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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Radar. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Radarstation (Radar), Radar (engl. Radar von Radio Detection and Ranging – Radio Detection and Ranging) – ein System zur Erkennung von Luft-, See- und Bodenobjekten sowie zur Bestimmung ihrer Reichweite, Geschwindigkeit und geometrischen Parameter. Es verwendet eine Methode, die auf der Emission von Radiowellen und der Registrierung ihrer Reflexionen von Objekten basiert.
Eine der wichtigsten Funkanwendungen ist Radar geworden, d. h. die Verwendung von Funkwellen zur Bestimmung des Standorts eines unsichtbaren Ziels (sowie der Geschwindigkeit seiner Bewegung). Die physikalische Grundlage des Radars ist die Fähigkeit von Funkwellen, von Objekten reflektiert (gestreut) zu werden, deren elektrische Eigenschaften sich von den elektrischen Eigenschaften der Umgebung unterscheiden. Bereits 1886 entdeckte Heinrich Hertz, dass Funkwellen von metallischen und dielektrischen Körpern reflektiert werden können, und 1897 entdeckte Popov bei der Arbeit mit seinem Funksender, dass Funkwellen von den Metallteilen von Schiffen und ihren Rümpfen reflektiert werden, aber von keinem von beiden begann, dieses Phänomen eingehend zu studieren. Die Idee des Radars wurde erstmals von dem deutschen Erfinder Hülsmeier entwickelt, der 1905 ein Patent für ein Gerät erhielt, bei dem die Wirkung der Reflexion von Funkwellen zur Ortung von Schiffen genutzt wurde. Hülsmeier schlug vor, einen Funksender, drehbare Richtantennen, einen Funkempfänger mit einem Licht- oder Schallindikator zu verwenden, der von Objekten reflektierte Wellen wahrnimmt. Bei aller Unvollkommenheit enthielt Hülsmeiers Gerät alle Grundelemente eines modernen Ortungsgeräts. In einem 1906 erteilten Patent beschrieb Hülsmeier ein Verfahren zur Bestimmung der Entfernung zu einem reflektierenden Objekt. Hülsmeiers Entwicklungen haben jedoch keine praktische Anwendung gefunden. Es dauerte dreißig Jahre, bis die Idee, Flugzeuge und Schiffe mithilfe von Funkwellen zu erkennen, in reale Geräte umgesetzt werden konnte. Dies war bisher aus folgenden Gründen nicht möglich. Sowohl Hertz als auch Popov verwendeten Kurzwellen für ihre Experimente. In der Praxis verwendete die Funktechnik bis in die 30er Jahre des XNUMX. Jahrhunderts sehr lange Wellen. Die beste Reflexion erfolgt unter der Bedingung, dass die Wellenlänge mindestens gleich oder (noch besser) kleiner als die Abmessungen des reflektierenden Objekts (Schiff oder Flugzeug) ist. Folglich konnten die in der Funkkommunikation verwendeten langen Wellen keine gute Reflexion ergeben. Erst in den 20er Jahren zeigten US-Funkamateure, die Kurzwellen für ihre Funkkommunikationsexperimente verwenden durften, dass sich diese Wellen tatsächlich aus damals unbekannten Gründen über ungewöhnlich große Entfernungen ausbreiten. Mit der vernachlässigbaren Leistung von Funksendern gelang es Funkamateuren, über den Atlantik zu kommunizieren. Dies lenkte die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern und Fachleuten auf Kurzwellen. Das erste deutsche aktive Radarexperiment wurde im März 1935 durchgeführt. Während dieses Experiments konnten viele Sender und Empfänger ein schwaches Signal erkennen, das von einem deutschen Kriegsschiff in einer Meile Entfernung reflektiert wurde. Ähnliche Entwicklungen gab es auch in Frankreich, Italien, der UdSSR und, in etwas kleinerem Umfang, in Japan. Das am 26. September in Pelzenhaken demonstrierte System war das direkte Ergebnis der Forschung des brillanten deutschen Physikers Rudolf Kuhnold. Mitte der 30er Jahre besaß Kunold eine kleine Aktiengesellschaft namens „Gesellschaft für Elektroakustische und Mechanische Apparate“ (GEMA), die sich auf die Entwicklung komplexer Funksender und -empfänger spezialisierte. Die GEMA unterhielt enge Beziehungen zur Deutschen Marineforschungsanstalt. Ab Mitte 1935 begann die GEMA, obwohl sie offiziell nicht mit dem deutschen militärisch-industriellen Komplex verbunden war, aktiv an den Kriegsvorbereitungen teilzunehmen.
