26.5.2022 | Svátek má Filip


TECHNIKA: Na cestě k digitálnímu věku V.

27.11.2021

Nastupují radary

Koncem 30. let minulého století se zaměřovací systémy ustálily a u jednotlivých námořnictev se příliš nelišily. Kapitální lodě obvykle mívaly po direktoru palby hlavní baterie na předním a zadním můstku, a ještě nad nimi a na bocích nástaveb čněly direktory pro řízení palby sekundárního dělostřelectva, respektive protiletadlových kanonů. Hluboko v útrobách lodi, chráněny před nepřátelskými projektily, se nacházely vysílací stanice, na velkých lodích opět dvě (druhá záložní), vlastně počítačové sály s analogovými počítači a velkými panely s přepojovači na stěnách. Ty umožňovaly velmi široce kombinovat direktory a počítače, aby se i po vyřazení některého prvku zásahem dala zaměřovací síť obnovit. Záložní dálkoměry a základní přístroje pro řízení palby pak bývaly v každé věži.

Německý metrový radar FuMO 23 Seetakt

V předvečer druhé světové války se však v zaměřovacích systémech objevil nový prvek. Byl jím radar, neboli přístroj pro detekci a určení vzdálenosti cíle pomocí rádiových vln. Již ve 20. letech, poté co bylo zahájeno rozhlasové vysílání, se začalo ve vojenských kruzích uvažovat o využití odrazu rádiových vln od letadel a lodí k určení jejich poloh. Masová výroba radiopřijímačů a houstnoucí síť vysílačů s výkony v řadu jednotek a poté i desítek kW vytvořila rychle radioprůmysl, a tedy i součástkovou základnu pro vývoj radaru. Jeho vysílací anténa tvarovala úzký paprsek rádiových vln, který se po dopadu na cíl odrazil a vrátil se k přijímací anténě (později se do obou režimů přepínala jediná anténa). Z úhlu natočení vysílací antény a z prodlevy, než se odraz vrátil, se dala stanovit jak poloha, tak vzdálenost cíle, a to bez ohledu na počasí nebo na tmu. Rozvoj radiotechniky též vedl ke vzniku přístroje pro znázorňování elektrických impulsů oscilačních obvodů, který dostal název osciloskop. K zobrazování používal katodovou trubici s časovou základnou, takže se ideálně hodil jako zobrazovací jednotka radaru, když se dala jeho časová základna přímo ocejchovat v kilometrech nebo v mílích.

Britské námořnictvo vyvíjelo radary v rámci školy pro signalisty v Portsmouthu pod názvem RDF (Range and Direction Finding). V roce 1935 zde začaly práce na přístroji 79X s pracovním kmitočtem 75 MHz (vlnová délka 4 m), který se však stal funkčním až po snížení kmitočtu na 47 MHz (7 m) a pod označením 79Y byl osazen na těžkém křižníku HMS Sheffield a bitevní lodi HMS Rodney. Detekoval letadla na vzdálenost 48 až 80 km.

Americká Námořní výzkumná laboratoř (NRL) úspěšně otestovala radar (globálně zavedený název, jen v SSSR si vymysleli radiolokátor) o kmitočtu 200 MHz v roce 1937. S prstencovým oscilátorem, sestaveným z věnce elektronek, měl výkon 15 kW v pulsu o délce 5 mikrosekund a s anténou typu „matrace“ byl zaveden do výzbroje jako radar XAF na bitevní lodi USS New York. Dokázal zachytit letadlo na vzdálenost 160 km a sériově jej vyráběla firma RCA pod označením CXAM.

Protiletadlový systém SL–8 používal naklápění celé věže

Kriegsmarine měla na začátku války k dispozici radar s názvem FuMO (Funk-Mess-Ortungsgerät) 1, který pracoval na vlnové délce 82 cm a měl dosah 15–20 km. Krycí název pro německé lodní radary zněl Seetakt. Přestože základní práce o šíření rádiových vln a o směrových anténách napsal v 30. letech japonský vědec Hidecugu Jagi, Japonci ve vývoji radaru zaostali. Teprve v září 1941zkostruovali prototyp s vlnovou délkou 4,2 m, který byl schopen detekovat jednotlivé letadlo na vzdálenost 97 km.49

Ze zkušeností a též z teorie šíření rádiových vln vyplývalo, že s čím kratší vlnovou délkou (vyšší frekvencí) radar pracuje, tím přesněji dokáže cíl zaměřit a také tím menší předmět může detekovat. Běžnými radiotechnickými součástkami se však nedala překonat hranice 200 MHz (pásmo metrových vln), poněvadž u vyšších kmitočtů se začal projevovat efekt klidové hmoty elektronu. Prostě v běžných vysílacích elektronkách nestíhaly elektrony kmitat tak rychle, aby dokázaly emitovat centimetrové vlny (více než 1,5 GHz) , které teprve byly použitelné pro zaměřování děl a třebas k detekci ponorkového periskopu.

