volgens hem tot een grotere effectiviteit en uieindelijk daarmee lagere kosten voor het SAM-systeem in zijn geheel. De vergelijking werd gemaakt met de eerste versie van de Amerikaanse SAM die 1 type radar gebruiken voor zowel de detectie als de onderschepping en de vuurleiding…
Radar tegen anti-ballistische raketten
Op 4 maart 1961 werd er voor de eerste keer ter wereld een ballistische raket onderschept op basis van radardetectie. Dit werd mogelijk gemaakt door het experimentele ‘Systeem A’ anti-ballistisch radarstation op het schiereiland Sary-Shagan bij het Balkanmeer. De snelheid van de raket was meer dan drie kilometer per seconde, de onderschepping werd gedaan door een hoog-explosieve fragmentatiegranaat.
Het probleem van het onderscheppen van raketten is voornamelijk de nauwkeurigheid waarmeee het volgen dient te gebeuren. De Russen losten dit probleem op met de hulp van een radar die vanuit meerdere stations tegelijkertijd actief was. Elk station bevatte daarvoor een monostatische pulsradar met een zeer korte golflengte in de decimeter-band. Deze stations stonden in een driehoek waarvan de zijden ongeveer 150 kilometer lang waren. Door middel van triangulatie konden de coordinaten van het doel en de onderschepper nauwkeurig genoeg bepaald en gevolgd worden.
Hoewel niet alle details rondom deze proeven ooit bekend zijn gemaakt is de nauwkeurigheid van de radarstations geschat op 5 meter of minder. De detectie van de inkomende raket vond in eerste instantie plaats op 700 kilometer afstand waarna het volgen begon. Iets minder dan 3 minuten later vond de vernietiging plaats.
In de jaren 70 en 80 ging men in de Sovjet unie door met het ontwikkeling van anti-ballistische radarstations. Overeenkomstig het ABM-verdrag dat tussen de Verenigde Staten en de Sovjetunie werd afgesloten mocht er door elk land slechts 1 anti-raket radarsysteem operationeel gebruikt worden (wat niet wilde zeggen dat hier niet aan ontwikkeld mocht worden). De Russen gebruikten hiervoor het A-35 systeem. De tests daarvan werden in 1978 voltooid waarna het rondom Moskou werd ingezet. Omdat het verdrag weinig zei over het doorontwikkelen van dit type radar werd er op het schiereiland Shary-Shagan ook nog steds experimenteel gebruik gemaakt van een ander systeem dt de Russen ‘Aldan’ noemden. Dit systeem zou later het nieuwe operationele ABM-systeem worden.
Eind jaren 80 werd het verouderde A-35 systeem rond Moskou vervangen door een nieuwe generatie ABM-radar. Dit systeem bestond uit een combinatie van lange-afstandsradar voor detectie en waarneming – Dunai-3U – plus een speciaal type onderscheppingsradar genaamd Don-2n. Het Dunai 3U-station was bedoeld voor het tijdig detecteren en daarna volgen van ballistische raketten maar werd ook wel gebruikt voor het volgen van satellieten, waarbij het type satelliet dat gevolgd werd vermoedelijk geen verdere uitleg behoeft. De eigenschappen van deze radar waren zodanig gekozen dat het mogelijk was om na detectie de coordinaten en de ballistische baan te bepalen. Om dit mogelijk te maken werden meerslots golfpijp-antenne opstellingen gebruikt die per station qua opstelling aan het terrein ter plaatse aangepast waren.
Hoewel de detectie in eerste instantie plaats vond door middel van de genoemde Dunai 3U was dit type radar niet nauwkeurig genoeg om de uiteindelijke onderschepping aan te sturen. Daarom werd Dunai 3U aangevuld met een krachtige onderscheppingsradar van het type Don-2n. Dit type radar was centimetrisch en kon daardoor een inkomende raket goed volgen. De coordinaten en de te volgen baan werden vanuit Dunai 3U doorgegeven aan de Don-stations. Deze namen vervolgens het volgen over.
Vanuit het Westen, hoewel ook daar de volgradar uitstekend ontwikkeld was, werd met argusogen naar de Don-2U radar gekeken, hoewel zoals met veel Sovjet-zaken uit deze periode details schaars waren, aangezien dit station zelfs voor westerse begrippen behoorlijk effectief was. De eigenschappen van dit type station met betrekking tot het zoeken van objecten, het volgen en bepalen van de coordinaten ervan en het aantal objecten dat tegelijkertijd gevolgd kon worden was indrukwekkend. Uiteindelijk heeft dit type radar tot het einde van de koude oorlog dienstgedaan.
Het einde van de koude oorlog en het in 1991 uiteenvallen van de Sovjetunie bracht ook een einde aan het staatsprogramma voor het ontwikkelen van radar. De landen die gevormd werden uit de voormalige Sovjetunie probeerde daarbij allemaal een deel van het programma en met name de daaruit ontwikkelde radarstations in handen krijgen, want in veel landen was er op dat moment geen of in het beste geval zeer weinig geld meer beschikbaar voor verdere doorontwikkeling.
En omdat de meeste (technische) details van de huidige radarstations in Oost Europa en de landen uit het voormalige Sovjetblok nog steeds geheim zijn en daardoor erg schaars eindigt bij het het einde van de koude oorlog ook onze geschiedenis van Russische radarstations. Maar er komt nog een vervolg, want al twee of drie delen lang beloof ik dat u van mij nog de speciale radarstations en de grappige feitjes tegoed heeft. En die belofte blijft staan. In het volgende deel gaan we (jawel, uiteindelijk) kijken naar onder andere Duga, een radarstations dat in de wereld zijns gelijke niet kende. En wat betreft die grappige zaken? Ook die komen er aan. Maar daar wil ik nog niet te veel over kwijt, laat u in het nieuwe seizoen verrassen zou ik zeggen.