1922 beobachteten Mitarbeiter der Funkabteilung des Meeresforschungslabors Taylor und Jung, die im Ultrakurzwellenbereich arbeiteten, das Phänomen des Radars. Sie kamen sofort auf die Idee, ein solches Gerät zu entwickeln, mit dem Zerstörer, die sich mehrere Kilometer voneinander entfernt befinden, ein feindliches Schiff "unabhängig von Nebel, Dunkelheit und Rauch" sofort erkennen können. Taylor und Jung schickten ihren Bericht darüber an das US-Marineministerium, aber ihr Vorschlag fand keine Unterstützung. 1930 bemerkte einer von Taylors Forschern, Ingenieur Hyland, während er Experimente zur Kurzwellen-Funkkommunikation durchführte, dass beim Überqueren der Linie, auf der sich Sender und Empfänger befanden, Verzerrungen auftraten. Daraus schloss Hyland, dass mit Hilfe eines Funksenders und -empfängers, der auf Kurzwellen arbeitet, der Standort des Flugzeugs lokalisiert werden könnte. 1933 meldeten Taylor, Jung und Hyland ihre Idee zum Patent an. Diesmal sollte das Radar geboren werden – dafür gab es alle technischen Voraussetzungen. Die Hauptsache war, dass es für das Militär notwendig wurde. Die Luftverteidigungstechnik zwischen den beiden Weltkriegen erhielt keine entsprechende Entwicklung. Die Hauptrolle spielten nach wie vor Luftbeobachtungsposten, Warn- und Kommunikationsposten, Ballons, Suchscheinwerfer und Tonabnehmer. Aufgrund der zunehmenden Geschwindigkeit der Bomber mussten Warnposten 150 oder mehr Kilometer von der zu schützenden Stadt entfernt aufgestellt und lange Telefonleitungen zu ihnen verlegt werden. Diese Posten boten jedoch noch keine vollständige Sicherheitsgarantie. Selbst bei gutem, klarem Wetter konnten Beobachter in geringer Höhe fliegende Flugzeuge nicht entdecken. Nachts oder bei Nebel, bei bewölktem Wetter sahen solche Posten überhaupt keine Flugzeuge und beschränkten sich auf Berichte über "Triebwerkslärm". Wir mussten diese Pfosten in mehreren Bändern anordnen, schachbrettartig verstreuen, um alle entfernten Zugänge damit abzudecken.
Ebenso waren Suchscheinwerfer nur in klaren Nächten zuverlässig gegen Flugzeuge. Bei niedrigen Wolken und Nebel wurden sie nutzlos. Speziell entwickelte Schalldetektoren waren ebenfalls ein schlechtes Erkennungsmittel. Stellen Sie sich vor, das Flugzeug ist 10 km vom Beobachtungsposten entfernt. Das Geräusch des Motors wurde nach 30 Sekunden für das Ohr des Schallaufnehmers hörbar. Während dieser Zeit gelang es einem Flugzeug, das mit einer Geschwindigkeit von 600 km / h flog, 5 km zu fliegen, und die Tonaufnahme zeigte daher den Ort an, an dem sich das Flugzeug vor einer halben Minute befand. Unter diesen Bedingungen war es sinnlos, einen Tonabnehmer zu verwenden, um einen Suchscheinwerfer oder eine Flugabwehrkanone damit zu lenken. Deshalb begann in allen europäischen Ländern und in den USA 6-7 Jahre vor dem Zweiten Weltkrieg eine verstärkte Suche nach neuen Luftverteidigungssystemen, die vor einem Luftangriff warnen könnten. Die wichtigste Rolle kam hier letztlich dem Radar zu. Wie Sie wissen, haben Nebel, Wolken und Dunkelheit keinen Einfluss auf die Ausbreitung von Funkwellen. In dicken Wolken wird der Strahl eines Suchscheinwerfers schnell dunkler, und für Funkwellen gibt es keine derartigen Hindernisse. Dies machte die Idee, sie für die Luftverteidigung zu verwenden, sehr vielversprechend. Die praktische Umsetzung der Radaridee erforderte jedoch die Lösung einer Reihe komplexer wissenschaftlicher und technischer Probleme. Insbesondere war es notwendig, Generatoren für ultrakurze Wellen und empfindliche Empfänger für sehr schwache Signale zu schaffen, die von Objekten reflektiert werden. Erst 1938 entwickelte das US Naval Research Laboratory das Signalradar XAF mit einer Reichweite von 8 km, das auf dem Schlachtschiff New York getestet wurde. Bis 1941 wurden 19 solcher Radargeräte hergestellt. Viel produktiver war die Arbeit in England, dessen Regierung nicht an Ausgaben gespart hat. Bereits 1935 entstand unter der Leitung von Watson-Watt das erste gepulste Frühwarnradar CH. Es operierte im Wellenbereich von 10-13 m und hatte eine Reichweite von 140 km bei einer Flughöhe des Flugzeugs von 4 km. 5 wurden bereits 1937 solcher Stationen an der Ostküste Englands installiert. 