מכ”ם – המצאה ללא ממציא

ההיסטוריה של פיתוח המכ”ם מתחילה כבר מהימים הראשונים של חקר הקרינה האלקטרומגנטית. בניגוד למיתוס המקובל, הבריטים לא המציאו את המכ”ם. דווקא הגרמנים ביצעו את המחקר המתקדם ביותר – אולם נכשלו בהבנת משמעותו

מאת: רוני ליפשיץ

הכתבה פורסמה באתר Techtimes ומתפרסמת באתר הידען באדיבות הכותב ומערכת המגזין

למרות חשיבותו ותפוצתו הרחבה של המכ”ם ביישומים אזרחיי וצבאיים, ההיסטוריה של התפתחותו כמעט ולא מוכרת. בציבור הרחב מיוחסת המצאת המכ”ם לבריטים במלחמת העולם השנייה. על פי המיתוס, רק המדע והמדען הבריטי רוברט וואטסון-ואט, עמדו בינם לבין תבוסה במהלך מתקפת המפציצים של גרמניה הנאצית בתחילת מלחמת העולם השנייה.

המציאות היתה שונה: אומנם למכ”ם היתה השפעה מכרעת על תוצאות אותה מלחמה, אולם גם הגרמנים, הצרפתים, האמריקאים, הרוסים ואפילו ההונגרים החלו בפיתוח מערכות מכ”ם מפתיעות בשנים שקדמו למלחמת העולם השנייה. בפועל, ההיסטוריה של המכ”ם ארוכה כמעט כמו ההיסטוריה של גלי הרדיו עצמם.

השערת מאקסוול

כבר במחצית השנייה של המאה ה-19, העריך הפיסיקאי ג’יימס מאקסוול שקרינה אלקטרומנגנטית, כמו קרינת אור, ניתנת להחזרה על-ידי אובייטים שונים. ב-1887 ביצע הפיסיקאי הגרמני היינריך הרץ ניסוי אשר הוכיח את השערת מאקסוול.

הפטנט הראשון על המכ”ם נרשם דווקא בגרמניה, על-ידי כריסטיאן הלסמאייר. ב-9 ביוני 1904 התקין המדען בן ה-22 מערכת הדגמה מהפכנית בשם Telemobiloskop על סיפון אוניית המסחר ההולנדית קולומבוס בנמל רוטרדם. המערכת נועדה למנוע התנגשות ספינות, והתבססה על שידור אותות רדיו וקליטתם (אז הם כונו בשם “גלי הרץ”). היא היתה מסוגלת להפעיל מתג אלקטרו-מכני עם התגלות שיבושים באות הנקלט, אשר נוצרים על ידי גוף מתכתי כבד (כגון ספינה).

מערכת ראשונית זאת לא ידעה לזהות את מרחק האובייקט ואת כיוון תנועתו. מנהלי חברות ספנות גדולות מבריטניה, הולנד וגרמניה שהוזמנו להדגמה לא התרשמו ממנה, והנסיון הראשון למסחר את המכ”ם נחל כשלון. הסלמאייר נטש את התחום והקים מפעל לייצור ציוד מכני עבור מערכות מים וקיטור. בתקופת השלטון הנאצי נחשב הסלמאייר אזרח עוין ודרכונו נשלל. רק לאחר המלחמה הוא זכה מחדש באזרחותו הגרמנית, וב-1948 הוכר כראשון שהמציא מכשיר, שבעתיד יתפתח ממנו המכ”ם.

משוואת טסלה

אולם מכאן ועד למכ”ם מודרני הדרך היתה ארוכה. אחת מפריצות הדרך החשובות הראשונות מיוחסת לניקולא טסלה, הממציא הקרואטי-אמריקאי יוצא הדופן. טסלה נולד בשנת 1856 בעיירה סמיליאן, אז בתחומי האימפריה האוסטרו-הונגרית וכיום בתחומי קרואטיה. הוא למד הנדסת חשמל בעיר גראץ באוסטריה ובפראג, וב-1881 עבר לבודפסט כדי להקים את המרכזיה הטלפונית הראשונה בהונגריה עבור חברת הטלפון המקומית.

