レーダー、砲座、Mk. IおよびMk. II

GL Mk. I
原産国英国
紹介されたMk. I 1939年後半Mk. I* 1941年初頭
建造数410
タイプAA方向
頻度54.5～85.7MHz
PRF1.5 kHz
パルス幅3μ秒
方位角現在の方位から±20°
精度50メートルの範囲
力50kWピーク
その他の名前対空レーダー No.1 Mk.1
GL Mk. II
GL Mk. II 送信機バン
原産国英国
紹介された1941年後半
建造数1,679
タイプAA方向
頻度54.5～85.7MHz
PRF1～2.5kHz
パルス幅1～1.2μs
範囲50,000ヤード（46 km）の探知、30,000ヤード（27 km）の追跡、14,000ヤード（13,000 m）の砲方向
方位角現在の方位から±20°
標高15～45°
精度射程距離50メートル（55ヤード）、方向誤差0.5°以内
力150kWピーク
その他の名前対空レーダー No. 1、Mk. 2、SON-2

レーダー（ガン・レイニング・レーダー、略称：マークI、GL Mk. I）は、第二次世界大戦前にイギリス陸軍が開発したレーダーシステムで、対空砲兵に射程情報を提供する目的でした。この基本システムには、目標の方位と仰角を正確に測定する機能を追加したGL/EF（エレベーション・ファインダー）とGL Mk. IIという2つの改良版がありました。この名称は、ガン・レイニングと呼ばれる、砲を目標に向けるレーダーの能力に由来しています。

最初のGLセットは、1936年以降に開発された基本設計であった。初期のチェーンホームレーダーの電子機器を基にしたGLは、砲台に取り付けられた木製のキャビン内にある別々の送信機と受信機を使用していた。各キャビンには独自のアンテナがあり、目標に向けるために回転する必要があった。送信信号は非常に広く、約120度の扇形であった。そのため、このレーダーは斜距離情報の測定にしか役立たなかった。目標の方位精度は約20度で、仰角情報は提供できなかった。数台がイギリス海外派遣軍に配備され、少なくとも1台はダンケルク撤退中にドイツ軍に鹵獲された。その後のドイツによる評価では、イギリスのレーダーはドイツのレーダーよりもかなり遅れていると考えられるようになった。

1939年に最初のMk. Iユニットが配備された頃から、これらの欠点を克服する計画は進められていたが、これらのMk. IIユニットが利用可能になるのは早くても1940年だった。迅速な解決策として、方位と仰角を約1度の精度で測定できるGL/EFアタッチメントが採用された。これらの改良により、航空機を破壊するのに必要な弾丸の数は4,100発にまで減少し、戦争初期の結果と比べて10倍の改善が見られた。約410発のMk. Iユニットと若干改良されたMk. I*ユニットが生産された後、銃を直接誘導できるほどの精度を持つMk. IIの生産に移行した。より高い精度とより簡単な操作によって、Mk. IIでは撃墜あたりの弾丸の数は2,750発にまで減少した。1941年のドイツ軍によるソ連侵攻後、約200発のMk. IIユニットがソ連に供給され、SON-2という名前で使用された。生産終了までに1,679台のMk. IIが生産された。

1940年に空洞マグネトロンが導入されたことで、指向性の高いパラボラアンテナを用いた新たな設計が生まれ、より小型のアンテナでも正確な測距と方位測定が可能になりました。これらのGL Mk. IIIレーダー装置は、英国でMk. IIIBとして、またカナダで現地設計されたモデルがMk. IIICとして製造されました。Mk. IIは、前線でMk. IIIに置き換えられても、副次的な役割で運用され続けました。そして、1944年以降、 これらはいずれもより高性能なSCR-584に置き換えられました。

発達

陸軍細胞

英国におけるレーダーに関する最初の言及は、1930年に陸軍戦争省信号実験局（SEE）のWASブテメントとPEポラードによってなされた提案である。[ 1 ] [ 2 ]彼らは、沿岸砲台と併用する船舶探知用レーダーシステムの構築を提案し、波長50cm（600MHz）のパルスを用いた低出力ブレッドボード型プロトタイプを製作した。戦争省はこれに関心を示さず、更なる開発のための資金提供も行わなかった。この件は、1931年1月発行の王立工兵隊発明書に掲載されている。[ 3 ] [ 4 ]