20 begann für alle der 1938-Stunden-Dienst, der bis Kriegsende andauerte. Obwohl das Gerät eines Radars sehr kompliziert ist, ist das Funktionsprinzip nicht schwer zu verstehen. Die Radarstation arbeitet nicht kontinuierlich, sondern mit periodischen Schocks - Impulsen. Der Sender der ersten englischen CH-Radarstation sendete 25 Mal pro Sekunde Impulse aus. (Das Senden eines Impulses dauert bei modernen Ortungsgeräten einige Millionstel Sekunden, und die Pausen zwischen den Impulsen betragen mehrere Hundertstel oder Tausendstel Sekunden.) Der Impulsmodus wird verwendet, um die Zeit zwischen dem Senden eines Impulses und seiner Rückkehr von einem reflektierten Objekt zu messen. Nachdem eine sehr kurze "Portion" von Funkwellen in den Weltraum gesendet wurde, schaltet sich der Sender automatisch aus und der Funkempfänger beginnt zu arbeiten. Funkwellen, die auf ihrem Ausbreitungsweg auf ein Hindernis gestoßen sind, werden in alle Richtungen gestreut und teilweise von ihr zu dem Ort zurückreflektiert, an dem die Wellen gesendet wurden, dh zur Radarstation. Dieser Vorgang ähnelt der Reflexion von Schallwellen – dem Echo-Phänomen. Es reicht aus, in einer Bergschlucht am Fuß einer Klippe zu schreien oder in die Hände zu klatschen - und in wenigen Sekunden ist ein schwaches Echo zu hören - eine Reflexion des Klangs. Da die Geschwindigkeit von Funkwellen fast eine Million Mal höher ist als die Geschwindigkeit von Schallwellen, wird das Echo von einem Felsen in einer Entfernung von 3500 m in 20 Sekunden und die Funkwelle in zwei Hunderttausendstel a zurückkehren zweite. Das Hauptmerkmal der Radarstation sollte daher die schnelle Messung kürzester Zeiträume mit einer Genauigkeit von Millionstelsekunden sein. Es ist klar, dass, wenn die Radarstation kontinuierlich ihre Signale sendet, es unter den starken Signalen des Senders unmöglich wäre, sehr schwache reflektierte Funkwellen zu fangen, die zurückkommen. Die Radarantenne ist gerichtet. Im Gegensatz zu den Antennen eines Senders, die Radiowellen in alle Richtungen aussenden, werden die vom Radar ausgesandten Pulse zu einem sehr schmalen Strahl gebündelt, der in eine genau definierte Richtung gesendet wird. Nachdem das Radar die reflektierten Impulse empfangen hatte, leitete es sie zur Kathodenstrahlröhre. Hier wurde dieser Impuls (offensichtlich um ein Vielfaches verstärkt) auf die vertikalen Platten angewendet, die den Elektronenstrahl der Röhre steuerten (siehe seine Vorrichtung im vorherigen Kapitel), und verursachte einen vertikalen Wurf des Strahls auf dem Radarschirm. Was war auf diesem Bildschirm zu sehen? 25 Mal pro Sekunde erschien auf seiner linken Seite ein elektronischer Impuls (dieser Anstieg wurde dadurch verursacht, dass ein sehr kleiner Teil der Energie des ausgesandten Impulses auf den Empfänger traf), und eine Abtastlinie lief ihm nach rechts nach. Dies dauerte so lange, bis der Impuls das Ziel erreichte, nicht von ihm reflektiert wurde und nicht zurückkehrte.
Angenommen, eine von einem Elektronenstrahl gezeichnete Linie bewegt sich für 1 Millisekunde über den Bildschirm. Während dieser Zeit legte der Impuls 150 km zum Ziel zurück, wurde von ihm reflektiert, kehrte zur Station zurück und wurde in Form eines zweiten Wurfs auf dem Bildschirm angezeigt. An der Stelle des Röhrenbildschirms, an der der erste Wurf erschien, stellten sie 0 ein und am Ende der Linie - 150 km. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen konstant ist, könnte diese gesamte Linie in gleiche Teile geteilt werden, und auf diese Weise wäre es möglich, (innerhalb von 150 km) jede Entfernung zum Ziel abzulesen, dessen reflektierter Impuls auf dem Bildschirm sichtbar war das Rohr. Aufgrund eines solchen häufigen Erscheinens des Bildes auf dem Bildschirm erschien es dem Auge des Bedieners, als ob es bewegungslos und nicht verschwinden würde. Nur der vom Ziel reflektierte Impuls bewegte sich entlang der Linie langsam nach links, wenn das Flugzeug auf die Station zuflog.