Avšak v roce 1940 se britským vědcům Johnu Randallovi a Harrymu Bootovi podařil epochální vědecký průlom, když sestrojili magnetron, neboli dutinový rezonátor, který dokázal emitovat centimetrové vlny a to ještě o výkonu v řádu jednotek kW. Pro představu, fungoval obdobě jako píšťalka – do ní taky nemusíte foukat frekvencí tónu, který chcete, aby vydala – ona ho vydá rezonancí, chvěním vzduchového sloupce. A v magnetronu se zase v silném magnetickém poli rezonančně „chvěly“ elektrony na žádoucí frekvenci. Je poněkud ironické, že magnetron, který za druhé světové války patřil k nejstřeženějším vojenským tajemstvím, máme skoro všichni doma, tedy ti, kteří vlastní mikrovlnou troubu, neboť zdrojem ohřevu zde není nic jiného než magnetron.

Magnetron

Němečtí fyzikové byli až do poloviny války přesvědčeni, že zařízení pro emitování centimetrových vln prostě nejde z fyzikálního principu sestrojit, a také v tomto smyslu informovali Hitlera. Avšak v dubnu 1943 zažili Němci totální překvapení, když v troskách sestřeleného bombardéru Stirling našli centimetrový radar H2S (3 GHz) a seznámili se s konstrukcí magnetronu. Rotterdamský přístroj, jak ukořistěný radar nazvali, podrobili okamžitě zkouškám a poté jej začali kopírovat. Ale spojenecký náskok v radarové technice již nedohnali.

První zkušenosti s radary v boji

Již v prvním velkém střetu hladinových plavidel 13. prosince 1939 v jihozápadním Atlantiku se uplatnil radar. Použila jej německá „kapesní“ bitevní loď Admiral Graf Spee (6 x 280 mm) v boji s britským bojovým svazem ve složení těžký křižník HMS Exeter (6 x 203 mm) a dva lehké HMS Ajax a Ajax ( 16 x 152 mm celkem). V této bitvě u La Platy měli Němci výhodu ráže a dostřelu, Britové v počtu děl a lodí, které mohli rozdělit a vzít Němce do kleští. Němci pomocí metrového radaru přesně změřili vzdálenost křižníku HMS Exeter a těžce jej poškodili, než sami utrpěli zásah do kouřovodů, který zničil systém pro předehřívání a čištění motorové nafty. Poškozený 

Graf Spee se musel uchýlit do Montevidea, a když vypršela lhůta pro pobyt v neutrálním přístavu, posádka loď potopila.

Direktor palby Mk 34 (vlevo) + Mk 41 Stable vertical (vpravo)

Také v bitvě u řeckého mysu Matapan 27.–28. března 1941 se prosadily radary, 

tentokrát britské. Po úvodním střetu italských a britských křižníkových sil, v němž italské křižníky zlobily zaměřovací přístroje, následovaly letecké útoky Britů z letadlové lodi HMS Formidable. Po zásahu torpédem vniklo do italské bitevní lodě Vittorio Veneto 4 100 tun vody a Italové se dali na ústup. Osudný byl poslední večerní útok, kdy torpédový zásah utržil těžký křižník Pola a musel zastavit, aby nenarazil do křižníku Fiume. Výbuch torpéda jej znehybnil a italský admirál Iachino, nevědom, že je stíhán Brity, nařídil křižníkům Zara a Fiume, aby otočily zpět a pluly Pole na pomoc.

Noční boj pak rozhodly radary. Ve 20:15 zaznamenala obsluha radaru na křižníku HMS Orion ve vzdálenosti šesti mil na levoboku nehybný hladinový cíl. Byla to zmrzačená Pola. Hlavní britské síly dostaly italskou eskadru na radary krátce po 22:00 a počaly se přibližovat, aniž by o nich Italové věděli. Zaznamenali britskou eskadru až ve 22:20, ale to již Britové měli z radarů přesné informace o cílech. Bitevní lodě HMS Barham, Valiant a Warspite se přiblížily na 3 500 m – což je vzdálenost, z níž stačí patnáctipalcová děla zaměřit přímo na cíl bez počítání palebných prvků – osvětlily nepřítele světlomety (na HMS Valiant velel světlometům poručík Philip Mountbatten, pozdější princ manžel královny Alžběty II.) a zahájily palbu. Po třech minutách britské dělostřelby se italské křižníky Fiume a Zara proměnily v planoucí vraky a spolu s Polou se do rána potopily. 18