1936年、航空省によるレーダーの実演が成功し、後にチェーン・ホーム（CH）となるシステムが急速に進歩したことから、陸軍は突如この話題に興味を持ち、ボージー・マナーにある新本部のCHレーダーチームを訪問した。そこで彼らは、半移動式配備を目的としたCHシステムの小型版を見学した。これは陸軍の任務に活用できそうに思われ、1936年10月16日に軍事応用課（通称陸軍セル）が設立された[ 5 ]。このグループはボージーに部屋を与えられ、SEEのバトメントとポラードが参加した[ 6 ] 。

当初、この部隊は対空射撃能力の向上を任務としており、取り組むべき主要な課題は正確な距離測定であると告げられた。[ 5 ]航空機を検知し、その方位と仰角を正確に測定するために光学機器が使用されていたが、光学的な手段による測距は依然として困難で時間がかかり、手順における単純な誤りが発生しやすかった。正確かつ迅速な測距を可能にするレーダーシステムがあれば、航空機との交戦成功率が大幅に向上する。彼らの目標は、14,000ヤード（13 km）の距離において50ヤード（46 m）以内の精度で測距を行うことであった。陸軍の命名法に従い、この概念は対空砲兵の砲座（GL）を支援する役割から「砲座レーダー」と名付けられた。[ 5 ]

同年、CHのメイン開発チームから空挺グループが分離され、大型航空機への搭載に適したはるかに小型のレーダーシステムを開発しました。これは航空機迎撃レーダーの役割（AI）となり、夜間に爆撃機を探知し、重戦闘機が独自のレーダーで爆撃機を発見して攻撃できるようにすることを意図していました。これらのシステムがイギリス海峡で船舶を容易に捕捉できることが実証されると、陸軍細胞はこれらのシステムを沿岸防衛役割（CD）に採用するための第2グループを立ち上げ、距離と角度の両方の測定精度を提供し、沿岸砲台を盲目的に射撃できるようにしました。このチームはブテメントが率い、ポラードが砲台設置システムの主要開発者になりました。[ 6 ]

Mk. Iの開発

GLの取り組みはChain Home開発の初期段階から開始され、意図的にその技術を可能な限り活用することを目指しました。Butementの初期の実験システムとは異なり、CHは商用短波無線システムの既存の電子機器をベースにしていました。これは、短波無線システムが当時最も高出力の無線システムの一つであったためです。このアプローチの欠点は、適切な利得を得るためには、無線アンテナが一般的に無線信号の波長のかなりの部分を占める必要があることです。半波長ダイポールアンテナが一般的です。CHが当初使用した50メートルの波長では、約25メートル（82フィート）のアンテナが必要でした。[ 7 ] [ a ]

これはいかなる移動型システムにも実用的ではありませんでしたが、1930年代後半に新しい電子機器が登場するにつれて、レーダーシステムで使用される波長はますます短くなっていきました。GLが試験を開始する準備が整う頃には、システムは3.4～5.5メートル（11～18フィート）の波長で動作できるようになり[ 9 ]、アンテナのサイズは扱いやすい数メートルの長さにまで縮小されました。同様の電子機器の変更により、CHの小型版であるモバイル無線ユニット（MRU）も開発されました。MRUは移動型早期警戒システムとしてだけでなく、メインのCH局が機能停止した場合のバックアップサービスとしても使用されました[ 6 ] 。

CH型レーダーディスプレイは、タイムベースジェネレータを用いて鋸歯状波電圧を生成し、ブラウン管（CRT）の入力端子の1つに供給する。タイムベースは、レーダーの最大距離にある物体から反射されたエコーと同じ時間でCRTのドットが画面上を移動するように調整されている。ドットは非常に高速に移動するが、実線のように見える。反射信号は増幅され、CRTのもう一方のチャンネル（通常はY軸）に送られ、タイムベースによって生成される直線から点が偏向する。航空機のような小型物体の場合、この偏向によってディスプレイ上に小さな点が表示される。この点の位置をディスプレイ上の目盛りと比較することで、目標までの距離を測定できる。[ 5 ]

このような表示の精度は、管の大きさとレーダーの測定距離に依存します。典型的な3インチ（76mm）CRTの目盛りに沿って1mmの精度でブリップを測定できるとすると、そのレーダーの最大測定距離は14,000ヤードです。この場合、1mmは14,000÷(75÷1)、つまり186ヤード（170m）強に相当します。これは、約50ヤード（46m）という目標精度よりもはるかに低いものでした。[ 5 ]