Alle Informationen über das erkannte feindliche Flugzeug wurden von Radarstationen an das sogenannte "Filterzentrum" übermittelt. Hier wurde nach den Meldungen einzelner Stationen ein Abgleich und eine Verfeinerung von Daten zur Luftlage vorgenommen. Das "Filterzentrum" übergab die ausgewählten und überprüften Informationen an das Kommando. Am zentralen Kommandoposten lag eine große Karte. Spezialoperatoren bewegten kleine Flugzeugmodelle auf der Karte. Somit konnte das Kommando die Luftlage kontinuierlich überwachen und dementsprechend die notwendigen Entscheidungen treffen. In der Folge stellte sich heraus, dass Frühwarnstationen auch zusätzliche Informationen über die Anzahl feindlicher Flugzeuge, deren Kurs und Geschwindigkeit liefern konnten. Auf der Grundlage dieser Informationen konnten die Luftverteidigungskommandoposten feststellen, wie viele Bomber an der Operation beteiligt waren, auf welchen Punkt sie zusteuerten und wann sie eintreffen würden. Allerdings hatten die ersten Radare auch große Nachteile. Da sie auf einer Welle von 10 Metern oder mehr arbeiteten, waren ihre Antennen sperrig und bewegungslos. So hing beispielsweise die Senderantenne CH an 120 m hohen Masten, in der Nähe befand sich eine Empfangsstation mit einer Antenne in 80 m Höhe, die mit Richtwirkung Funkwellen in einem weiten Kegel nach vorne und etwas abseits abstrahlten Hauptrichtung. Nach rechts, links und zurück strahlten diese Antennen nicht, und folglich konnten die Radargeräte Flugzeuge in diesen Richtungen nicht erkennen. Da ihre Wellen vom Boden und Wasser abprallten, waren niedrig fliegende Ziele außerhalb ihrer Reichweite. So könnten Flugzeuge, die England in einer Höhe von weniger als 100 m anfliegen, vom Radar unbemerkt fliegen. Diese Mängel könnten nur durch die Schaffung neuer Radarstationen beseitigt werden, die auf kürzeren Wellenlängen arbeiten. In den frühen Jahren der Entwicklung des Radars wurden Wellen mit einer Länge von 10 bis 15 m verwendet, aber später stellte sich heraus, dass es bequemer war, für diesen Zweck tausendmal kürzere Wellen zu verwenden - in der Größenordnung von mehreren Zentimetern. Geräte, die in diesem Bereich betrieben wurden, waren vor Kriegsbeginn im Wesentlichen Laborkonstruktionen, sehr launisch und hatten eine vernachlässigbare Leistung. Die damals bekannten Arten von Vakuumröhren arbeiteten bei Zentimeterwellenlängen sehr schlecht oder fast nicht. Die gesamte notwendige Ausrüstung für fortschrittlichere Radargeräte wurde zu Beginn des Krieges in Rekordzeit hergestellt. Zunächst wechselten sie zu einer Welle von 1 m, was es ermöglichte, die Leistung des Radars sofort zu verbessern und die Größe der Antennen drastisch zu reduzieren. Dann entstand die Idee, dass eine solche Antenne in horizontaler Richtung gedreht werden kann und Radarimpulse in alle Richtungen sendet, und nicht nur nach vorne. Außerdem wurde vorgeschlagen, dass, wenn das Radar abwechselnd Impulse sendet und ihre Reflexionen empfängt, es überhaupt nicht notwendig ist, die Sende- und Empfangsstationen getrennt zu platzieren: Es ist möglich und sollte auf derselben Antenne senden und empfangen, indem es abwechselnd angeschlossen wird Sender, dann zum Empfänger. 5 wurde die CHL-Station entwickelt, um tieffliegende Flugzeuge und Überwasserschiffe mit einer Reichweite von 1939 km zu erkennen. Solche Stationen befanden sich in einer Entfernung von 100 km voneinander und schützten die Mündung der Themse und ihre Zugänge. Anschließend wurde die Anzahl der Stationen erhöht, um die gesamte Ostküste Englands abzudecken. Die Einführung einer Reihe von Verbesserungen ermöglichte es, die Reichweite der Radargeräte auf 40-160 km zu erhöhen. All diese Maßnahmen waren 1939-1940 mehr als gerechtfertigt, als sich der grandiose Kampf um England entfaltete. Unfähig, seine Truppen nach England