Prvek nizozemského systému řízení palby M 3, rok 1953

Též při pronásledování bitevní lodě Bismarck (8 x 381 mm)koncem května 1941 se podstatně uplatnily radary. Když německý operační svaz v sestavě bitevní loď 

Bismarck a těžký křižník Prinz Eugen (8 x 203 mm), který měl za úkol napadat spojeneckou lodní dopravu v Atlantiku, vstoupil do Dánského průplavu, obě lodě aktivovaly svoje radary FuMo 23 (vlnová délka 80 cm, dosah asi 20 km). Je sporné, zda to byly radary nebo jen hydrofony, co 22. května v 19:22 prozradilo přítomnost nepřátelské lodě ve vzdálenosti 12 500 m. Jednalo se o britský těžký křižník Suffolk, který též používal radar, a navedl na Němce hlavní britské síly, bitevní křižník HMS Hood ( 8 x 381 mm)a bitevní loď HMS Prince of Wales(10 x 356 mm). Kvůli chybě v navigaci se však Britové ráno 24. května přiblížili k německému svazu ze zadního kvadrantu a mohli pálit pouze z předních věží. Jelikož předtím otřesy děl při palbě na HMS Suffolk vyřadily na Bismarcku radar, vysunul se dopředu křižník Prinz Eugen a Britové mylně soustředili palbu na něj. Navíc kvůli špatné funkci radaru na HMS Prince of Wales byly první britské salvy příliš dlouhé.

Britské lodě postupně otáčely po dvaceti stupních doleva, aby dostaly do akce i zadní věže, a též proto, že tříšť z vysokých vln zaplavovala objektivy dálkoměrů se základnou 13 m v nižších věžích, takže Britové museli používat menší dálkoměry direktorů palby se základnou 9,1 m. Admirál Holland držel obě lodě u sebe (720 m), aniž mohly nezávisle měnit rychlost a kurz, aby si udržel kontrolu nad palbou a snad i proto, aby mohl použít palebný systém Concentration Fire, kdy jsou hlavní baterie více lodí centrálně zaměřovány z lodě jediné, v tomto případě z HMS Prince of Wales, který měla modernější zaměřovací počítač Admiralty Fire Control Table. To však způsobilo, že britské lodě představovaly snadný cíl.

Po další britské změně kurzu v 06:00 už byla ve vzduchu celkem šestá, avšak teprve druhá plná salva Bismarcku ze vzdálenosti 14 km, a Hood do ní přímo vplul. Německé granáty vytvořily kolem trupu bitevního křižníku vidlici na úrovni zadního (hlavního) stěžně, což znamenalo, že některé z osmi střel explodovaly za a některé před trupem. Salva prostě loď přeškrtla ve středolodí a přinejmenším jedna střela se musela zřítit prakticky kolmo na palubu někde mezi hlavním stěžněm a věží „X“. Ve zlomku vteřiny následovala exploze, která zničila větší část trupu od středolodí až k věži „Y“, přičemž tuto věž a věž „X“ odmrštila do moře. Loď se rozlomila, napřed se potopila utržená záď a následně i zbytek trupu.

Opticko- radarový direktor palby Mark 37

Poté Britové nasadili k pronásledování Bismarcku všechno, co se udrželo na vodě, a po šťastném zásahu leteckého torpéda, který zablokoval kormidlo, německou bitevní loď dopadli a britské bitevní lodě HMS Rodney (9 x 406 mm) a King George V (10 x 356 mm)ji na krátký dostřel proměnily v rozžhavený vrak. Vlastní posádka ji pak potopila dnovými náložemi.19

K onomu šťastnému torpédovému zásahu, který osud Bismarcku zpečetil, se váže zajímavá historka. Německá bitevní loď měla unikátní systém protiletadlové obrany v podobě šestnácti 105 mm protiletadlových kanonů, jejichž celé dvouhlavňové věže se nakláněly ve dvou osách v závislosti na vlnobití. Odchylky se snímaly ze speciálních kulových direktorů palby SL-8, jimž se přezdívalo „Wackelkopf“ (vrtící se hlava), protože se neustále vrtěly, jak vyrovnávaly náklony lodě.61 Na jedné straně to byl asi nejpřesnější lodní protiletadlový systém na světě, na straně druhé trpěl častými závadami, neboť složitým elektrickým rozvodům nedělala dobře slaná tříšť. Legenda pak říká, že Bismarck nedokázal odrazit útok palubních torpédových letounů Swordfish, protože tyto zastaralé dvojplošníky měly tak nízkou rychlost (230 km/h), že byla mimo rozsah, který se dal do zaměřovacího systému vložit.