これほど正確な測定を継続的に行えるシステムを提供するために、ポラードは、CRTディスプレイ全体を使用して、事前に選択された距離設定の両側の短い距離のみの距離を表示するシステムを開発した。このシステムは、時間基準をトリガーするしきい値に達するまで、コンデンサを既知の速度で充電することによって機能した。時間基準は、1キロメートル未満の時間で画面を横切るように設定されていた。充電速度の制御には大型のポテンショメータが使用され、 [ 10 ]距離のオフセットが提供された。ターゲットまでの距離は、ポテンショメータを使用してブリップをディスプレイの中央まで移動させ、ポテンショメータの目盛りから距離を読み取ることで測定された。基本システムは急速に発展し、1937年の夏までにテストシステムは3,000ヤード（2,700メートル）から14,000ヤード（13キロメートル）の航空機に対して100ヤード（91メートル）の精度を提供しました。その年の終わりまでに、これは25ヤード（23メートル）まで精度が向上しました。[ 11 ]

このシステムの当初の要件は光学機器に追加情報を提供することだったため、正確な方位測定は不要でした。測距対象の目標が光学的に追跡されている目標であり、近くの別の目標ではないことを確認する手段が必要でした。この役割のために、システムは約1波長間隔で垂直に設置された2つの受信アンテナを使用しました。これらのアンテナを目標に直接向けると、受信信号が打ち消され、ディスプレイ上に信号が消えるヌルが生成されます。このヌルは2つ目のディスプレイに送信され、オペレーターはアンテナを目標に向け続けるように努めました。[ 12 ]

約20kWの短パルスを発生する送信機は、車輪付きトレーラーに載せられた大きな長方形の木造キャビンに設置されていた。キャビンの一端には、短い垂直延長部に半波長ダイポールアンテナが1本設置されており、その長軸に「射線」が沿っていた。このアンテナは指向性が極めて低く、左右約60度の扇形に信号を放射していた。[ 13 ]

受信機はかなり複雑だった。操縦室は送信機よりもやや小さく、対空砲架の軸受けシステム上に設置されており、これにより操縦室全体が垂直軸を中心に回転することができた。屋根の少し上に、操縦室の輪郭とほぼ一致する長方形の金属枠があった。枠の長辺の片側には3本のアンテナが一列に並んで設置されていた。距離測定は中央のアンテナから、方向測定は両端の2本のアンテナの信号を比較することで行われた。2本の軸受けアンテナの背後には、約1波長離れた位置に反射器が設置されており、受信角度を狭める効果があった。[ 13 ]

現場では、送信機は攻撃が予想される方向に向けられ、受信機は地元の発生源からの反射信号から保護するために少し離れた場所に設置されます。[ 14 ]

初期展開

1939年までに、チームは機器の状態に十分満足し、生産契約を締結した。メトロポリタン・ヴィッカース社が送信機、 ACコッサー社が受信機の契約を獲得した。GLセットの大量生産は特に困難ではなく、1939年末までに59台の完成システムが納入された。さらに1940年には344台が完成した。[ 15 ]

このシステムはまさに求められていた通りの性能を発揮し、50ヤード程度の精度で距離測定を可能にした。しかし、現場ではこれでは不十分であることが明らかになった。1939年後半には夜間爆撃の脅威が大きな懸念事項となり、GLシステムは正確な方位情報と仰角情報を提供できなかったため、夜間に砲撃を指示することができなかった。[ 12 ]代わりに第一次世界大戦時の運用方法が採用され、サーチライトでほぼランダムに目標を探し、目標が照らされた後に従来の光学機器で方位と仰角を測定した。しかし実際には、これは第一次世界大戦時と同様に効果がないことが証明された。[ b ]

GLシステムに多大な時間、労力、そして資金を費やしたにもかかわらず、電撃攻撃によって陸軍の防空システム全体が機能不全に陥った。陸軍対空軍司令官フレデリック・パイル将軍は次のように述べている。

レーダーの初期トラブルは甚大でした。1940年10月初旬までに、夜間に一発も発射できませんでした。ひどく失望しました。レーダーの設置は驚くほど迅速に完了しましたが、その後の調整に非常に苦労しました。私たちが立てた計画はすべて失敗に終わり、しかもその原因は私たちの手に負えないものでした。[ 15 ]

目標の探知に関しては、GLはほとんど効果を発揮しなかった。機械的な観点から、追跡のためにシステム全体を振り回す必要があることが大きな問題であった。より深刻な制限はディスプレイであり、距離表示には空の小さな部分しか表示されず、方位表示にはオンターゲット/オフターゲットの表示が1つしかなかった。目標を見つけるためにアンテナを方位方向に振り回すことは可能だったが、その方向の精度はわずか20度で、アンテナを目標に一直線に保つには十分であったが、特に夜間に光学機器を目標に向けることにはほとんど役に立たなかった。さらに、方位表示にはアンテナが一直線になっているかどうかしか表示されず、もしアンテナが一直線になっていない場合に目標がどちら側にあるかは表示されなかったため、追跡のためにアンテナをどの方向に向けるかを決定するためにより多くの作業が必要であった。[ 12 ]