10 – Duga – een heel speciaal type radar (deel 1)
In de vorige delen van deze serie over de ontwikkeling van radar hebben we eigenlijk alleen gekeken naar de wat meer normale soorten radar. Maar zeker in het licht van de koude oorlog werd er aan beide kanten van het ijzeren gordijn gewerkt aan radarapparatuur voor speciale doeleinden. Zeker toen eenmaal beide kanten beschikten over intercontinentale ballistische raketten met kernkoppen werd het door beide kanten ook belangrijk geacht dat er een goede mogelijkheid kwam om deze raketten zo vroeg mogelijk te detecteren, het liefste al gelijk direct na de lancering. En hoe dachten ze dit op te lossen? Door middel van radar natuurlijk. Welkom in de wondere wereld van wat zo mooi de over-de-horizon-kijkende radar wordt genoemd. En de Russen hadden hier een prachtige oplossing voor, waar vele zendamateurs in de koude oorlog onbedoeld mee kennis hebben mogen maken…
Duga, een heel speciaal type radar (deel 1)
De Sovjets werkten al sinds de jaren 60 aan radar voor vroege waarschuwing, dit voor het gebruik in combinatie met de ook door hen ontwikkelde anti-ballistische raketsystemen, of liever gezegd afweersystemen tegen ballistische raketten hetgeen de lading beter dekt. De meeste van deze systemen waren zogenaamde zichtsystemen, line-of-sight dus, die alleen maar bruikbaar waren voor een snelle analyse en een mogelijke onderschepping. Geen van de systemen had de mogelijkheid om een vroege waarschuwing van een lancering te geven, bij voorkeur binnen seconden of uiterlijk minuten na de lancering van een ICBM. Als dat wel mogelijk zou zijn dan zou een tijdige waarschuwing het mogelijk maken om de aanval te bekijken en een antwoord erop te plannen.
In deze periode was het satelliet-netwerk van de Sovjets voor hetzelfde doel, de tijdige waarschuwing, nog niet erg ontwikkeld en er waren twijfels over de mogelijkheden van het gebruik van en dergelijk satelliet-netwerk ten tijde van een oorlog en terwijl deze satellieten ook over vijandig grondgebied vlogen. Daarbij werd voornamelijk gedacht aan anti-satelliet-maatregelen, zoals het neerhalen, opzettelijk laten botsen of op een andere manier satellieten onbruikbaar te maken, waarbij de waarschuwingsmogelijkheden effectief te niet werden gedaan. Een radarstation dat over de horizon kon kijken zou deze problemen niet hebben en indien deze zodanig op het grondgebied van de Sovjetunie gepositioneerd kon worden dan was ook het probleem van het onbruikbaar maken opgelost. Aan het eind van de jaren 60 begon men in de Sovjetunie daarom aan de ontwikkeling van een dergelijk radarstation.
Het eerste experimentele systeem dat hieruit kwam werd Duga genoemd en werd gebouwd by de stad Mykolaiv in de Oekraine. Dit radarstation was in staat om met succes raketlanceringen te detecteren van het Baikonur Cosmodrome, ongeveer 2500 kilometer verderop. Al snel werd de experimentele versie opgevolgd door een prototype van Duga dat op dezelfde lokatie gebouwd werd. Lanceringen vanuit het verre oosten en vanaf onderzeers in de Grote Oceaan konden gevold worden terwijl de raketten richting Nova Zembla vlogen. Beide radarstations gebruikten een relatief laag zendvermogen en waren naar het oosten gericht. Maar met het concept bewezen begonnen de Sovjets al snel aan een volledig operationeel systeem. Dit systeem zou de Duga-1 worden, met een zender en ontvanger die ongeveer 60 kilometer uit elkaar stonden.
En waar komen nu dan de radiozendamateurs in dit verhaal erbij kijken? Nu dus. Op een moment in 1976 werd er wereldwijd een nieuw en behoorlijk krachtig radiosignaal ontdekt. Het nieuwe signaal kreeg al snel onder zendamateurs de bijnaam ’the Woodpecker’, de specht naar de modulatie van het signaal dat veel gelijkenissen had met een specht die op een boom hamerde. Het uitgezonden vermogen van sommige van de Woodpecker-zenders werd geschat op zo veel als 10 megawatt aan equivalent isotropisch uitgezonden vemogen. Het vermoeden bestaat echter dat de Woodpecker-zenders al eerder in de lucht waren aangezien bij sommige zendamateurs een herinnering bestaat waarbij een vergeljkbare specht-inteferentie gehoord is op de HF-banden.
Reeds in 1963, of wellicht zelfs al eerder, werd deze vorm van inteferentie op de HF-banden ‘The Russian Woodpecker’ oftewel de Russische Specht genoemd. In die tijd was er weinig tot niets bekend over de hoeveelheid vermogen die werd uitgezonden of wat de Russische naam was voor deze stations, maar waarschijnlijk was dit een experimentele voorloper van het Duga radarsysteem. In die tijd werd er ook al gespeculeerd, in ieder geval onder zendamateurs, dat dit een radarstation was dat over de horizon kon kijken.
