Πώς λειτουργεί το ραντάρ;
Το ραντάρ είναι μια ασύρματη τεχνολογία που χρησιμοποιεί ραδιοκύματα για να ανιχνεύσει την κατεύθυνση, την ταχύτητα, το σχήμα, την εμβέλεια και άλλα χαρακτηριστικά μακρινών αντικειμένων. Η παλαιότερη χρήση ραδιοκυμάτων για την ανίχνευση ενός αντικειμένου μπορεί να εντοπιστεί στις αρχές του 20ου αιώνα. Σήμερα, η τεχνολογία είναι τόσο προηγμένη που μπορούμε όχι μόνο να ανιχνεύσουμε την παρουσία ενός αντικειμένου, αλλά και την απόσταση, το σχήμα, το μέγεθος, την ταχύτητα και την εμβέλειά του.
Στο τελευταίο τέταρτο του 19ου αιώνα, ένας επιμελής Χάινριχ Χερτζ έδειξε ότι ο Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ είχε στην πραγματικότητα δίκιο. Απέδειξε, όπως ο Μάξγουελ στη θεωρία του για τον ηλεκτρομαγνητισμό, ότι υπάρχουν μυστηριώδη κύματα ενέργειας που διαπερνούν το Σύμπαν μας, τα οποία, σε αντίθεση με το φως, δεν μπορούν να ανιχνευθούν με γυμνό μάτι. Αυτά ονομάστηκαν ηλεκτρομαγνητικά κύματα και το ίδιο το ορατό φως βρέθηκε να είναι ένα.
Το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα. (Φωτογραφία:Pexels)
Στη σειρά των εκκεντρικών πειραμάτων του, έδειξε επίσης ότι αυτά τα κύματα μπορούν να ανακλώνται από αντικείμενα που φέρουν ηλεκτρισμό, όπως τα μέταλλα. Όταν ρωτήθηκε για τις εφαρμογές των ανακαλύψεών του, ο Hertz απάντησε με θλίψη:«Τίποτα, υποθέτω». Ωστόσο, ελάχιστα γνώριζε ότι οι ανακαλύψεις του θα ήταν τελικά η βάση όλης της σύγχρονης τεχνολογίας. Το RADAR είναι μία από αυτές τις τεχνολογίες.
Ανίχνευση και εμβέλεια ραδιοφώνου
Το Radar είναι ένα αρκτικόλεξο για το Radio Detection and Ranging ή το Radio Direction and Ranging. Ωστόσο, η λέξη χρησιμοποιείται πλέον ως ουσιαστικό και επομένως σπάνια γράφεται με κεφαλαία. Το ραντάρ, όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι μια ασύρματη τεχνολογία που χρησιμοποιεί ραδιοκύματα για να ανιχνεύσει την κατεύθυνση, την ταχύτητα, το σχήμα, την εμβέλεια και άλλα χαρακτηριστικά μακρινών αντικειμένων.
(Φωτογραφία:RF Cafe)
Η παλαιότερη χρήση των ραδιοκυμάτων για την ανίχνευση ενός αντικειμένου μπορεί να εντοπιστεί στις αρχές του 20ου αιώνα, όταν ο φυσικός Alexander Popov παρατήρησε ότι τα ραδιοκύματα που μεταδίδονται μεταξύ δύο πλοίων με σκοπό την επικοινωνία θα διακόπτονταν από τη διέλευση ενός άλλου πλοίου μεταξύ τους. Οι άνθρωποι συνειδητοποίησαν πώς τα κύματα θα μπορούσαν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν για να ανιχνεύσουν ένα σκάφος που καλύπτεται από πυκνή ομίχλη. Αλλά αυτό είναι το μόνο που θα μπορούσε να κάνει η τεχνολογία στη συνέχεια:η χρησιμότητά της περιοριζόταν μόνο στην ανίχνευση της παρουσίας ενός αντικειμένου, αλλά όχι στην απόστασή του από τον πομπό.
Σήμερα, η τεχνολογία είναι τόσο προηγμένη που μπορούμε όχι μόνο να ανιχνεύσουμε την παρουσία ενός αντικειμένου, αλλά και την απόσταση, το σχήμα, το μέγεθος, την ταχύτητα και την εμβέλειά του. Ο μηχανισμός, τουλάχιστον για τον προσδιορισμό της απόστασης, είναι πολύ απλός:ο πομπός εκπέμπει ραδιοκύματα είτε σε σύντομους είτε σε μεγάλους παλμούς προς το αντικείμενο. Το αντικείμενο απορροφά λίγη ραδιοενέργεια και ανακλά την υπόλοιπη ενέργεια πίσω.