これらの問題に加えて、複数の航空機がビームに入った場合、広い扇形の信号は深刻な問題を引き起こしました。この場合、距離表示と方位表示の両方に複数の点滅が表示され、どれがどの目標からの信号なのか判断が不可能になりました。このような状況では、最も経験豊富な乗組員でさえ、目標を満足に追跡することができませんでした。[ 17 ]

ダンケルクのレーダー

GL Mk. Iセットは、早期警戒を提供するMRUシステムとともに、イギリス海外派遣軍に配備されました。防衛線の崩壊とダンケルク撤退に伴い、これらのセットはフランスに放棄されました。[ 18 ]

ヴォルフガング・マルティーニ率いるレーダーチームは、設計図を組み立て、システムの基本的な運用能力を判定するのに十分な部品が残っていました。しかし、彼らが発見したものは、彼らに大きな感銘を与えるものではありませんでした。 [ 18 ]ドイツ空軍の早期警戒レーダー（フライヤ）と砲撃レーダー（ヴュルツブルク）は、当時のイギリスのレーダーよりもはるかに先進的で、[ 19 ] 50cm程度のはるかに短い波長で動作していました。[ 20 ]

この評価は、1939年8月にドイツの飛行船LZ130グラーフ・ツェッペリンがイギリスのレーダー探知に失敗した事実と相まって、イギリスのレーダーシステムの有用性を過小評価する方向に進んだように思われる。チェイン・ホームの存在を認識していたにもかかわらず、バトル・オブ・ブリテン直前に書かれたイギリス空軍の状況に関する報告書では、ドイツはレーダーについて全く言及していなかった。他の報告書でもレーダーについて言及されているものの、それほど重要視していない。ドイツ空軍の他の部隊は、レーダーシステム全体を軽視していたようだ。[ 18 ]

Mk. IIの開発

GLチームは既に、正確な方位と仰角の情報も提供できる、システムの大幅な改良版の計画を開始していました。彼らは常に、GLシステムがあらゆる測定において砲の方向を正確に指示できるようにしたいと考えていましたが、システムをできるだけ早く現場に導入するという緊急の必要性により、これは実現しませんでした。[ 21 ]

この機能を追加するために、彼らはブテメントが開発中の沿岸防衛レーダーのコンセプトを応用した。そのアイデアは、わずかに異なる方向を向いた2つのアンテナを使用し、それぞれの受信領域（ローブ）が2つのアンテナの中心線でわずかに重なり合うようにすることだった。その結果、受信パターンは、ターゲットが中心線のわずかに片側にあるときに各アンテナが最大信号を生成するのに対し、ターゲットがちょうど中心にある場合は、両方のアンテナでわずかに小さいが等しい信号を生成するというパターンになる。スイッチを使用して2つのアンテナ間で信号を交互に送信し、同じ受信機、増幅器、CRTに送信する。信号の1つは遅延を介して送信されるため、そのブリップはわずかにオフセットされて描画される。[ 22 ]

その結果、CHに似た表示が得られ、視界内の目標までの距離が表示されますが、各目標は2つの近接したブリップを生成します。ブリップの長さを比較することで、オペレーターはどちらのアンテナが目標に正確に向いているかを知ることができます。[ 23 ]アンテナを信号が強い方、つまりブリップが長い方の方向に回転させると、目標が中心に配置され、2つのブリップの長さが等しくなります。比較的長い波長を使用した場合でも、これらのローブ切り替えシステムにより0.5度程度の精度を達成できます。[ 24 ]

マークI*

Mk. Iが現場に到着すると、基本的な電子機器にいくつかの改良が導入されました。これらはまとめてMk. I*バージョンが作られました。Mk. IとMk. I*の違いは主に細部にあります。Mk. Iでは、受信バンのディスプレイは、小さなアンテナで送信信号を受信すると作動しました。送信機と受信機の特定の方向では、アンテナが受信する信号が弱すぎて動作しないことが判明しました。これは、2つのキャビン間を結ぶケーブルに置き換えられ、ケーブルロックと呼ばれました。受信機のRFステージの特定の細部により、信号対雑音比が向上し、発電機の差を補正するために電圧レギュレータが追加され、ポテンショメータの複雑な接地システムを電子式に置き換える新しいシステムが導入されました。さらに大きな変更は、妨害電波防止機能の導入です。[ 25 ] [ c ]