Střelecké radary

Skutečné střelecké radary, jež se staly integrální součástí direktorů palby, zkonstruovali na základě centimetrových vln Američané, neboť jen USA měly potřebný vědecko-

průmyslový potenciál:60

Direktor Mark 34byl osazen na moderních amerických bitevních lodích ve dvou kusech a předával data do vysílacích stanic, kde se korigovaly a jako palebné prvky odesílaly do dělových věží (viz schéma na přiložené ilustraci). Plochou parabolickou anténu radaru nad dálkoměrem chránil dielektrický kryt oválného průřezu.

Radarový zaměřovač Mark 56 obsluhovali jen 2 muži

Direktor Mark 37 se používal k řízení palby děl ráže 127, 152 a 203 mm. Měl komplikovanější segmentové antény, jelikož pracoval ve dvojím režimu. Kromě antény o průřezu „W“ pro stanovení odměru a dálky disponoval ještě zvláštní svislou parabolickou anténou pro měření výšky. Manuál je ke stažení na https://www.ibiblio.org/hyperwar/USN/ref/Ordnance/FCS-Mark37/index.html, a pokud si ho prostudujete, mohli byste sloužit jako dělostřelečtí důstojníci na kterékoli válečné lodi US Navy za druhé světové války.

Zvláštní pozornost si zasluhuje radarový univerzální direktor palby Mark 56, který byl zařazen do výzbroje US Navy (a NATO) až po druhé světové válce. Na jeho vývoji se totiž podílel profesor Norbert Wiener, otec kybernetiky, a český inženýr Antonín Svoboda62, po válce konstruktér prvního československého samočinného elektronkového počítače SAPO, který se po převedení na germaniové tranzistory sériově vyráběl jako ZPA 600 a používal unikátní samoopravný kód „dva z pěti“.

Mark 56 již měl predikční algoritmy pro předvídání polohy cíle (vyvíjel se s úkolem sloužit k odrážení útoků kamikaze) a vešel do historie jako přístroj, jehož prostřednictvím 2. srpna 1964 při nočním incidentu v Tonkinském zálivu americký torpédoborec USS Maddox zmrzačil jeden severovietnamský torpédový člun a dva vážně poškodil, což vedlo k vietnamské válce.

Za bojů v Tichomoří americké opticko-radarové direktory vyrazily z rukou japonského námořnictva jeho hlavní zbraň – dokonale nacvičené noční útoky smrtonosnými kyslíkovými torpédy, přezývanými „dlouhé kopí“, jimiž útočily nejen japonské torpédoborce, ale též těžké křižníky. Radarový zaměřovač pak přinesl vítězství americké bitevní lodi USS Washington ihned při jejím prvním nasazení, když 14. listopadu 1942 u Guadalcanalu během několika minut zmrzačila japonskou bitevní loď Kirišimu (devět zásahů granáty ráže 406 mm a asi čtyřiceti ráže 127 mm ze vzdálenosti 7 700 m). Druhý den pak Kirišimu dorazily letouny z Hendersonova letiště na Guadalcanalu.

Když američtí plánovači připravovali operaci Pouštní bouře k vytlačení Saddáma Husajna z Kuvajtu, zahrnuli do ní i útok z moře. Přitom došli k názoru, že k palebné podpoře výsadku nebudou stačit střely Tomahawk, že role těžkých lodních děl je nenahraditelná, a proto US Navy reaktivovala druhoválečné bitevní lodě Missouri a Wisconsin. Přitom padla otázka, zda by neměly být nahrazeny zastaralé analogové počítače pro řízení palby moderními digitálními, ale zadaná studie odhalila, že tím by se za cenu desítek milionů dolarů přesnost palby zvýšila o zanedbatelného 1,5 %. Takže v lednu 1991 řídily palbu těchto lodí výše popsané přístroje.

Analogové zaměřovací počítače sice posunuly svět až na práh digitálního věku, ale ten do něho vstoupil kvůli jinému válečnému úkolu, kvůli nutnosti prolomit německou šifru Enigma. Pro splnění tohoto zadání pak byly zkonstruovány první skutečné samočinné digitální počítače. Ale to už je jiný příběh, k němuž se třebas někdy vrátíme.

Odkazy:

49. Norman Friedman, Naval Firepower, Battleship Guns and Gunnery in the Dreadnought Era, Seaforth Publishing 2008, str. 40

18. https://en.wikipedia.org/wiki/Battle_of_Cape_Matapan

19. https://en.wikipedia.org/wiki/Battle_of_the_Denmark_Strait

60. https://en.wikipedia.org/wiki/Ship_gun_fire-control_system#US_Navy_computerized_fire_control_systems

61.https://books.google.cz/books?id=nxttDwAAQBAJ&pg=PA24&lpg=PA24&dq=fire+director+SL-8&source=bl&ots=rmssFRa-o4&sig=ACfU3U0kyP8EQL

62. https://military.wikia.org/wiki/Ship_gun_fire-control_system#MK_56_Gun_Fire_Control_System_.28GFCS.29