ב-1882 הצטרף לסניף הפאריסאי של חברת אדיסון, וכעבור 3 שנים החל לעבוד במעבדה המרכזית של אדיסון בארה”ב. אולם היחסים בין שני הממציאים היו קצרי ימים וסוערים. טסלה, אשר חקר את זרם החילופין, הגיע למסקנה שהוא יעיל יותר להפצת חשמל מאשר זרם ישר, בו התמקד אדיסון. השניים נפרדו, ונפתחה “מלחמת הזרמים” בשאלה כיצד ייוצר ויופץ החשמל. לאחר שטסלה המציא מנוע חשמלי הפועל בזרם החילופין, ונבנתה תחנת הכוח הראשונה לזרם חילופין על-ידי ווסטינגהאוז במפלי הניאגרה, המערכה הוכרעה לטובתו.

טסלה פיתח טכנולוגיית שידור אלחוטי, מנוע רב-פאזי, מערכת בקרה מרחוק לניהוג ספינות, שפופרת לייצור קרני X, טכנולוגיית העברת אנרגיה בשדות מגנטיים, ובערוב ימיו אפילו מתקן שהיה אמור לשגר קרני מוות להפלת מטוסים. ב-1917, במסגרת מחקריו על קרינה אלחוטית, פיתח את הגרסה הראשונית של משוואת המכ”ם, המאפשרת לחשב את התדרים וההספק של מכ”ם פרימיטיבי.

תחרות בגלים קצרים

משוואת טסלה שימשה יריית הפתיחה של מירוץ חימוש אלקטרוני שבו השתתפו המעצמות הגדולות: ארה”ב, גרמניה, צרפת ובריטניה, במטרה להיות הראשונות המפתחות מערכת מכ”ם עובדת. אולם כדי להשיג רזולוציות יעילות, הן נדרשו לפתח טכנולוגיית שידור בגלים קצרים מאוד.

“זהו המטען היקר ביותר שהובא אי-פעם אל חופינו”, כתב היסטוריון אמריקאי אשר תאר לאחר המלחמה את הבאת שפופרת המגנטרון לארה”ב תחת מעטה גדול של סודיות. השפופרת הומצאה בבריטניה בשנת 1940, הובאה לארה”ב לצורך ייצור המוני ולאחר מכן הותקנה בכל מערכות המכ”ם של בנות הברית במהלך המלחמה.

הקושי העיקרי לייצר מערכות מכ”ם נבע ממגבלות שפופרת הרדיו בייצר אותות חזקים בתדר גבוה. בתדרים שמעל 100 MHz, הפך פרק הזמן שבו חולפים האלקטרונים מהאנודה לקתודה בתוך השפופרת למשמעותי ומנע מעבר לתדרים גבוהים. ניסיון לייצר שפופרות קטנות יותר ובעלות הספק גבוה לא סייע לצלוח את המשוכה: החום הרב המיס את האלקטרודות.

מהפיכת המגנטרון

בשנת 1920 רשם המהנדס אלברט ואלאס האל (Hull) מג’נרל אלקטריק פטנט על שפופרת בשם Magnetron. ייחודה היה נעוץ במבנה חדש של אנודה וקתודה, וביכולת למקד את קרן האלקטרונים בתוך השפופרת באמצעות שדה מגנטי אשר יוצר מחוץ לשפופרת. אומנם היא פותחה לצורך ייצור תדרי תקשורת גבוהים, אולם מיד לאחר פרסום הפטנט השתמשו בה מדענים מיפן וגרמניה כדי לייצר מתנדים מהירים מאוד ליישומים נוספים.