Driehoekspeilingen door zowel radiozendamateurs, andere hobbyisten en de NATO onthulde al snel dat de signalen vanuit een lokatie in de huidige Oekraine kwamen, in die tijd de Oekrainse Sovjet Socialistische Republiek (onderdeel van de USSR) genoemd. Door kleine verschillen in de rapporten van verschillende instellingen was er enige verwarrring waar het station zich echter dan precies bevond. De plaatsing van het station werd wisselend genoemd in de buurt van Kiev, Minsk, Chernobyl of Chernihiv. Uiteindelijk beschreven de meeste rapporten dezelfde opstelling, namelijk met de zender een paar kilometer ten zuidwesten van Chernobyl – zuidelijk van Minkst en noordwest van Kiev – en de ontvanger ongeveer 50 kilometer noordoostelijk van Chernobyl – iets westelijk van Chernihiv en zuidelijk van Gomel. Door de verwarring is er zelfs enige tijd speculatie geweest dat er meerdere zenders in gebruik waren.
Het radarsysteem kreeg in de Sovjetunie de code 5H32-West en werd opgezet in twee gesloten steden. Liubech-1 bevatte twee zenders en Chernobyl-2 de bijbehorende ontvangers. Wat echter onbekend was by civiele waarnemers in die tijd was dat de NATO zich bewust was van de nieuwe installatie. Een tweede installatie werd gebouwd bij Komsomolsk-aan-Amur, bij Bolshaya Kartel en Lian. Dit station zou echter in het begin nog niet door de Sovjets gebruikt gaan worden.
De naam die de NATO aan het station Duga-1 gaf is meestal geciteerd als STEEL YARD. De meeste bronnen die nu online te vinden zijn en tevens een aantal publicaties uit het (recente) verleden gebruiken deze naam. Echter gebruiken sommige andere bronen de naam STEEL WORK of STEEL WORKS. Aangezien de “officiele” NATO bronnen nog geheim zijn is het onduidelijk welke naam nu precies de juiste is, daar is ook niet eenvoudig achter te komen. De oudste referentie in een open bron noemt de door NATO gebruikte naam voor het systeem als zijnde STEEL WORK en doet dit ook overal in deze publicatie.
11 – Duga – een heel speciaal type radar (deel 2)
In het vorige deel van deze serie hebben we een start gemaakt met het verhaal over Duga, het Russische station dat ook bekend zou worden als de Russusche Specht. Omdat het geheel te lang was voor een bulletin kunt u hieronder verder lezen over dit toch wel speciale type radar.
Zoals gezegd werd er al vanaf de allereerste rapporten vermoed dat de signalen een test waren van een radar die over de horizon kon kijken. Dit zou ook tijdens de koude oorlog de meest populaire hypothese blijven, hoewel er ook andere theorieen de ronde deden die alles bevatten van het storen van westerse uitzendingen tot communicatie met onderzeeboten. De theorie rondom het storen van westerse uitzendingen werd echter al snel verworpen toen een luisteronderzoek aantoonde dat Radio Moskou en andere pro-Sovjet radiozenders net zoveel last hadden van interferentie van de woodpecker als dat de genoemde westerse stations dat hadden.
Met het beschikbaar komen van meer informatie over de signalen werd al snel duidelijker dat het om een radarsignaal moest gaan. Het signaal bevatte namelijk een specifieke, goed herkenbare structuur in elke puls. Deze structuur werd uiteindelijk herkend als een 31-bit psuedo-willekeurige binaire code waarbij elk bit 100 microseconde breed was. In totaal waren daarmee de pulsen van de woodpecker 3.1 milliseconden lang. Deze reeks van pseudo-willekeurige pulsen waren bruikbaar voor een puls-detectiesysteem waarbij elke puls dus 100 microsonden duurt, de lengte van 1 bit uit de code. En daarmee kon ook de nauwkeurigheid van het systeem bepaald worden, namelijk de helft van de bit-pulsduur maal de lichtsnelheid, hetgeen een resolutie van 15 kilometer oplevert (de afstand die licht of in dit geval een radiosignaal) in 50 microseconden aflegt. Toen na enige tijd ook nog een tweede Woodpecker in de ether verscheen, in dit geval gebouwd in het oosten, was de conclusie van een radarstation onontkoombaar. Het tweede stations dekte namelijk precies de dode hoeken van het afstralingspatroon van het eerste station af en was richting de Verenigde Station gericht. Overduidelijk, toch?
In 1988 werd er door de Federal Communications Commission (FCC) in de Verenigde Staten een onderzoek gedaan naar de signalen van de woodpecker. Analyse van de data toonde een inter-puls periode, de tijd tussen twee pulsen, aan van 90 milliseconden, een wisselend gebruik van frequentie tussen de 7 en 19 megahertz met een bandbreedte van tussen de 20 en 800 kilohertz. De gemiddelde zendtijd was ongeveer 7 minuten. In het signaal werden drie frequenties gevonden waarmee uitgezonden werd, namelijk 10 Hz, 16 Hz en 20 Hz. De meest gebruikte daarvan was 10 Hz terwijl de andere twee zeldzaam waren.
Om de interferentie tegen te gaan werd er door operators en zendamateurs geprobeerd om het signaal te storen. Ze deden dit door gesynchroniseerde en ongemoduleerde CW signalen uit te zenden met de zelfde pulsfrequentie als het signaal dat de woodpecker uitzond. Samen vormden ze zelfs een vereniging die de Russian Woodpecker Hunting Club werd genoemd. Dit had weinig succes.