ベッドフォードアタッチメント

1939年後半には、現状のMk. Iは戦場、特に夜間において完全には役に立たないことが明らかになり、Mk. IIが利用可能になるのは少なくとも1941年初頭まで待たなければならないことが分かりました。レスリー・ベッドフォードはコッサー社にCH受信機を製造するレーダー開発部門を設立しており、対空砲手のニーズとレーダーシステムの可能性の両方を熟知していました。彼は、Mk. IIのアンテナとディスプレイシステムをMk. Iシステムに転用するのは比較的容易であり、多くの点でMk. IIと同様の利点が得られるだろうと示唆しました。[ 12 ]

その結果、GL/EF（砲座仰角探知機）が誕生した。これは「ベッドフォード・アタッチメント」の略称で呼ばれていたが、ほぼ普遍的にそう呼ばれていた。[ d ]この改良により、垂直アンテナとそれを読み取るための新しい仰角測定CRT、そして垂直角を正確に測定できるラジオゴニオメーターが追加されました。GL/EFを搭載したMk. I*は、1941年初頭、電撃戦が最高潮に達した頃に配備が開始されました。[ 12 ]

ベッドフォード・アタッチメントのシステムは、レーダーのみに基づいて砲の照準に必要なすべての情報を提供しました。3軸すべてが継続的に読み取られるため、光学的な入力を必要とせずにレーダーから直接情報を予測装置に供給できました。同様に、砲自体も予測装置によって自動的に駆動されるか、「配置」されるか、あるいは機械式ポインターに従って予測装置の出力と一致するように配置装置に指示を与えるかのいずれかでした。この概念は「針を針に当てる」と呼ばれていました。信管の設定さえも、レーダーから得られる距離値に基づいて自動的に設定されました。こうして砲術全体が高度に自動化されました。[ 14 ]

キャリブレーションの問題

金属線で作られた大きなマットの中央にあるレーダー設置部を上空から見た画像。
サンダーランド北方の東海岸に設置された砲台マットの航空写真。中央の傾斜路とプラットフォームが目を引きます。

この時点で、較正に関する深刻な問題が顕在化した。気球に吊るした反射鏡や時折飛来する航空機との試験など、相当な研究を重ねた結果、主な問題は基地周辺の地盤の平坦化にあることが明らかになった。初期のレーダーで使用されていた長波長は、地表で強く反射し、上空へと戻っていった。この反射信号は、送信機からの直接信号とともに、目標物に到達し、受信機に返されることがあった。両者の干渉により、受信パターンにヌルが生じ、これは今日ではマルチパス伝播として知られている。このため、アンテナが目標物を追って回転し、画面に目標物が現れたり消えたりするため、目標物を見つけるのが困難であった。[ 27 ]

当初、これは深刻な問題にはならず、各サイトごとに校正表を作成すれば対処できると考えられていました。例えば、ある方向では地面がわずかに低く、その方向に向けると空中に特定のヌルパターンが形成される一方、別の方向では地面が高く、異なるパターンが形成される可能性があります。理論的には、このパターンを測定し、任意の方位角に対応する校正表を作成することは可能です。しかしながら、最初のテストでさえ、校正は波長によって変化することが判明しました。これは、レーダーがメンテナンスを受けたり、予備のレーダーに交換されたりした場合に発生します。つまり、各レーダーごとに複数の校正表を作成するか、異なる方位に対応する単一の補正表が必要な場合は、波長の変化に合わせてアンテナを垂直方向に移動させて調整する必要がありました。どちらも現実的ではありませんでした。[ 23 ]

再び、解決策を提案したのはベッドフォードであった。レーダーを較正する代わりに、彼は地面自体を較正し、金属製のワイヤーマットを使用してステーションの周囲の領域を平坦にすることを提案した。この方法により、レーダーが回転したり周波数を変更したりしても、パターンは同じままになる。そのようなシステムの設計は、陸軍部隊に最近入隊した物理学者のネビル・モットに委ねられた。 [ 27 ]最終的に適切な寸法は、直径130ヤード（120メートル）の八角形で、2インチ（5.1センチ）四方の金網であることがわかった。これは、空中で約5フィート（1.5メートル）の高さにある木の杭の上を通る何百もの張力のあるワイヤーによって支えられていた。アンテナとワイヤーの接地マットとの間に適切な間隔を確保するために、レーダーシステムをブロックの上に持ち上げなければならず、マットの上の木製の通路を通ってアクセスした。[ 28 ]

