Kraków 2013-05-02
Zarys historii nawigacji. Początki techniki radiowej.
W poprzednich rozdziałach, dotyczących nawigacji w okresie 1918—1939, przedstawiliśmy najważniejsze problemy rozwoju lotnictwa komercyjnego i towarzyszącej mu nawigacji. Jak wykazaliśmy, postęp był ogromny. Lotnictwo, a razem z nią nawigacja, rozwijały się ewolucyjnie i systematycznie. Niestety ten rozwój został zahamowany rozpętaniem drugiej wojny światowej przez zarazę germańską oraz ich braci moskali, po raz drugi. Cywilne samoloty trafiły do wojska. Zamiast przynosić rozwój ludzkości, siały zniszczenie i śmierć. Fabryki budujące samoloty komercyjne, sportowe i turystyczne, musiały przestawić się na budowę myśliwców, szturmowców, bombowców i maszyn rozpoznawczych.
Czy w takich warunkach, mogła się rozwijać nawigacja i powiązana z nią łączność? Oczywiście, że nie. W Europie, ruch pasażersko-towarowy został całkowicie wstrzymany. Wszystkie linie lotnicze zawiesiły swoją działalność lub zostały zmilitaryzowane. Nawet na terenie USA, który nie był objęty bezpośrednimi działaniami wojennymi, ruch towarowo-pasażerski (po ataku na Pearl Harbor w dniu 7 grudnia 1941 roku) zmniejszyły się o 85 %. Nie jest prawdą, że rozwój techniki wojennej popycha cywilizację do przodu. Wręcz przeciwnie. Cofa człowieka, wyzwala w nim najniższe instynkty i doprowadza do myślenia – Jak przedmiotami codziennego użytku, pozbawić drugiego człowieka wolności, a nawet jak go zabić? Nie jest prawdą, że druga wojna światowa doprowadziła do powstania stacji radiolokacyjnych. Nie jest prawdą, że podczas wojny opracowano kabiny ciśnieniowe samolotów. I takich przykładów można mnożyć. Natomiast jest prawdą, że druga wojna światowa doprowadziła do powstania bomby atomowej (jądrowej).
Stacja radiolokacyjna.
Stacja radiolokacyjna powszechnie nazywana jest radarem. Do etymologii tego słowa jeszcze powrócimy. Historia radaru zaczyna się z końcem XIX wieku. W tym czasie, wielu naukowców pracowało nad zjawiskami towarzyszącymi energii elektrycznej i lampami próżniowymi. Jednym z nich był Nikola Tesla. W 1887 roku, potrafił on wytworzyć na tyle silne promieniowanie katodowe, że udało mu się zaobserwować jego negatywny wpływ na istoty żywe. W 1892 roku, Nikola Tesla udowodnił, że przy pomocy promieniowania katodowego można obserwować wnętrze ciała człowieka i utrwalić to na kliszy fotograficznej. Później promienie te nazwano promieniami X. Badania te i innych naukowców udowodniły, że można wytworzyć taki rodzaj fal, który jest przenikliwy przez niektóre materiały, a przez inne nie.
Istotne odkrycia i wynalazki:
W 1880 roku, amerykański profesor John Trowbridge wykorzystując przewodnictwo wody, osiągał połączenia pomiędzy statkami i stacjami brzegowymi.
W 1882 roku, Dolbear otrzymał patent na „bezprzewodowy indukcyjny system nadawania i odbioru” wykorzystujący cewkę indukcyjną i słuchawkę. Patent ten został potwierdzony w 1886 roku.
W 1885 roku, germański fizyk Heinrich Hertz prowadził eksperymenty mające praktycznie zweryfikować teorię pola elektromagnetycznego opracowaną przez Jamesa Clerka Maxwella i opublikowaną w 1864 roku.
W 1885 roku, Thomas Alva Edison opatentował system łączności poprzez indukcję elektrostatyczną pomiędzy dwiema stacjami zawierającymi anteny umieszczone na masztach. Wynalazek opatentował.
W 1888 roku, Hertz, wytworzył, przesłał na odległość i wykrył fale radiowe, o długości około 5 i 50 cm. Stwierdził, że fale te odbijają się od różnych przedmiotów i ogniskował je za pomocą reflektorów.