Ένας δέκτης, συνήθως αλλά όχι πάντα στην ίδια κατεύθυνση με τον πομπό, λαμβάνει την ενέργεια και μετρά το χρόνο που έχει περάσει από τη μετάδοσή του. Η απόσταση υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας την ταχύτητα των κυμάτων, που ήδη γνωρίζουμε, με το ήμισυ του χρόνου που έχει περάσει. Διαιρούμε τον χρόνο με δύο απλά επειδή τα κύματα κάνουν δύο ταξίδια (από και προς).
Ωστόσο, ο προσδιορισμός άλλων χαρακτηριστικών του αντικειμένου, ας πούμε, του σχήματός του, είναι ελαφρώς πιο περίπλοκος. Πάρτε, για παράδειγμα, τον προσδιορισμό της ταχύτητας του αντικειμένου. Είναι δύσκολο γιατί η συχνότητα που ανακλάται από ένα κινούμενο αντικείμενο ποικίλλει ανάλογα με το αν κινείται προς το μέρος μας ή μακριά μας. Πρέπει, με άλλα λόγια, να λάβουμε υπόψη το φαινόμενο Doppler, το ίδιο φαινόμενο που κάνει μια σειρήνα να χτυπά πιο δυνατά καθώς μας πλησιάζει και να μειώνεται καθώς φεύγει. Ωστόσο, η ανάλυση είναι τώρα τόσο τεράστια που το ραντάρ μπορεί να εντοπίσει κάτι τόσο μικρό και άπιαστο όσο ένα ιπτάμενο καρβέλι ψωμί από χιλιόμετρα μακριά.
Οι περιορισμοί
Ωστόσο, μια τέτοια εξωφρενική επίλυση έχει το κόστος της εξασθένησης. Η ανάλυση αυξάνεται με τη μείωση του μήκους κύματος. Αυτό συμβαίνει επειδή ένα κύμα μπορεί να ανακλά μόνο από ένα αντικείμενο και επομένως να το ανιχνεύσει εάν το μέγεθος του αντικειμένου είναι συγκρίσιμο με το μήκος κύματος του κύματος. Ένα κύμα μεγαλύτερου μήκους κύματος απλώς θα παραβλέπει ένα μικρό αντικείμενο.
Από την άλλη πλευρά, κατά τη διάρκεια του ταξιδιού του, ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα χαμηλού μήκους κύματος ή υψηλής συχνότητας τείνει να χάσει τη δύναμή του με μεγαλύτερο ρυθμό από ότι ένα κύμα υψηλού μήκους κύματος ή χαμηλής συχνότητας. Με άλλα λόγια, η εξασθένηση και το μήκος κύματος μοιράζονται μια αντίστροφη σχέση, που σημαίνει ότι πρέπει να επιτευχθεί ένας συμβιβασμός μεταξύ της εξασθένησης και της ανάλυσης. Έτσι, είτε για να ελαχιστοποιήσουμε την απώλεια ισχύος, μπορούμε να δημιουργήσουμε ασαφείς ταυτοποιήσεις είτε μπορούμε να αναγνωρίσουμε ένα καρβέλι ψωμί με εκπληκτική απώλεια ισχύος.
(Φωτογραφία:Mysid/Wikimedia Commons)
Στην ίδια αντίστροφη σχέση οφείλεται το ότι χρησιμοποιούμε ραδιοκύματα για ασύρματη επικοινωνία. Τα ραδιοκύματα παρουσιάζουν τις χαμηλότερες συχνότητες σε ολόκληρο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, πράγμα που σημαίνει ότι είναι οι λιγότερο εξασθενημένες και επομένως μπορούν να διανύσουν τις μεγαλύτερες αποστάσεις. Αυτό δεν μπορεί να επιτευχθεί με κύματα υψηλής συχνότητας, όπως υπεριώδεις ή ακτίνες Χ.
Πρέπει να γίνει ένας άλλος συμβιβασμός μεταξύ ισχύος και εμβέλειας. Για να αυξηθεί η εμβέλεια του ραντάρ, η ισχύς δεν πρέπει να αυξηθεί κατά τον ίδιο συντελεστή, αλλά με τον ίδιο συντελεστή να αυξηθεί στην ισχύ του 4! Έτσι, για να διπλασιάσουμε απλώς την εμβέλεια, πρέπει να αυξήσουμε την ισχύ κατά δεκαέξι φορές! Στη συνέχεια, οι μηχανικοί διαπραγματεύονται μεταξύ αυτών των ιδιοτήτων και σχεδιάζουν έναν συγκεκριμένο τύπο ραντάρ για έναν συγκεκριμένο τύπο εφαρμογής.