ההתקדמות המהירה ביותר בוצעה בגרמניה. ד”ר הנס אריק הולמן (Hallmann), יליד 1899, חזר לגרמניה בשנת 1920 לאחר ששהה מספר שנים במחנה שבויים צרפתי, והחל לחקור במכון היינריך הרץ בברלין נושאים הקשורים ליונוספירה, רדיו-טלסקופ וגלים קצרים. הולמן התעניין בנושא הגלים הקצרים מאוד (מיקרוגל), במיוחד עבור יישומי תקשורת, ופרסם בשנת 1935 מאמר אודות הפיסיקה של גלים קצרים מאוד, שנקרא בשקיקה בכל העולם. בשנת 1934 הוא פיתח מערכת מכ”ם בסיסית, המבוססת על מגנטרון משופר שפותח בחברה שהקים, GEMA, אשר ייצר גלים באורך של 50 ס”מ.

מכ”ם גרמני

כבר בשנת 1934 ייצרה החברה את האבטיפוס הראשון של מכ”ם מסחרי, אשר איתר ספינת מלחמה ממרחק של 10 ק”מ. ב-1935 ייצרה החברה את המכ”ם הימי Seetakt, ואת המכ”ם האווירי Freya. אלא שבלחץ חיל האוויר הגרמני, מערכות אלה עבדו באורך גל של כ-80 ס”מ, כדי להאריך את מרחק הגילוי שלהם. להחלטה זו היתה השפעה גדולה על מלחמת העולם השנייה, שפרצה ב-1939. מערכות המכ”ם הגרמניות היו פחות מדויקות מהמערכות האמריקאיות והבריטיות, ועד לימים האחרונים של המלחמה הגרמנים לא הצילחו להתקין מערכות מכ”ם מוטסות ברמת דיוק דומה לבנות הברית.

ערב הפלישה לנורמנדי פרשו הגרמנים רשת של מערכות מכ”ם מודרניות מסוג Wurzburg להכוונת תותחי נ”מ. הן פעלו בתדר של 560 MHz, ויכלו לאתר מטוסים ממרחק של 100 ק”מ ובדיוק של 100 מטר. אולם זה היה מאוחר מדי. ההתמקדות הגרמנית במכ”ם לצורכי נ”מ, עיכבה את התפתחות השימוש במכ”ם מוטס למטרות תקיפה.

בזמן המלחמה מונה הולמן לאחראי על מכוני המחקר המדעיים באזורי הכיבוש הנאציים. לאחר המלחמה נאסר עליו לעסוק בתחום המיקרוגל למשך מספר שנים, עד שהוזמן לבצע עבודות פיתוח עבור ממשלת ארה”ב.

חקר ברקים ופיתוח מכ”ם בבריטניה

בינתיים גם הבריטים ביצעו פריצת דרך משמעותית, אם כי יישומית יותר מאשר טכנולוגית, בהנהגתו של סיר רוברט ואטסון-וואט (Watt). המדען הסקוטי יליד 1892, התבקש בשנת 1915 על-ידי המשרד הבריטי למטאורולוגיה לפתח מערכת לאיתור המיקום של סופות ברקים באמצעות גלי רדיו. בתוך 20 שנה הושגו מטרות רבות של הפרוייקט: ואטסון-וואט וצוותו בנו מערכת אנטנות אשר קלטו גלי רדיו מברקים והציגו את התוצאה באופן גרפי באמצעות שפופרת קרן קתודית.

ב-1935 הוא התבקש לבדוק את ההיתכנות של “קרן מוות” אלקטרומגנטית, שתשמיד מרחוק מטוסי אויב. וואט שלל את האפשרות, אולם במזכר ששלח למשרד האוויריה באותה שנה, הסביר שגוף מתכתי דוגמת מטוס אויב משדר אותות רדיו חוזרים כאשר “מאירים” אותו בקרינת רדיו באורך של 50 מטר. הקרינה מאפשרת לזהותו ברמת דיוק של מספר עשרות קילומטרים.