Aan het einde van jaren tachtig, toen zelfs de FCC een aantal rapporten publiceerde over de signalen, werden de signalen minder vaak waargenomen, terwijl ze in 1989 zelfs helemaal verdwenen. Hoewel de redenen achter het uitzetten van de Duga-stations nooit openbaar zijn gemaakt heeft waarschijnlijk de snel veranderende strategische balans aan het einde van de koude oorlog hier een grote invloed op gehad. Een andere factor waarvan vermoed wordt dat deze sterk bijgedragen heeft aan het uitzetten van Duga is inzetten en het succes van waarschuwingssatellieten door beide kanten van het ijzeren gordijn, hier begon met in het begin van de jaren tachtig al mee. Aan het einde van dit tijdperk waren deze eerste satellieten namelijk uitgegroeid tot een compleet netwerk van satellieten. Het satellietsysteem kon daardoor een onmiddelijke, directe en zeer goed beveiligde waarschuwing afgeven, terwijl de radar-gebaseerde systemen altijd een onderwerp bleven voor mogelijke verstoring, plus het feit dat het gebruik van over-de-horizon systemen altijd afhankelijk was van de atmosferische condities.
Volgens sommige rapporten werd het radarstation in Komsomolsk-aan-Amur, in het Russische verre oosten, in november 1989 van de militaire paraatheidsstatus afgehaald en uitgezet. Het vermoeden is dat het grootste deel van de apparatuur daarna vernietigd is terwijl de antennes en andere installaties tot schroot zijn verklaard. De originele Duga-1 lokatie is echter nog steeds grotendeels intact. Deze ligt in de 30 kilometer grote zone rondom Chernobyl kerncentrale waar niemand officieel mag wonen. Het station lijkt permanent te zijn gedeactiveerd, mede omdat het onderhoud van het station niet paste in de onderhandelingen tussen Rusland en de Oekraine over de nog wel actieve radarstations bij Mukachevo en Sevastopol. De antenne staat er nog steeds en wordt door bezoekende radiozendamateurs af te toe gebruikt in combinatie met eigen draagbare apparatuur.
De site van Duga-1 is open voor bezoeken, hoewel niet op het moment van schrijven door de huidige situatie in de wereld, maar sinds ongeveer oktober 2013 waren bezoeken te boeken. Hiervoor was een voorafgaande toestemming nodig welke in de Oekraine moest worden aangevraagd. Er zijn nog steeds reisbureaus die hiervoor boekingen accepteren en daarbij helpen met het benodigde papierwerk.
En voor wie wil weten hoe er nu, 30 jaar na het sluiten van het radarstation, uitziet die wil ik graag verwijzen naar de hieronder genoemde website. Zie daarvoor https://www.30-years-later.com/duga-radar-the-russian-woodpecker/
En daarmee eindigt het verhaal van een van de meest opmerkelijke radarstations uit de koude oorlog. Overigens is dit slechts een zijde van het verhaal, want ook de Amerikanen hadden in deze periode een radarsysteem voor tijdige waarschuwing tegen inkomende intercontinentale ballistische raketten. Zij noemden dit BMEWS hetgeen een afkorting is voor Ballistic Missile Early Warning System. Hoe kan het ook anders. Het station van de amerikanen was echter relatief bescheiden van opzet in verhouding tot Duga-1.
In een volgende aflevering van deze serie over radar gaan we nog kijken naar de zogenaamde Funnies, oftewel de grappige gevallen en rare dingen die met radar gedaan werden. Dit houdt u nog even van mij tegoed.
12 – Radar in Nederland
In de afgelopen delen uit deze serie over de ontwikkeling van radar heeft u kunnen lezen over de ontwikkeling in de vroege jaren van de radar. Daarbij heeft de focus op met name de Britten, de Amerikanen en de Russen gelegen als zijnde de pioniers in de ontwikkeling. Maar hoe zat dat eigenlijk in Nederland, deden we hier niets met deze ontwikkelingen? Zeker wel, ook in Nederland werd in de jaren 30 reeds de ‘detectie via het uitzenden en weer terug ontvangen van radiosignalen’ onderzocht en wat hier dan de mogelijkheden van waren.
Vroeg onderzoek in Nederland bestond in feite uit twee onafhankelijke delen welke in het begin niet van elkaar wisten waar ze mee bezig waren. Aan de ene kant was Philips in Eindhoven bezig met onderzoek naar microgolfsystemen. Aan de andere kant was het leger in een laboratorium bezig met het onderzoeken van een op radio gebaseerd systeem in de VHF-band. Later zouden beide partijen samen komen.
Philips in Eindhoven gebruikte hiervoor het Natuurkundig Laboratorium, het NatLab, voor fundamenteel onderzoek naar de theorie van microgolven en de producten die daaruit voort zouden kunnen komen. In eerste instantie werd hierbij voornamelijk gekeken naar hoe microgolven ingezet konden worden als communicatiemiddel. NatLab onderzoeker Klaas Posthumus ontwikkelde in het NatLab een magnetron met vier elementen en probeerde hiermee een communicatiesysteem op te bouwen waarbij parabolische antennes voor het zenden en de ontvangst gebruikt werden. Deze antennes stonden in de proefopstelling naast elkaar en werden op een grote stalen plaat gericht die op enige afstand was opgesteld. De magnetron die ontwikkeld was had last van frequentie-instabiliteit, om dit probleem te omzeilen werd er gebruik gemaakt van pulsmodulatie. Met behulp van deze proefopstelling kon geconcludeerd worden dat een stalen plaat een goede reflectie van het uitgezonden signaal gaf.