英国に拠点を置く地上部隊にこれらのグランドマットを装備するための努力は膨大だった。1枚のマットに、幅4フィート（1.2メートル）、長さ50ヤード（46メートル）の金網が230ロール使用された。合計で約15,000平方ヤード（13,000平方メートル）の面積を覆い、 650マイル（1,050キロメートル）の金網を使用した。さらに、金網の下の支持構造物に使用された10マイル（16キロメートル）の太い金網も使用した。当初は101か所に直ちにマットを設置する計画だったが、1940年12月までに1,000マイル（1,600キロメートル）以上の亜鉛メッキ金網を消費し、国全体の資材供給を使い果たして全国的な金網不足を引き起こした。[ 29 ]

マットの建造には約50人の作業員が4週間を要した。[ 30 ] [ 27 ] 1941年1月末までに改修されたのはわずか10カ所で、その間も新しい対空砲座の設置が相次いだため、候補地の数は完成するペースを上回るペースで増加していった。4月までにパイルは対空砲座の95%にマットが必要と結論付け、1942年3月までに600カ所が運用可能になると予想した。このプログラムは最終的に何年も続いたが、マットを必要としない新しいシステムが導入されるにつれて徐々に縮小していった。[ 21 ]マットプログラムは1943年3月に正式に終了した。[ 31 ]

完全に解決されなかったもう一つの問題は、その地域における気球弾幕が強力な反射鏡となり、その背後にあるものが見えなくなってしまうことだった。これは特に厄介な問題であり、気球は対空砲の近くに配置されることが多く、高目標の防衛には2つのシステムが併用されていた。低高度での反射を排除するシステムという解決策が検討されたが、完全には開発されなかった。[ 23 ]

劇的な結果

対空システムの継続的な技術進歩に加え、パイルは1940年9月以降、対空指揮部の最高位に科学顧問を任命することで、対空防衛の全体的な状況を大幅に改善した。この役職に、彼は第一次世界大戦でイギリス海軍に従軍し、その後も優れた数学的才能を発揮していたパトリック・ブラケットを選んだ。ブラケットは対空防衛の問題を純粋に数学的な観点から研究することを計画していた。この概念は防空防衛の他の分野で非常に有益であることが証明され、最終的にはオペレーションズ・リサーチ（ OR）の一般分野へと発展していくことになる。[ 32 ]

ブラックエットは対空指揮研究グループとして知られる研究グループを結成したが、一般的には「ブラックエットのサーカス」と呼ばれていた。ブラックエットは意図的に異なる背景を持つメンバーを選出した。生理学者のデイヴィッド・ケインズ・ヒル、アンドリュー・ハクスリー、レナード・アーネスト・ベイリス、数理物理学者のアーサー・ポーターとフランク・ナバロ、天体物理学者のヒュー・アーネスト・バトラー、測量士のG・レイボールド、物理学者のI・エバンス、そして数学者のA・J・スキナーとチーム唯一の女性であるM・キーストが含まれていた。[ 33 ]彼らの目標はブラックエットによって簡潔にまとめられていた。

…最初の課題は、鉛筆と紙、距離表と信管表だけに基づいて、レーダーデータをプロットし、将来の敵の位置を予測して砲を使用するための最良の方法を見つけることでした。第二の課題は、数週間以内に製造される予定の簡易型のプロット装置の設計を支援することでした。第三段階は、既存の予測装置をレーダー装置と組み合わせて使用​​する方法を見つけることでした。[ 34 ]

一方、1940年11月、ジョン・アシュワース・ラットクリフは、ロンドン西部のピーターシャムに対空砲術学校を設立するため、バウジーの航空省から異動となった。 [ 33 ]すぐに明らかになった問題の一つは、弾道計算を行うアナログ計算機である予測装置への入力が非常に誤りやすいことだった。この情報は陸軍幹部にフィードバックされ、ここでもレスリー・ベッドフォードが解決策を導き出した。その結果、対空学校で運用される訓練機が複数製作され、操縦士の技能向上に役立った。[ 35 ]

サーカスはすぐにロンドン地域のいくつかの対空砲火施設に4台目のトレーラーを追加した。これは、予測装置への入力、発射された弾丸の数、そして結果を記録することだけに特化したものだった。これらの数値は対空砲火指揮系統にフィードバックされ、改善の余地がないか探られた。終戦直後に出版された公式記録によると、1940年9月から10月の間に26万発の対空砲火が発射され、14機が撃墜された。撃墜率は18,500発/撃墜だった。これはレーダー導入以前の統計である41,000発/撃墜から既に大きな改善だった。しかし、GL/EF、GLマット、そしてより優れたドクトリンの導入により、1941年までに撃墜率は4,100発/撃墜にまで低下した。[ 32 ] [ 36 ]