Κάτω από το Ραντάρ
Οι περισσότεροι άνθρωποι γνωρίζουν το ραντάρ από το εμβληματικό πράσινο καντράν που είναι εγκατεστημένο στο ταμπλό κάθε αεροσκάφους χωρίς περιστασιακά να δείχνει ότι κανένα σύγχρονο πολεμικό δράμα δεν μπορεί να ολοκληρωθεί. Ο επιλογέας εμφανίζει παχύρρευστο λευκό, συνήθως κουκκίδες που αναβοσβήνουν, που ονομάζονται blips, που πέφτουν προς το κέντρο, σηματοδοτώντας ότι ένας πύραυλος ή ένας εχθρός πλησιάζει.
Το ραντάρ αναπτύχθηκε για να βρίσκει πλοία χαμένα σε πυκνή ομίχλη, αλλά η βαθιά του ικανότητα για ανίχνευση, λόγω των αναγκών των δύο Πολέμων, χρησιμοποιήθηκε τελικά για να ανιχνεύσει «στόχους» σε όλες τις σφαίρες – ξηρά, θάλασσα και αέρα. Φυσικά, αυτοί οι στόχοι άρχισαν σύντομα να βρίσκουν νέους τρόπους να λειτουργούν κρυφά.
Ένα αντικείμενο θα αντανακλά ραδιοκύματα μόνο εάν, όπως έδειξε ο Hertz, άγει ηλεκτρισμό. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα αεροπλάνα από αλουμίνιο είναι πολύ πιο εύκολο να βρεθούν τόσο από τους εχθρούς όσο και, στην περίπτωση των μη στρατιωτικών αεροπλάνων, από τις μονάδες ελέγχου κυκλοφορίας. Αυτό που μπορεί να κάνει κανείς για να λειτουργεί κρυφά είναι να πετάξει σε μη μεταλλικά αεροπλάνα. Αυτό περιλαμβάνει αεροπλάνα κατασκευασμένα από ξύλο, όπως κατασκευάστηκαν τη δεκαετία του 1930, ή από ανθρακονήματα, όπως πολλά είναι τώρα.
Οι μηχανικοί κατασκευάζουν επίσης αυτά τα stealth οχήματα με νέους, έξυπνους τρόπους. Είτε του δίνουν μια γεωμετρία που αντανακλά τα ραδιοκύματα τυχαία, ή τουλάχιστον έξω από το πεδίο του δέκτη, είτε κατασκευάζουν ένα αεροσκάφος με υλικό ή σύνθετο υλικό που απορροφά το μεγαλύτερο μέρος της εκπεμπόμενης ραδιοενέργειας, αντανακλώντας έτσι πολύ λιγότερη από ό,τι χρειάζεται για επαρκή ανίχνευση. Τότε μπορεί κανείς να πετάξει και «κάτω από το ραντάρ».
Το ραντάρ είναι μια τεχνολογία οπτικής επαφής. ο πομπός σχεδιάζει έναν κώνο ραδιοκυμάτων και εντοπίζονται εκείνα τα αντικείμενα που τυχαίνει να βρίσκονται σε αυτόν. Ωστόσο, η γη είναι στρογγυλή και οι πλευρές του κώνου είναι άκαμπτες, που σημαίνει ότι δεν μπορούν να εντοπίσουν σωστά την καμπύλη επιφάνεια της γης. Επομένως, ένα αεροσκάφος μπορεί να πετάξει απαρατήρητο πετώντας κάτω από αυτόν τον κώνο ή κάτω από το ραντάρ, κοντά στον ορίζοντα! Οι αυστηρές πλευρές του κώνου δεν μπορούν επίσης να εντοπίσουν ξαφνικές κατρακυλήσεις στο έδαφος, έτσι ένα αεροσκάφος μπορεί να πετά κρυφά κάτω από τις σκιές των βουνών επίσης.
Φυσικά, ο πόλεμος δεν είναι μόνο αυτό για το οποίο χρησιμοποιείται το ραντάρ. Ενώ εξακολουθεί να χρησιμοποιείται για την ανίχνευση πλοίων, βοηθά επίσης στην πλοήγηση και την αποστροφή της σύγκρουσης, οι γεωλόγοι το χρησιμοποιούν για να χαρτογραφήσουν τον φλοιό της γης, η αστυνομία το χρησιμοποιεί για να παρακολουθεί οχήματα, αποτελεί τη βάση του κινητού ή της πλειοψηφίας των τεχνολογιών ασύρματης επικοινωνίας και είναι απαραίτητο σε μια από τις πιο σημαντικές εφευρέσεις της ανθρωπότητας:την αυτόματη πόρτα. "Τίποτα, υποθέτω", είχε αποκριθεί ο Hertz με θλίψη.