W 1890 roku, Angielski inżynier John Ambrose Fleming opublikował artykuł opisujący działanie lampy elektronowej, tak zwanej diody.
W 1890 roku, Nikola Tesla opatentował swój transformator, który stał się podstawą wielu wczesnych radiowych urządzeń nadawczych.
W 1891 roku, Francuski fizyk Édouard Branly skonstruował koherer, urządzenie umożliwiające wykrywanie fal radiowych.
W 1893 roku, Tesla prowadził badania nad bezprzewodowym systemem przekazywania informacji. Obiektem była zdalnie sterowana łódź pływającą po rzece Hudson.
W 1894 roku, Oliver Lodge w trakcie publicznych wykładów kilkukrotnie demonstrował układ do radiowej transmisji informacji z odbiornikiem opartym o koherer. W trakcie prezentacji używał również alfabetu Morse’a.
W 1896 roku, Aleksander Popow, moskal, nawiązał łączność przy pomocy elektromagnetycznych klucza telegraficznego i alfabetu Morse’a, między dwoma budynkami na odległość 250 m i przesłał pierwszy radiogram. Zauważył on także, że przedmioty ustawione na drodze między nadajnikiem a odbiornikiem mogą przerwać przepływ fali elektromagnetycznej. Podobnych odkryć dokonali inni uczeni i badacze, jeszcze w XIX wieku.
W 1896 roku, po Tamizie pływała zdalnie sterowana radiowo łódź, zbudowana przez Wilsona i Evansa.
W 1897 roku, Marconi otrzymał brytyjski patent na swój bezprzewodowy system telegraficzny. Po raz pierwszy zademonstrował publicznie swoje urządzenia. Na Kanale Bristolskim uzyskał łączność na odległość około 36 kilometrów. Uzyskał poparcie ważnych brytyjskich instytucji: poczty i marynarki.
W 1897 roku, Lodge opatentował zasady dostrajania nadajnika i odbiornika do tej samej częstotliwości. To fundamentalna podstawa transmisji radiowej. Rozwinęły się także systemy antenowe.
W 1900 roku, Tesla zaproponował system wykrywania ruchomych obiektów za pomocą fal radiowych (radar), czyli teoretycznie opracował radar.
W 1901 roku, Landell de Moura, brazylijski ksiądz, po raz pierwszy zademonstrował publicznie radiową transmisję głosu ludzkiego (na odległość 8 kilometrów, w São Paulo).
W 1904 roku, Inżynier Christian Hülsmeyer opatentował w Anglii, okrętowy system unikania przeszkód i system nawigacyjny, oparty na urządzeniu wykorzystującym odbicie fal radiowych (radarze) nazwany Telemobiloscope.
W 1904 roku, Marconi podpisał umowę z liniami żeglugowymi Cunard Line, na wyposażenie ich statków w radiotelegraficzne systemy łączności.
W 1904 roku, amerykański inżynier Frank Sprague wynalazł obwód drukowany.
W 1904 roku, amerykański inżynier Harry Shoemaker skonstruował torpedy sterowane radiowo.
W 1905 roku, Fessenden uruchomił pierwszy kanał radiowy – radiofoniczną transmisję mowy i muzyki. Tak powstała pierwsza stacja radiowa.
W 1906 roku, amerykański fizyk Lee de Forest wynalazł triodę, trójelektrodową lampę elektronową, posiadającą możliwość wzmacniania sygnału. Umożliwiła ona gwałtowny rozwój techniki radiowej. Lapa ta na pół wieku stała się podstawą elektroniki.
W 1907 roku, duńczyk Valdemar Poulsen przeprowadził transmisję muzyki za pomocą swojego nadajnika iskrowego o mocy 1 kW i antenie o wysokości 60 m. Audycja była słyszalna w odległości 600 km.
W 1910 roku, W.R. Ferris po raz pierwszy przesłał radiotelegram z samolotu.
W 1910 roku, T. Baker zademonstrował metodę przesyłania obrazu fotograficznego za pomocą radiotelegrafii.
W 1911 roku, A. Blondel zaprezentował samolot zdalnie sterowany radiowo.
W 1912 roku, Sinding i Larsen przeprowadzili radiową transmisję sygnału telewizyjnego, używając trzech kanałów: jednego dla dźwięku, drugiego dla obrazu i trzeciego dla synchronizacji obrazu i dźwięku.