Pile 氏は、この改善点について次のようにコメントしています。

当初の困難はほぼ解消され、5月11日から12日にかけて空襲が広範囲に及んだため我々の任務範囲は拡大し、9機の損害（うち1機は恐らく、17機が負傷）を出した。[...]電撃作戦は事実上その夜に終了した。電撃作戦終了までに、我々は170機の夜間空襲機を撃破し、さらに58機を撃破したとみられる。また、程度の差はあれ、118機に損害を与えた。[ 36 ]

Mk. IIが到着

Mk. IIの製造はグラモフォン社とコッサー社によって行われた。[ 11 ] Mk. IIのプロトタイプは1940年6月に登場し始めたが、Mk. Iから得られた情報が増えるにつれて設計に大幅な変更が加えられた。最終的な設計は1941年初頭に量産が開始された。[ 21 ]

受信機アレイの下の木製キャビンには、距離、方位、仰角を表示するCRTがそれぞれ設置されており、交戦中も継続的な追跡が可能でした。送信アンテナには2つのバージョンがあり、1つは目標を最初に捕捉または探索するための広角ビーム、もう1つは単一の目標を追尾する際に使用する、はるかに狭いビームのものでした。これは複雑さを増しましたが、ディスプレイに複数の目標が表示される問題を大幅に軽減しました。[ 24 ]

Mk. IIには、出力が3倍の50kWから150kWに増強された新型送信機も搭載されていた。この出力増加によって射程距離は幾分向上したが、より重要なのは、射程距離はそのままにパルス幅を大幅に狭めることが可能になったことである。エコーの鋭さはパルス幅に依存するため、パルス幅を狭めることによってシステムの精度が向上した。Mk. IIは方位測定精度が0.5度とMk. I*の約2倍となり、砲を直接照準するのに必要な射程範囲内に収まった。Mk. IIは1942年半ばまでにMk. I*をほぼ置き換え、1943年まで運用された。[ 24 ]分析の結果、Mk. IIは撃墜数1発あたり2,750発に向上したことが示され、これもまた大きな進歩であった。[ 36 ] 1940年6月から1943年8月にかけて、1,679セットのGL Mark IIが製造された。[ 37 ]

Mk. IIIの開発

上部にパラボラアンテナ 2 台を搭載した GL レーダーバンの側面図。
GL Mk. III B は、前身の Mk. II よりもはるかに小型で、機動性もはるかに優れていました。

1940年に空洞マグネトロンが導入されたことで、レーダーはそれ以前の真空管式レーダーよりもはるかに短いマイクロ波波長で効率的に動作できるようになった。初期のマグネトロンは約9センチメートル（3.5インチ）の波長で動作していたため、ダイポールアンテナの長さはわずか数センチメートルに短縮された。アンテナは非常に短かったため、放物面反射鏡の前に設置することができ、非常に狭いビームに信号を集束させた。従来のマイクロ波レーダーでは、ブロードキャストパターンは最大150度の幅があったが、一般的な設計ではビーム幅は5度程度だった。回転式のローブスイッチングである円錐走査法を用いると、ビーム幅は0.5度未満にまで狭めることができ、機関砲を直接照準するには十分すぎるほどであった。[ 38 ]

1940年後半、陸軍はマイクロ波周波数のGLレーダーシステムの構築に着手し、1942年までに英国の企業に設計図を送って生産を開始していた。1940年にはカナダでも、完全にカナダで設計・製造されたバージョンの開発が開始され、1942年9月に生産が開始され、1942年11月からGL Mk. IIICとして英国に納入され、翌月にはイギリス軍がMk. IIIBとして到着した。これらは、2輪トレーラーと発電機セットで構成される初期のMk. IおよびMk. II設計よりも大幅に機動性が向上していた。[ 39 ]

アンテナは従来のシステムの幅広い扇形ビームよりもはるかに指向性が高く、アンテナを常に地平線より数度上に向けることで、地面からの反射による問題を完全に回避できました。つまり、送信時に信号が地面に反射することはなく、また、返送された信号が近くで反射されても、その反射は観測されませんでした。以前のモデルのようなワイヤー製のグランドマットは不要になり、設置場所の撤去と運用開始は数時間で完了しました。[ 38 ]

1943年には新型マイクロ波レーダーがMk. IIの置き換えを開始したが、納入は​​それほど迅速ではなく、戦場でのMk. IIの置き換えではなく、新設部隊への配備が頻繁に行われた。1944年に登場した米国製SCR-584レーダーは、走査と追跡を一体化した発電機内蔵型レーダーであり、これらレーダーの迅速な置き換えのきっかけとなった。終戦直後には、これらのレーダーは小型軽量のAA No. 3 Mk. 7レーダーに置き換えられ、1950年代後半に対空機関砲が退役するまで使用され続けた。[ 40 ]