zu verlegen, schickte Hitler seine Armada seiner Bomber gegen England. Englische Jäger kannten weder Tag noch Nacht Frieden und schlugen einen deutschen Luftangriff nach dem anderen zurück. Frühwarnradarstationen spielten damals eine große Rolle im gesamten Luftverteidigungssystem. Deutsche Piloten waren bald davon überzeugt, dass unsichtbare Radarstrahlen für sie schrecklicher waren als Jäger und Flugabwehrgeschütze. Der Einsatz von Radar brachte die Briten bald auf die Idee, ihre Jäger mit Hilfe von Radar auf feindliche Bomber zu richten. Dazu wurden kleine Radarstationen (GCI) geschaffen. Sie hatten eine geringere Reichweite, bestimmten aber die Position feindlicher Flugzeuge genauer. Diese Radargeräte wurden in der Nähe von Kampfflugplätzen installiert. Nachdem sie eine Nachricht von Frühwarnstationen erhalten hatten, begannen sie, den sich nähernden Feind zu überwachen und den Kampfpiloten genaue Daten über den Standort des Feindes zu geben. Für Stationen dieser Art war die alte Kathodenstrahlröhre mit horizontaler Abtastlinie unpraktisch, da sie immer nur ein Flugzeug gleichzeitig beobachten konnte und ständig von einem Ziel zum anderen wechseln musste. In diesem Zusammenhang fand eine wesentliche Verbesserung der Radartechnologie statt - das sogenannte Rundumsichtrohr erschien, das sich bald in vielen Stationstypen verbreitete. Auf dem Schirm einer solchen Röhre begann die Lichtabtastlinie nicht wie bei früheren Konstruktionen am linken Rand des Schirms, sondern in der Mitte. Diese Linie drehte sich gleichzeitig mit der Drehung der Antenne im Uhrzeigersinn und spiegelte auf dem Bildschirm die Position der Ziele um die Station herum wider. Ein solcher Bildschirm erstellte sozusagen eine Karte der Luftsituation. Ein Lichtpunkt in der Mitte des Bildschirms markierte die Position der Radarstation. Die konzentrischen Ringe um diesen Punkt halfen dabei, die Entfernung zu den reflektierten Impulsen zu bestimmen, die als hellere Punkte erschienen. Auf einem solchen Bildschirm beobachtete der Leitstellenoffizier gleichzeitig alle für ihn interessanten Ziele. Die Umsetzung der Leitlinien wurde stark vereinfacht. Es ist klar, dass die oben beschriebene Funktionsweise des Indikators für ein solches Radar nicht geeignet war, da alle von Objekten reflektierten Signale sofort vom Bildschirm verschwanden. Hier wurden Bildschirme verwendet, die das sogenannte "Nachleuchten" hatten, das heißt, sie behielten das Leuchten für eine gewisse Zeit. In solchen Röhren wurde der Elektronenstrahl mit Spulen abgelenkt, in denen sich der Strom linear mit der Zeit änderte. Der Einsatz aller Radarabwehrsysteme bereits in der ersten Kriegsperiode brachte greifbare Ergebnisse. In vier Monaten des Jahres 1940 wurden mehr als 3000 deutsche Flugzeuge am Himmel über England zerstört und 2600 von ihnen wurden von Jägern abgeschossen, die von ihren Radarstationen geleitet wurden. Aufgrund schwerer Verluste mussten die Deutschen die Tagesangriffe einstellen. Dies rettete sie jedoch nicht. Die Briten entwickelten dringend eine kleine KI-Radarstation an Bord des Flugzeugs. Sie konnte Ziele in einer Entfernung von 3-5 km erkennen. Spezielle Nachtjäger wurden mit neuen Radargeräten ausgestattet. Neben dem Piloten beherbergten sie einen Richtfunker. Auf einen Tipp vom Boden aus näherten sich solche Flugzeuge den deutschen Bombern im Sichtbereich ihres Radars. Danach gab der Bediener selbst mit einem Ortungsrohr vor seinem Gesicht dem Piloten über die interne Gegensprechanlage Befehle, wohin er das Auto lenken sollte, um sich den Bombern zu nähern. Bereits im Frühjahr 1941 rechtfertigte das Nachtradar-Abwehrsystem seinen Zweck. Wenn die Briten im Januar nur 4 deutsche Nachtbomber abgeschossen haben, dann im April 58 und im Mai 102. Autor: Ryzhov K.V.
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