Door de betrokken onderzoekers werd ook bedacht dat deze reflecties een belangrijke rol konden spelen in het detecteren van dingen, aangezien de stalen plaat die gebruikt werd ook vervangen kon worden door andere voorwerpen. Ook daarbij werden reflecties waargenomen die vervolgens weer ontvangen konden worden. In 1937 werd er daarom door het NatLab een demonstratie georganiseerd voor de Koninklijke Marine. Deze werd verzorgd bij de ingang van de marinehaven aan het Marsdiep. Hoewel de demonstratie niet geheel volgens plan verliep, reflecties van de golven op zee verstoorden de gewenste reflecties van het doelschip, was de marine genoeg onder de indruk om een budget voor verdere ontwikkeling ter beschikking te stellen. In 1939 leidde dit tot een demonstratie van een verbeterd systeem in Wijk aan Zee waarbij een schip op een afstand van ruim 3 kilometer gedetecteerd werd.
Philips bouwde een prototype van het radarstation zoals dat gedemonstreerd was en plannen werden gemaakt om de Nederlandsche Seintoestellen Fabriek (NSF) een keten van waarschuwingsstations te laten bouwen die door middel van radar de belangrijkste havens van Nederland konden beschermen. Er werden tests in het veld gedaan maar uiteindelijk werd het project stopgezet toen Duitsland in mei 1940 Nederland binnenviel. Binnen het NatLab werd het ontwikkelwerk aan het radarsysteem in het geheim doorgezet totdat dit in 1942 onmogelijk werd.
Aan de andere kant van het verhaal was het Nederlandse leger ook begonnen met onderzoek naar het gebruik van radar. Gedurende de jaren 30 waren er weidverspreide geruchten dat er binnen het leger gewerkt zou worden aan een ‘dodelijke straal’. Dit was niet alleen binnen Nederland het geval. Daarom werd er door het parlement een commissie opgericht onder G.J. Elias die deze geruchten verder moest onderzoeken. De commissie kon al snel vaststellen dat de geruchten niet klopten en dat er nergens sprake was van dodelijke stralen die ontwikkeld werden.
Een andere uitkomst van het onderzoek van de commissie was de oprichting van een onderzoeksstation, het Laboratorium voor Fysieke Ontwikkeling (LFO). Doel van dit instituut was om het Nederlandse leger te ondersteunen. Hiervoor werd een in het grootste geheim een lokatie geopend die het Meetgebouw werd genoemd. Deze lokatie was in Waalsdorp. In 1934 begonnen twee onderzoekers, J. von Weiler en S. gratema, onderzoek naar een communicatiesysteem dat gebruikt kon worden door artilleriewaarnemers. Het systeem in ontwikkeling maakte gebruik van frequenties rond de 240 megahertz (1.25 meter golflengte).
Toen er in 1937 tests ondernomen werden met dit systeem vloog er een zwerm vogels langs, dit verstoorde de signalen. Op dat moment werd er door de onderzoekers gerealiseerd dat dit een potentiele methode was om vliegtuigen te detecteren. Op basis van dit gerapporteerde feit werd door het Ministerie van Oorlog opdracht gegeven om dit verder te onderzoeken. Weiler en Gratema gingen hiermee verder met de opdracht om een systeem te ontwikkelen dat het mogelijk zou maken om zoeklichten en afweergeschut te richten.
Het experimentele ‘Elektrische luisterapparaat’ werkte in de 70 centimeterband en gebruikte pulstransmissies met een bandbreedte van 10 kilohertz. Een schakeling om de zender en ontvanger om de beurt te blokkeren werd ontwikkeld om het gebruik van een enkele antenne mogelijk te maken. Het weer ontvangen signaal werd op een ronde beeldbuis geprojecteerd. In april 1938 kon het nieuwe systeem aan het leger gedemonstreerd worden, hierbij werd een vliegtuig op een afstand van 18 kilometer met succes gedetecteerd. Het leger wilde het apparaat echter niet hebben omdat dit niet bestand was tegen de ruwe omgeving van het slagveld.
Ook hier was uiteindelijk de marine meer ontvankelijk en werd er door hen een budget ter beschikking gesteld om de ontwikkeling van het radarsysteem af te maken. Om de geheimhouding verder te waarborgen werd het project opgesplitst. De zender werd gebouwd door het Delfts Technische College terwijl de ontvanger door de Universiteit van Leiden werd ontwikkeld. Uiteindelijk zouden tien sets gebouwd worden, dit onder de persoonlijke leiding van J. Schagen van Leeuwen, directeur van de firma Hazemeijer Fabriek van Signaalapparaten.
Het prototype had een opgewekt vermogen van 1 kilowatt met een pulslengte van 2 tot 3 microseconden en een bandbreedte van 10 tot 20 kilohertz. De ontvanger was een superheterodyne met een middenfrequent van 6 megahertz. Er werd een antenne gebruikt die bestond uit vier rijen van elk zestien halve golf-dipolen met daar achter een drie bij drie meter vierkant gaascherm als reflector. De operator van het station gebruikte een op een fiets gebaseerde aandrijving om de antenne rond te draaien terwijl de elevatie met een handzwengel aangepast kon worden.
Vlak voor de Tweede Wereldoorlog waren er een aantal radarsets klaar en eentje werd er zelfs ingezet op het Malieveld in Den Haag. Dit alles was echter vlak voor de inval van Duitsland in 1940. Gedurende de paar dagen dat het Nederlandse leger stand kon houden werd het radarstation in Den Haag met succes ingezet voor de detectie van vliegtuigen. Om echter te voorkomen dat de set in handen van de Duitsers zou vallen werd vlak voor de capitulatie het systeem en de plannen ervan vernietigd. De onderzoekers vluchtten met een van de laatste schepen dat nog wegkwam naar Engeland en namen twee gedemonteerde radarsets met zich mee.