W 1913 roku, została uruchomiona transmisja stałych sygnałów czasu z wieży Eiffla w Paryżu dla celów nawigacji morskiej.
W 1914 roku, inżynier Hammond wykorzystał pętlowe anteny kierunkowe do budowy radionamiernika dla celów nawigacji morskiej.
W 1915 roku, Spółka AT&T przesyła ludzki głos drogą radiową przez Atlantyk. Sygnał nadawany z Waszyngtonu był słyszalny na Hawajach i w Paryżu.
W 1919 roku, Robert Watson-Watt opatentował radar krótkofalowy.
W 1919 roku, w Pittsburgu (USA) rozpoczęto pierwsze regularne nadawanie programu radiowego.
W 1920 roku, C.E. Prince zainstalował nadajniki radiotelefoniczne na samolotach.
Z przytoczonych przykładów wynika, że za pomysłodawcę i wizjonera stacji radiolokacyjnej możemy uznać Nikola Tesla, genialnego i zarazem szalonego naukowca. Wiele jego pomysłów się zmaterializowało, ale wiele czeka jeszcze na opracowanie. Bez wątpienia Nikola Tesla został uznany za twórcę radia, wygrywając już po śmierci, proces sądowy z Guglielmo Marconi. Guglielmo Marconi w swoim radiu wykorzystał 17 patentów Nikola Tesla. Pisząc o Nikola Tesla trudno nie wspomnieć, że nie dostał on Nagrody Nobla, co jest kolejnym dowodem na brak obiektywizmu Królewskiej Szwedzkiej Akademii.
Nikola Tesla udowodnił, że fale elektromagnetyczne mają właściwości identyczne jak fale świetlne, a różnią się jedynie częstotliwością. Wykazał również, że fale elektromagnetyczne mogą być odbijane przez metalowe przedmioty. Udowodnił, że ulegają one refrakcji, podczas przejścia przez wykonany z dielektryka pryzmat. Odkrył fale, które zostały nazwane promieniami X. Zrealizował idee prądu przemiennego (zmiennego), który okazał się korzystniejszy niż prąd stały.
W 1907 roku, Nikola Tesla wysunął projekt zastosowania do wykrywania germańskich okrętów podwodnych ultrakrótkich fal radiowych, w postaci bardzo krótkich impulsów, o mocy rzędu kilku tysięcy kilowatów. Ówczesny poziom radiotechniki nie pozwalał na wytwarzanie impulsów o takiej mocy, jednak większość dzisiejszych radarów jest radarami impulsowymi.
Prace w USA.
W okresie wielkiej wojny światowej, w USA naukowcy wojskowi intensywnie pracowali na rozwojem łączności bezprzewodowej. Wykorzystali zarówno niskie jak i wysokie częstotliwości. Jednymi z nich byli; Hoyt Taaylor i Leo C. Young. W 1919 roku, los zetknął ich razem. W 1922 roku, zaobserwowali oni, że przepływające po rzece Potomac statki powodowały wahania przypadkowe fal radiowych, między radiowym nadajnikiem, a odbiornikiem, umieszczonych na przeciwnych brzegach. Dzisiaj urządzenie takie nazwalibyśmy radarem bistatycznym, o fali ciągłej. Ttermin bistatyczny oznacza, że nadajnik i odbiornik radaru umieszczone są w różnych miejscach, odległych nawet o kilkadziesiąt kilometrów.
Odkrycie to (jego stuprocentowa powtarzalność) spowodowało, że powołano specjalny Wydział Radia, którego szefem został Hoyt Taaylor, a Leo C. Young, jeden z jego czołowych naukowców.
Pierwsze było proste urządzenie, które służyło do zakłócania fal radiowych. Przy jego pomocy można było wykryć obiekt (statek, samolot), ale nie można było określić jego kursu, położenia lub prędkości. W grudniu 1934 roku, zbudowano aparaturę do wykrywania samolotu w odległości jednej mili (1,6 km), lecący nad rzeką Potomac. Chociaż zasięg detekcji był mały i wskazania na monitorze oscyloskopu niewyraźne, to wykazano słuszność tych założeń. Praca doprowadziła do budowy projektu radaru, o częstotliwości 200 MHz. W 1930 roku, amerykański radar po raz pierwszy wykrył lecący samolot.