וואט הציע לשדר את האותות בפולסים קצרים, כדי לחשב את מרחק המטוס, ולהשתמש במספר אנטנות קליטה בו-זמנית על מנת לשפר את חישוב דיוק המיקום. משרד ההגנה הבריטי, שהחל לחשוש מעוצמתה של גרמניה, ביקש ממנו להתחיל בבניית רשת אנטנות מכ”ם לאורך החוף מול אירופה.

ב-1937 החל פרויקט Chain Home ונבנו שלוש תחנות שידור וקליטה ראשונות. עד תחילת המלחמה הושלמו 20 תחנות, ועד סופה נבנו 50 תחנות. למרות הנחיתות הטכנולוגית הבריטית ביחס למכ”ם הגרמני, כשפרצה מלחמת העולם השנייה וחיל האוויר הגרמני החל בהפצצות עומק על בריטניה, הוכיחה המערכת יעילות ועמידות יוצאות דופן.

המגדלים שניצחו בקרב על בריטניה

המערכת נבנתה משני מרכיבים עיקריים, עמודי מתכת בגובה של 110 מטרים, אשר היו מחוברים באמצעות כבלים ארוכים ו”הציפו” את השמיים בקרינת רדיו בתדר של 20-30 MHz. לצידם פעלו תחנות קליטה מתוך בקתות עץ ופיענחו את החזרי האותות שנקלטו באנטנות דו-כיווניות שהוצבו על גבי עמודי עץ בגובה של 73 מטרים.

המערכת היתה פשוטה ועמידה בפני תקלות. היא זיהתה מטוסי אויב ממרחק של כ-120 מייל, אולם דרשה מיומנות רבה בהפעלתה. בנוסף, אנטנות הקליטה היו דו-כיווניות והטכנאים היו צריכים לקבוע על-פי הערכתם ונסיונם מהו הכיוון הכללי ממנו מגיעה ההתראה.

אלא שלמרות חסרונותיה, המערכת הצליחה לאתר את רוב המתקפות של חיל האוויר הגרמני, ולשגר אליהן מטוסי יירוט. חסרונה, אגב, היה גם יתרונה. טכנולוגיית המכ”ם הגרמנית היתה כה מתקדמת ביחס לטכנולוגיה הבריטית, שהגרמנים לא האמינו שרשת המגדלים לאורך החוף היא מערכת מכ”ם גדולה. הם והיו משוכנעים שהיא משמשת מערכת תקשורת של הצי הבריטי ולכן אפילו לא ניסו להשמיד את מערכת המכ”ם הגדולה והבולטת.

המכשיר ששינה את פני המכ”ם

מערכת Chain Home היתה בעלת רמת דיוק נמוכה, לא פעלה היטב בלילה ודרשה מערך תחנות רחב היקף הפועלות בהספק גבוה. בשנת 1940 פיתחו ג’ון טרטן ראנדל (Randall) והארי בוט (Boot) מאוניברסיטת בירמינגהאם את מחולל האותות ששינה את מלחמת העולם השנייה: מגנטרון מהוד (Cavity Magnetron). מחולל התדרים שפותח על-בסיס המגנטרון של Hull היה מכשיר זעיר, הנישא בכף היד, שיייצר גלים אלקטרומגנטיים באורך של 10 סנטימטרים בלבד ובהספק גבוה.

בחודש ספטמבר 1940 הובאו לארה”ב 12 עותקים של המגנטרון המהפכני. הידע שהובא עימם שימשה להתנעת פרוייקט מחקר ופיתוח מהגדולים במלחמה, בהשתתפות 775 אוניברסיטאות בארצות הברית, תחת פיקוח היועץ המדעי והטכנולוגי של נשיא ארה”ב ווינבר בוש. תוצאות הפרויקט הורגשו בכל שדות הקרב. לראשונה ניתן היה לספק מערכות מכ”ם קטנות ויעילות למטוסי קרב ומפציצי לילה, לסוללות תותחים, לצי הספינות ואפילו להתקינם על גבי טילי שיוט. השלב הראשון בפרויקט המכ”ם הושלם: הרעיון הדמיוני הוכח כטכנולוגיה מעשית.