Na de oorlog zou Nederland verder gaan met de ontwikkeling van radar maar daarbij voor een groot deel samenwerken met andere geallieerde landen. Het proefstation in Waalsdorp bestaat nog steeds en is tegenwoordig ook een museum. Helaas zijn ze op het moment van schrijven van deze tekst gesloten, maar het hele verhaal van Station Waalsdorp is te lezen op hun website. Zie daarvoor https://www.museumwaalsdorp.nl/
En daarmee zijn we nog steeds niet toegekomen aan hetgeen dat ik in eerdere delen beloofd had, namelijk de grappige verhalen rondom radar. Hoewel ik de serie eigenlijk in 2020 met het bovenstaande verhaal had willen afronden zal er dus nog een deel volgen. Tenzij ik nog andere interessante dingen rondom de ontwikkeling van radar tegenkom kunt u over een paar weken, als ik weer een bulletin mag schrijven, het laatste deel lezen waarin de genoemde verhalen dan eindelijk aan bod zullen komen.
13 – Radar-astronomie
Nadat we in de voorgaande delen naar radar specifiek gekeken hebben is het nu tijd om eens te kijken naar de randtoepassingen die van de grond kwamen als gevolg van de ontwikkeling van radar. Een van de eerste beroepsgroepen die bij de ontwikkeling van radar de potentie voor hen specifiek zagen waren de astronomen. Het doen van observaties van de maand en andere dichtbijzijnde objecten in de ruimte zou met de hulp van radar wellicht een stuk gemakkelijker kunnen.
Een van de eerste personen die zich hier mee bezig hield was Zoltan Lajos Bay in Hongarije. In 1944 was dit voor hem een hoofddoel terwijl hij bezig was om een radarsysteem te ontwikkelen. Echter werd aan het einde van de tweede wereldoorlog zijn radartelescoop door de Russen in beslag genomen, waarna hij hem opnieuw moest bouwen. Dit had een serieuze vertraging in zijn experimenten tot gevolg.
Ook in de Verenigde Staten waren astronomen er vroeg bij. Reeds in 1946 werden er door het Evans Signal Laboratory van het leger proeven gedaan met een gemodificeerde SCR-271 radar, wat in feite een aangepaste versie van de SCR-270 was (zie eerdere delen) die alleen op een vaste positie kon worden opgesteld. Dit radarstation zond uit in de VHF-band op 110 megahertz met een piekvermogen van 3 kilowatt. Onder de codenaam Project Diana werd het station gebruikt om met succes een radar-echo van de maan op te vangen, hetgeen ze al op 10 januari van dit jaar lukte. Niet lang daarna, op 6 februari, lukte het de al eerder genoemde Zoltan Bay dit ook met zijn herbouwde radarstation in Hongarije. Een opmerkelijke prestatie voor die tijd.
En daarmee was eigenlijk de radio-astronomie zoals we deze nu nog steeds kennen geboren. Veel wetenschappers die een rol hadden in het ontwikkelen van radar gingen ook met de astromie aan de slag. In de jaren direct na de tweede wereldoorlog werden er een aantal radio-waarnemingsstations gebouwd. Door de relatief hoge kosten en complexiteit om met zowel zenders als de bijbehorende ontvangers aan de slag te gaan waren er weinig stations die zich alleen met radar-astronomie kondeb bezig houden. In de praktijk werden de meeste waarnemingen in de vroege radar-astronomie gedaan als bijvangst van de reguliere radar-controle en -waarnemingsstations.
Een heel mooi voorbeeld van een radiotelescoop die alleen voor radio- en radarastronomie werd gebruikt is de Arecibo-radiotelescoop. Deze werd in 1963 in gebruik genomen en was op dat moment de grootste ter wereld. De telescoop was in eigendom van de National Science Foundation in de Verenigde Staten. Hoewel het hoofddoel van de telescoop radio-astronomie was werd er ook apparatuur ingebouwd voor radar-astronomie. Voorbeelden hiervan waren specifieke zenders op 47 megahertz, 439 megahertz en 2.38 gigahertz. Alle zenders beschikten over een hoog puls-zendvermogen. De primaire reflector van maar liefst 305 meter in doorsnede, oftewel 1000 voet, is op een vaste positie gebouwd en kan niet verplaatst worden. De telescoop kon gericht worden door de secondaire reflector te verplaatsen zodat daarmee op verschillende delen van de lucht gericht kon worden. Met deze telescoop werden in de loop van zijn levensduur verschillende belangrijke ontdekkingen gedaan, waaronder het in kaart brengen van de ruwheid van het terrein van de planeet Mars en een aantal waarnemingen van Saturnus en zijn grootste maan Titan. Een andere belangrijke mijlpaal in de geschiedenis van de telescoop was het met behulp van
radar in beeld brengen van een asteroide. Dit was de eerste keer in de geschiedenis dat dit lukte, in 1989.
Helaas is de Arecibo telescoop begin december ingestort wat een einde betekende van een tijdperk voor de radio- en radatastronomie. Geheel onverwacht kwam dit echter niet aangezien in 2017 de telescoop al een keer door de orkaan Maria beschadigd was. In 2019 en ook dit jaar knapte er echter een aantal keer onverwacht een ophangkabel van de tweede reflector en de antenneconstructie. De eigenaar, zoals al genoemd de Amerikaanse National Science Foundation, beschouwde de telescoop sindsdien als onherstelbaar. De installatie werd uit dienst genomen en er waren plannen voor een gecontroleerde afbraak. Toch kwam de instorting als een schok voor de sterrenkundige gemeenschap. De National Science Foundation zei in verschillende interviews bedroefd te zijn door wat er gebeurd was. Hoe groot de schade exact is aan de telescoop wordt op dit moment onderzocht.