Można także wspomnieć, że od 1930 roku, w USA pracowano nad sposobami wykrywania samolotów wykorzystując ich fale akustyczne i promieniowanie podczerwone. Szczególnie ten drugi temat był interesujący. Chciano wykorzystać promieniowanie cieplne emitowane przez silniki samolotu lub ich urządzenia pokładowe, ewentualnie wykorzystując reflektory naziemne o dużej mocy, wysyłające promieniowanie podczerwone (z użyciem filtrów) i odbierające odbite fale od lecącego samolotu.
Doświadczenia z impulsowego radaru były kontynuowane. Przede wszystkim udoskonalano odbiornik do obsługi krótkich impulsów. W czerwcu 1936 roku, pierwszy prototyp radaru system KLR, pracujący na 28,6 MHz, umożliwił wykrycie samolotu z odległość do 25 mil (40 km). Radar został oparty na sygnałach niskiej częstotliwości, (przynajmniej według dzisiejszych standardów), a tym samym wymagał anten dużych, co było niepraktyczne dla statku lub samolotu. W październiku 1936 roku, przeprowadzono kolejne udane eksperymenty. Nadajnik i odbiornik umieszczono na wybrzeżu USA. Nadajnik od odbiornika był oddalony o 1 milę. W dniu 14 grudnia 1936 roku, udało się wykryć samoloty lecący z i do Nowego Yorku z odległości 7 NM (11 km).
W 1937 roku, zbudowano pierwszy radar funkcjonujący na pokładzie okrętu. W 1939 roku, rozpoczęto produkcję seryjną radarów instalowanych na pokładach okrętów US NAVY. Nazwę „radar” utworzyli oficerowie marynarki USA F.R. Furth i S.M. Tucker. Był to akronim od pierwszych liter wyrazów: Radio Detection And Ranging, co oznacza wykrywanie i określanie odległości przy pomocy radia. Angielska wersja tego skrótu to Radio Aids for Defence And Reconaissance, co oznacza radiowe pomoce dla obrony i rozpoznania. Po 1945 roku, zaczęto objaśniać ten skrót wyrazami; Radio Direction And Range lub Radio-Angle Direction And Range. W Polsce używana była nazwa Stacja Radiolokacyjna, do 1989 roku. Następnie przyjęto Zachodnią nazwę Radar. Jeśli radar służył tylko do celowania, to nazywano go celownikiem radiolokacyjnym.
W 1923 roku, francuz M. Bravel zastosował obracaną antenę do określania kierunku obiektów. Wynalazek był niezwykle istotny. Dzięki niemu, można było w terenie określić swoje położenie, namierzając źródła promieniowania elektromagnetycznego, o znanych współrzędnych. To był początek radio-namierzenia.
Prace w UK.
Awanturnicza postawa germańców, w okresie dwudziestolecia międzywojennego, doprowadziła w Wielkiej Brytanii do pomysłu wykorzystania radaru, jako elementu ostrzegania przed inwazją morską lub lotniczą. Radar bistatyczny nie bardzo się do tego nadawał. Rozwija się więc idea radaru monoststycznego. Drugim kierunkiem pracy było generowanie fal elektromagnetycznych w kierunku zakresu wysokich częstotliwości. Anglikom udało się unowocześnić lampę mikrofalową zdolną generować energię pola elektromagnetycznego, o dużej częstotliwości i dużej mocy. Brytyjczycy później swój wynalazek udostępnili amerykanom.