עטלף אלקטרוני נגד ספינות

מיד עם כניסת המכ”ם לשימוש נרחב לצורכי גילוי והתראה, החלו הנסיונות הראשונים לפתח מערכות נשק מבוססות מכ”ם. מאמצים אלה הגיעו לשיאם עם פיתוח טיל שיוט מונחה מכ”ם בארה”ב בשם עטלף (Bat), אשר נכנס לשימוש רק בשלהי המלחמה, בחודש מאי 1945. עד לסיום המלחמה הוא שימש להטבעת מספר משחתות יפניות ליד חוף בורנאו ולהטבעת צוללת ששהתה מעל פני המים ליד חופי יפן.

העטלף היה מטוס קטן בעל כנף קבועה ומדחף מונע במנוע חשמלי. הוא נישא מתחת לכנף מפציץ או מטוס סיור ימי, ושוחרר מהאוויר כשהוא נושא ראש קרבי במשקל של 454 ק”ג ובמהירות של 300 מייל לשעה. בחרטומו הותקן מכשיר מכ”ם, ומנגנון אוטומטי לניווט הטיל אל המטרה שאותה המכ”ם זיהה. לרוב, המפציץ שיגר את העטלף ממרחק של 15-20 מייל מהמטרה.

העטלף נולד מתוך תוכנית “דראגון”, אשר הוצעה על-ידי חברת RCA בינואר 1941. הכוונה היתה לפתח טורפדו מעופף המתכוונן אל מטרות ימיות באמצעות מצלמת טלוויזיה. כאשר הושלם פיתוח המבנה האווירודינמי של הטורפדו, הפכו הצוללות הגרמניות באוקיאנוס האטלנטי לאיום העיקרי על מאמץ המלחמה האמריקאי, והוחלט על הסבתו למערכת Pelican: פצצת שיוט נגד צוללות אשר צויידה בפצצת עומק ונועדה לפעול באמצעות מערכת ניווט חצי-אוטומטית, שבה המכ”ם עצמו נמצא בתוך מטוס, וממנו נשלחות ידנית פקודות הניווט לטיל.

באמצע 1943 שונו שוב יעדי הפרויקט, והוא הוגדר כטיל נושא מכ”ם נגד ספינות. ביולי 1944 פגעו רק שתי פצצות מתוך ארבע בספינות מטרה ליד נמל ניו-יורק, והפרויקט בוטל. מיד לאחר הביטול החל משרד החימוש של הצי האמריקאי בפיתוח העטלף, בשיתוף פעולה עם המכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס, על בסיס הידע שנצבר בפרויקטי דראגון ופליקן.

עד סוף המלחמה יוצרו כמה אלפי עטלפים, אשר צוידו במערכות מכ”ם מתוצרת Western Electric. חלקם אף שימשו לתקיפת והריסת גשרים ששימשו את הצבא היפני בבורמה.

המכ”ם הרוסי: טיהור הרה אסון

בלילה בהיר וקפוא במיוחד בחודש מרץ 1932 בוצע בבריה”מ ניסוי יוצא דופן. הצבא האדום בחן אפשרות להתגונן בפני מטוסי אויב, ופיתח מערכת המאתרת אותם, מעריכה את מיקומם ומכוונת לעברם תותחי נ”מ. אלא שהניסוי נחל כשלון חרוץ: המערכת גילתה רק 50% מ”התקיפות”, וגם זה רק בתנאים מושלמים. הסיבה לכך היתה טכנולוגית. מערכת Proehzvuk היתה מערכת אקוסטית: היא התבססה על הגברת רעשי המנוע של המטוס המתקרב, איתור מקור הרעש והפניית זרקור רב-עוצמה ותותחי נ”מ אל המיקום המשוער של המטוס.