Het waren echter niet alleen stations op aarde die van radar gebruik maakten en nog maken. Een behoorlijk groot aantal ruimtevaartuigen die om de maand, Mercurius, Venus en Mars draaien hadden radar aan boord om daarmee het oppervlakte van het hemellichaam waar ze om heen draaiden in kaart te brengen. Verder had de Mars Express-missie een hoog-vermogen grond penetrerende radar aan boord. En ook om de aarde draaien er verschillende satellieten die gebruik maken van radar, bijvoorbeeld voor het weer. Een andere interessante missie in dit opzicht was de Shuttle Radar Topography Mission, daarbij bracht een speciaal gebouwde radar vanuit de Space shuttle in 2000 de hele aarde (met uitzondering van enkele gevoelige delen waar geen foto’s van gemaakt mochten worden) in beeld met een resolutie van 30 meter.
Aan de andere kant van de oceaan waren de Britten ook druk bezig om hun eigen observatorium op te zetten. De universiteit van Manchester bouwden het Jodrell Bank waarnemingsstation. Bernard Lovell, een van de drijvende krachten achter dit station wilde dit station voornamelijk gebruiken voor radio-astronomie. In eerste instantie werd hiervoor een surplus radarstation uit de tweede wereldoorlog voor gebruikt, een GL-II die op 71 Megahertz werkte. De eerste waarnemingen met dit station waren de ionisatie-sporen van de Geminiden, een meteorenregen, in december 1945.
Jodrell Bank zou zich snel als een van de grootste radiostations ontpoppen, uiteindelijk zouden ze zelfs de twee na grootste in de wereld worden. Ook radar-astronomie vond hier een plekje, hoewel dit wat later was. Uiteindelijk was de grootste radio- en radartelescoop van het station, 76 meter in doosnede, net op tijd klaar om met behulp van radar de Sputnik 1 – werelds eerste kunstmatige satelliet – te volgen in oktober 1957.
Het was het verhaal van de eerste observaties en reflecties van de maan die mij triggerden om hier nog een grappige anekdote van de vertellen. Helaas past deze echter niet meer in dit bulletin, dus deze houdt u – helaas wederom – van mij tegoed. Waar we het namelijk nog over moeten gaan hebben in het verhaal van de keer dat de Verenigde Station (met succes) probeerden om meer te weten te komen over de op dat moment state-of-the-art Russische radartechnologie. De manier die ze hiervoor gebruikten was op zijn zachtst opmerkelijk te noemen. Het onderzoek vond namelijk plaats via reflectie door de maan. Affijn, dat verhaal komt er dus nog aan, in het volgende deel van deze serie. Wordt vervolgd.
14 – De keer dat Amerika radargegevens via de maan verzamelde
In de afgelopen delen van deze serie hebben we gekeken naar alle vormen van radar, zijn ontwikkeling en wat er in de loop der tijd dankzij en met radar allemaal mogelijk geworden is. Daarbij had ik nog een leuk verhaal beloofd en door het steeds maar weer vinden van extra facetten om te belichten schoof dit laatste geheel steeds verder naar achteren. Echter vandaag is het met het 14e deel nu toch echt de laatste uit de serie en hier is dat beloofde verhaal. Leest u mee over de keer dat Amerika radargegevens verzamelde… via de maan.
In 1960 maakte een U-2 spionagevliegtuig een rare foto, althans in ieder geval een foto die voor een hoop verwarring zorgde. Op de foto styond namelijk een enorme nieuwe antenne op Sovjet grondgebied. Het meest aparte eraan was dat deze naast een testgebied voor raketten was neergezet. De CIA en andere inlichtingendiensten van Amerika hadden direct het vermoeden dat deze antenne-opstelling iets te maken moest hebben met een nieuw radarsysteem. En uiteraard wilden ze graag uitzoeken wat voor een nieuw systeem dat dan was en wat de mogelijkheden en functionaliteit er van waren. Helaas stond het nieuwe station diep in Sovjet-territorium en werd dit territorium goed verdedigd. Normale onderzoeksmethoden waren niet bruikbaar en ook het sturen van een spion stond niet op de lijst van dingen die geprobeerd konden worden.
Daarom besloten de inlichtingendiensten om het op een andere manier te proberen, iets dat relatief gezien pas ontdekt was en een methode die nog niet eerder gebruikt was. Maar wat dan? Eerst maar even de geschiedenis. In 1946, zoals we in eerdere delen van de geschiedenis hebben kunnen lezen, was binnen het Amerikaanse leger het Signal Corps bezig geweest met het proberen om signalen via de maan te laten weerkaatsen. Hiermee wilden ze bewijzen – en dat is ze ook gelukt – dat de maan een geschikte bodemgesteldheid had om radiosignale te weerkaatsten en daarmee te relayeren. Toen aangetoond werd dat het inderdaad mogelijk was om signalen op de maan te laten weerkaatsen besteede de Amerikaanse marine de daaropvolgende tien jaar om een systeem te ontwikkelen dat het mogelijk zou maken om communicatie tot stand te brengen tussen schepen op afgelegen plekken en hun thuishavens. Hoe wilden ze deze signalen dan versturen? Inderdaad, door ze via de maan te reflecteren.