W Anglii najbardziej jest znane nazwisko Sir Robert Watson-Watta. Problem nabrzmiał, kiedy w 1933 roku, germańcy demokratycznie wybrali Hitleta na swojego przywódcę. Wielka Brytania zaczęła poważnie się obawiać powtórki sytuacji z 1914 roku. W 1934 roku, Ministerstwo Lotnictwa powołało komisję pod przewodnictwem Sir Henry Tizarda. Perspektywa bombardowań z ciężkich bombowców cywilnych obszarów wysp brytyjskich powodował niepokój rządu. Zabezpieczenie artyleryjskie wydawało się niewystarczające. Germańskim bombowcom wystarczyłoby tylko 20 minut na dokonanie ataku, którego brytyjskie samoloty myśliwskie nie zdążyłyby odeprzeć. W tym czasie istniała plotka, że armia germańska posada już super broń, wykorzystującą fale radiowe zdolne do zniszczenia miast i ludzi. W UK zadano sobie wówczas pytanie – Czy możliwe jest stworzenie fal radiowych zdolnych spowodować śmierć załogi nadlatującego wrogiego samolotu? Pytanie to zrodziło się w Wydziale Badań Naukowych w Ministerstwie Lotnictwa, w styczniu 1935 roku. Sprawą zajął się zespół Sir Robert Watson-Watta, który przeprowadził analizy i obliczenia i wykazał, że jest to możliwe, ale nie w obecnym stanie techniki. Jeden z pracowników, Arnold Wilkins zauważył jednak, że odpowiednia stacjonarna aparatura będzie w stanie wykryć nadlatujący samolot, chociaż go nie zniszczy, a nawet nie da znać załodze, iż została wykryta (namierzona). Dlatego programu nie przerwano, ale zmieniono jego założenia.
W dniu 12 lutego 1935 roku, Sir Robert Watson-Watt wysłał tajną notatkę, proponowanego systemu do Ministerstwa Lotnictwa. Zaproponował w niej zbudowanie systemu wykrywania i lokalizacji samolotu metodami radiowymi. Chociaż nie było to tak ekscytujące, jak germańskie promienie śmierci, jednak koncepcja miał przyszłość. Zanim Ministerstwo Lotnictwa przekazało fundusze, poproszono o demonstracje możliwości i dowód, że fale radiowe wykryją nadlatujący samolot. Demonstrację przeprowadzono w dniu 26 lutego 1935 roku. Wykorzystano do tego celu jedną ze stacji nadawczych krótkofalowych radia BBC w Daventry. W odległości około 10 000 m rozłożono dwie anteny w taki sposób, aby fale odbite od lecącego samolotu mogły zostać odebrane, jako mocniejszy sygnał i zobrazowane na wskaźniku CRT. Był to radar zwany obecnie jako radar pasywny. Do eksperymentu wykorzystano samolot Heyford Handley Page, który kilkakrotnie przeleciał dokładnie nakazaną mu trasą. Za każdym przelotem widoczny był wyraźny sygnał i eksperyment zakończył się sukcesem. Była stuprocentowa powtarzalność eksperymentu. Cel eksperymentu był tak tajny, iż wiedziały o nim tylko 3 osoby; Sir Robert Watson-Watt, Arnold Wilkins oraz jedna osoba z Ministerstwa Lotnictwa. W dniu 2 kwietnia 1935 roku, Sir Robert Watson-Watt otrzymał patent na urządzenie radiowe do wykrywania i lokalizacji samolotu. W maju 1935 roku, program przeniesiono do ośrodka w Orford Ness. W czerwcu 1935 roku, osiągnięto wykrywalność samolotów z odległości 27 km, co było już wystarczającym zasięgiem. Ale już w grudniu 1935 roku, osiągnięto dystans wykrycia blisko 100 km.
Pierwsze radary postawiono przy ośrodku w pobliżu Orford Ness oraz w Bawdsey Manor. Zespół Sir Roberta Watson-Watt stworzył urządzenia przy użyciu istniejących i dostępnych podzespołów. Dzięki temu prace posuwały się bardzo szybko i możliwa była produkcja seryjna. Radary umieszczono na wieżach. Tak powstał system 5 radarów dalekiego zasięgu typu CH (Chain Home), na wschodnim wybrzeżu Wielkiej Brytanii, który pracował od grudnia 1935 roku. Pierwsze pełne testy okazały się nieudane. Nie z powodu wad radarów, ale z powodu skomplikowanego systemu przesyłania informacji, w czego efekcie myśliwce były w powietrzu po tym jak bombowce dokonały już pozorowanego ataku. W efekcie dalszych prac stworzono system dowodzenia i kontroli obrony powietrznej, który wcześniej nigdzie na świcie nie istniał. W jego centrum był room map, do którego spływały wszystkie informacje i stąd wydano wszystkie rozkazy. W 1937 roku, wyniki były tak zachęcające, że zdecydowano się na postawienie kolejnych 17 radarów w systemie stałych wież radarowych, wzdłuż wschodniego i południowego wybrzeża Anglii. System ten odegrał kluczowa rolę w Bitwie o Anglię. Do końca drugiej wojny światowej system posiadał już ponad 50 stacji radiolokacyjnych.