בעקבות הכשלון, בחן המינהל המרכזי לארטילריה (GAU), גוף הפיתוח העיקרי של הצבא האדום, מערכת חלופית המבוססת על זיהוי קרינה תרמית: במוקד רפלקטור שהוסר מזרקור, הוצב חומר רגיש לחום, אשר הטמפרטורה שלו הומרה לזרם חשמלי, אשר הומר לאותות שמע. לרוע המזל, הרעיון המהפכני לא היה מעשי. המערכת יכלה לזהות מפציצים ממרחק של עד 12 ק”מ, וגם אז רק בחשיכה ורק בלילות בהירים וחסרי עננה.

מהנדס אלקטרוניקה צעיר שעבד מפקדת חיל האוויר, בשם Pavel Oshchepkov, הציע גישה חדשה. אושצ’פקוב נולד ב-1908, התייתם ממשפחתו במהלך מלחמת האזרחים שפרצה לאחר מהפיכת אוקטובר 1917 וגדל בבתי יתומים של המדינה. במהלך שירותו הצבאי הוצב אושצ’פקוב בגדוד נ”מ והיה מעורב בניסויי מערכת ההתראה האקוסטית. בעקבות הכשלון הוא הציע להשתמש בגלי רדיו לגילוי ואיתור מפציצים.

הוא מונה לבדיקת ההיתכנות הטכנולוגית של הרעיון, ולאחר סדרת פגישות עם ראשי האקדמיה למדעים במוסקווה דיווח ש”כאשר קרינה אלקטרו-מגנטית פוגעת באובייקט, הוא תמיד מחזיר חלק מהקרינה. באמצעות ניתוח מורכב של הקרינה המוחזרת ניתן לחשב את הכיוון והמרחק של האובייקט”.

בעקבות הדו”ח הוקם מנגנון פיתוח בניהול אושצ’פקוב, אשר החל לגבש את הרעיון. מרגע זה ההתקדמות היתה מהירה: עד 1936 פותח מכ”ם פולסים נסיוני בהספק נמוך (50 ואט) המשדר גלים באורך של 4-5 מטרים, אשר זיהה מפציצים ממרחק של 7 ק”מ. כאשר הוחל בפיתוח מכ”ם בהספק גבוה לטווח רחוק, התרחש אסון: ביוני 1937 החל מסע הטיהורים הגדול שיזם סטאלין ערב מלחמת העולם השנייה.

מפתחי המכ”ם היו מהקורבנות הראשונים של הטיהורים, ואושצ’פקוב עצמו נדון ל-20 שנות גלות בסיביר. אומנם ב-1939 חודשו המאמצים לפיתוח מכ”ם סובייטי, אולם עד לפרוץ המלחמה הוא לא היה מבצעי. המחיר ששילמה ברית המועצות היה כבד: בשעות הראשונות של הפלישה הגרמנית השמיד חיל האוויר הגרמני 1,200 מטוסים רוסיים, כ-800 מהם על הקרקע. אפילו מערכת מכ”ם פרימיטיבית היתה יכולה למנוע אסון כה כבד, שהיה בעל השלכות עצומות על מהלך המלחמה.

מקורות:
Christian Hülsmeyer and the early days of radar/Arthur O. Bauer, 2005
Inventor of Dreams/W. Bernard Carlson/Scientific American. March 2005
The Creator of the Electric Age/Anil K. Rajvanshi/Resonance. March 2007
Radio-Location and the Air Defence Problem: The Design and Development of
Soviet Radar 1934-40/John Erickson/Science Studies. July 1972
Microwave Radar, the Atomic Bomb, and the Background to U. S. Research
Priorities in World War II/Joel Genuth/Science, Technology, & Human Values. Summer 1988
National Institute of Standards and Technology: Celebrating our Centennial (www.100.nist.gov)
http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_radar

על שימוש במכ”ם בעידן החלל תוכלו לקראו בידיעה: מכ”ם המאדים חשף תוואים מעניינים מתחת לפני השטח