Terug naar onze inlichtingendiensten in 1960. Nadat de CIA het verzamelen van inlichtingen over het nieuwe systeem via overvliegende vliegtuigen had uitgesloten werd er besloten om het project letterlijk ‘naar de maan’ te laten gaan. Het idee was om zeer gevoelige antennes op de maan te richten en dan te wachten totdat de Sovjets een object zouden proberen te vinden dat vanuit het station gezien voor de maan langsvloog. Wanneer de radiogolven voorbij het object waren zouden ze de maan raken en daarna naar de aarde worden teruggekaatst waarna de antennes van de CIA deze signalen zou kunnrn opvangen. Dit zou voldoende informatie moeten opleveren om uit te zoeken hoe het nieuwe radarstation van de Sovjets werkte.
Nadeel was dat een poging om dit te ondernemen een set werkelijk enorme ontvangstantennes vereiste. De meeste antenne-opstellingen die volgens de CIA hiervoor zouden voldoen waren meer dan 50 meter breed. Het voorstel dat het beste zou voldoen was voor een 200-meter grote schotel die met grote precisie op de maan gericht zou moeten worden. Deze werd echter nooit voltooid, dit in tegenstelling tot sommige van de andere antenne-voorstellen. En dan nog zou het geluk aan de zijde van de CIA moeten zijn gegeven het feit dat en de Russen de radar in de richting van de maan moesten gebruiken en dat ze precies op dat moment aan het luisteren waren en dat de maan precies op de juiste plek aan de hemel stond zodat beide plekken in beeld waren en de hoek van reflectie precies goed was…
De CIA had dat geluk vreemd genoeg echt. De eerste doorbraak kwam in 1962 toen de Sovjetunie onbedoeld gereflecteerde signalen uitzond. Dit was echter niet via de maan, maar de reflcties kwamen door hun eigen tests met atoombommen. De nucleaire ontploffing veroorzaakte namelijk een wolk van geioniseerde lucht waartegen het radarstation weerkaatst werd en waardoor er een beperkte onderschepping van de signalen mogelijk was.
In 1964 was de CIA in staat om op regelmatige basis informatie te verzamelen van het Russische radarstation dat inmiddels ‘Het Kippenhok’ werd genoemd. Deze signalen kwamen inderdaad via de maan zoals ze eerder bedacht hadden. Een speciaal voor de ontvangst van deze signalen aangepast ontvangsststation in Palo Alto, Californie kreeg de signalen binnen. Tot grote verrassing en vreugde van de CIA begonnen de Russen als oefening met het volgen van de maan met behulp van het radarstation. Hierdoor kreeg de Verenigde Staten tot 30 minuten aaneengesloten data om te ontvangen.
Een historisch document van de CIA hierover schrijft: ‘We verwachtten een regelmatige scan, oftewel zoekmodus te zien en een volgmodus waarbij de straal een doelwit volgt. Beide zaken werden waargenomen. In de volgmodus stelden de Sovjets de radar in om de maan te volgen, soms wel tot een half uur achtereen. Dit was blijkbaar een soort van oefening. Dit maakte onze onderscheppings-opdracht een stuk gemakkelijker aangezien we het signaal continu konden volgen in plaats van alleen maar korte pulsen als de straals langs de maan ging’.
Uit alle ontvangen data werd ingeschat dat het nieuwe radarsysteem behoorlijk verfijnd was. Het had niet alleen mogelijkheden om individuele doelwitten te identificeren en te volgen maar kon dit ook met meerdere doelwitten tegelijketijd en kon snel schakelen tussen deze doelwitten. Het systeem was daarbij zo snel dat de CIA ervan overtuigd was dat dit door een computer bestuurd werd, iets waar de Amerikanen op dat moment zelf pas mee begonnen waren en waarvan werd ingeschat de Sovjets een aantal jaren qua computertechnologie op hen achter lagen.
Al met al was de conclusie dat het nieuwe syteem een serieuze bedreiging kon zijn voor de Amerikanen. Overigens zou pas later aan het licht komen dat het radarsysteem ontworpen was voor het volgen en mogelijkerwijs uitschakelen van ballistische raketten. Als de Sovjets daar succes in zouden hebben dan zou dit een sterke negatieve impact hebben gehad op de Amerikaanse nucleaire afschrikkingsmethoden. En zoals altijd ging er dank uit naar de CIA omdat ze door deze onderscheppingen het mogelijk hadden gemaakt om de Russen in te halen en de voorsprong op nuclair gebied weer te verkrijgen. De methode daartoe was onorthodox maar volgens bepaalde bronnen geclassificeerd als zijnde erg vindingrijk en een prachtig stukje waaghalzerij…
Daarmee zijn we nu toch echt aan het einde gekomen van deze serie over de ontwikkeling van radar. Een serie waarvoor ik in eerste instantie ‘slechts’ 8 delen in gedachten had maar wat er nu dus 14 zijn geworden. Ik hoop dat u allen in het afgelopen jaar, want zo lang hebben we er uiteindelijk over gedaan om al deze delen uit te zenden, veel leesplezier aan heeft gehad. En wat nu? Wellicht dat u het al in een eerdere uitzending heeft gehoord – ik ben inmiddels bezig aan het maken van een nieuwe serie, een ander onderwerp maar hopelijk net zo interessant, en ik hoop in het volgende bulletin dat ik mag schrijven over een aantal weken hier mee te kunnen beginnen.
Michiel PE1SCM
Bron: Verschillende artikelen op internet, lijst bekend bij auteur
Samengevoegd en geredigeerd door Michiel PE1SCM