Armia germańska wiedziała o powstawaniu systemu Chain Home, ale sadzili, że przeznaczony on jest do zapewnienia łączności dalekiego zasięgu z okrętami marynarki wojennej. Próbowali sprawdzić system za pomocą sterowca Zeppelin LZ 130, który mylnie potwierdził teorię, co było na rękę Brytyjczykom. Mało tego, już w czasie drugiej wojny światowej germańcy ocenili, że brytyjskie radary są, ale nie pracują. Powodem takiego błędu, była nieświadomość, że radary UK pracowały już na wyższych częstotliwościach, których germańcy nie rejestrowali.
Największym osiągnięciem zespołu Sir Roberta Watson-Watt było zbudowanie magnetronu wnękowego, czyli lampy elektronowej, generującą precyzyjne fale radiowe o bardzo wysokiej częstotliwości.
Już w 1936 roku, zespół Sir Robert Watson-Watta pracował nad radarem pokładowym dla samolotów bombowych. Naukowcy ocenili, że w powietrzu radar pokładowy powinien mieć masę poniżej 90 kg (200 lb), kubaturę poniżej 216 litrów (8 ft3) oraz moc w impulsie nadawczym 500 watów. Wspomnimy, że do nawiązania łączności radiowej na odległość do 40 km wystarcza moc 1 wata, a przy antenie kierunkowej, dystans zwiększa się do 100 km.
Prace we Francji.
Trzecim krajem, który zdobył spore sukcesy w radiolokacji była Francja. Już od 1927 roku, francuscy fizycy eksperymentowali z magnetometrami i innymi urządzeniami emitującymi fale elektromagnetyczne. Cały czas próbowali zmaterializować układ zgodny z zasadami opracowanymi przez Tesla. Udało się im uzyskać fale o długości 16 cm. W 1934 roku, złożyli wniosek patentowy na urządzenie służące do wykrywania przeszkód przy użyciu ciągłego promieniowania ultra-krótkich długościach fal, wytwarzanych przez magnetron. Urządzenie dokonywało pomiary azymutu i odległości, ale nie na ekranie, tylko przy pomocy przyrządów wskazówkowych. Testy prowadzono na wybrzeżu morskim i na okrętach. Okręty były wykrywane z odległości 10-12 NM. Z uwagi na zbyt niskie fundusze, badania się przeciągały i do wybuchu drugiej wojny światowej system nie został wprowadzony na uzbrojenie. Jednocześnie w 1938 roku, we Francji prowadzono intensywne prace nad radarami do wykrywania lecących samolotów. Udało się osiągnąć doskonały wynik wykrycia, aż 55 km (34 NM). Dalsze pracy trwały już w czasie drugiej wojny światowej. Było już jednak za późno na stworzenie systemu obrony i wykrywania. Francuzom nie pozostało nic innego, jak podzielenie się swoimi osiągnięciami z sojusznikami (UK i USA).
Druga wojna światowa.
Germańcy razem ze swoimi braćmi moskalami rozpoczęli drugą wojnę światową. W jej efekcie zamiast rozwijać systemy radiolokacyjne, germańcy spoczęli na dotychczasowych osiągnięciach. Natomiast w USA i UK stacje radiolokacyjne wciąż były udoskonalane. Udało się zmniejszyć rozmiary urządzenia, a szczególnie samej anteny, co umożliwiło umieszczenie radaru na pokładzie samolotu. Tak narodził się lotniczy radar pokładowy.
Wymuszony działaniami wojennymi postęp technologiczny doprowadził do zbudowania radarów montowanych na okrętach. Służyły one do wykrywania okrętów nieprzyjaciela i korygowania prowadzonego ognia artyleryjskiego. Tak narodził się celownik radiolokacyjny, który później trafił na pokład samolotów myśliwskich. Stosując radary pokładowe, zauważono, iż na ekranie radaru widać blady, ale wierny obraz terenu pod samolotem. Zjawisko to wykorzystano do zbudowania brytyjskiego radaru H2S, przeznaczonego do dokładnego oznaczania celów dla samolotów bombowych. Radar ten był do końca wojny jedną z najpilniej strzeżonych tajemnic.
Opracował Karol Placha Hetman