説明

基本設計

Mk. Iは送信用と受信用の2つのアンテナを搭載していた。どちらも、旅行用トレーラーに似た木製のキャビンの上に設置され、それぞれの電子機器が収納されていた。これらは、メトロ・キャメルのような鉄道車両メーカーによって製造された。当時、木材はまだ一般的な建築材料であった。キャビンは大きなベアリングプレート上に設置され、全体を回転させて目標を追尾することができた。さらに、キャビンは移動のために対空砲台に取り付けられていた。2つのアンテナの間には発電機が設置され、両方に電力を供給していた。[ 24 ]

Mk. Iの送信システムは、最大50kWのピーク出力を持つ3 マイクロ秒長のパルスを毎秒1,500回生成した。[ 41 ]これらのパルスは半指向性で送信され、キャビン前部の送信アンテナの「射線」前方の領域全体を照らした。アンテナは信号が水平方向よりも垂直方向に拡散するように配置されていたため、かなりの量の信号が地面に落ちた。使用された波長が長かったため、この信号は前方に強く反射し、幾何学的な考慮から、ステーション付近の地面に落ちた信号は、対象エリア（ステーションの周囲約30キロメートル（19マイル））内の主信号と混ざるのに十分な垂直角度で反射することになる。これがGLマットの目的で、反射を完全に除去するのではなく、反射をはるかに予測しやすくした。[ 23 ]

距離受信機と方位受信機は別々に構成され、複数の周波数帯域で動作した。両受信機は共通の発振器を使用し、4管式無線周波数（RF）部に送られた。発振器の周波数は、LF帯域（54.5～66.7MHz）とHF帯域（66.7～84.0MHz）の2つの広帯域間で切り替えることができた。[ e ]受信機の微調整には、従来の回転鉄心を用いた。回転鉄心は機械的に接続されており、1つのダイヤルで両方の受信機を調整できた。[ 41 ] 2つの受信機のわずかな差を補正するために、一方の鉄心の出力は、銅製のリングを支柱に沿ってスライドさせることで調整できた。[ 10 ]信号がRF段で反射しないようにするため、距離受信機はRF段の最後にバッファ回路を追加した。[ 12 ]

展示と解説

GL に類似したシステムのレーダー表示で、選択したターゲットに対するアンテナの垂直方向と水平方向の位置合わせを示す 2 つの三角形のパターンが表示されます。
AI Mk. IVレーダーから撮影されたこの画像は、GL Mk. IIと概念的に似ていますが、片側に2つのピークではなく、中心線の両側にブリップが表示されています。ブリップは基線のほぼ中間地点で確認できます。上部と右側の大きな三角形は地面の反射によるもので、GLシステムには存在しません。

測距信号は、水平アンテナアレイの中央に設置された単一の半波長ダイポールアンテナで受信され、4本の電波管からなるRF受信機に送られ、さらに4本の電波管からなる中間周波数（IF）システムに送られた。出力は、2台のCRTのうち1台のY軸下側プレートに直接送られた。Y軸上側プレートにはキャリブレータの出力が送られ、ビームが垂直方向に中央に来るように調整された。こうしてアンテナから受信された信号は、ビームを下方に偏向させ、Chain Homeのようにブリップを発生させた。[ 5 ]

システムのX軸には、ビームを画面の左から右へ引くタイムベース・ジェネレーターが供給されていました。通常、タイムベースは送信機からの信号が確認されるとすぐに掃引を開始するようにトリガーされますが、前述のように、これではこの役割に必要な精度が得られません。そこで、タイムベースは画面全体を覆うように、信号全体の飛行時間の一部のみを表す非常に高速な速度で設定されました。タイムベースのトリガーは、非常に高精度なオイル充填式ポテンショメータを使用して行われ、コンデンサバンクの電荷がトリガー値に達するまで指数関数的に増加しました。[ 41 ]ポテンショメータシステムから出力される電圧の精度を確保するには、非常に複雑な接地システムが必要でした。なぜなら、いかなる漂遊電圧も信号を圧倒する可能性があるためです。[ 43 ]

測定表示器の操作員は2人いた。距離測定を行うには、距離操作員がポテンショメータのダイヤルを回し、目標ブリップの先端がCRT上の垂直線に合うようにする。距離はCRTではなくダイヤルで読み取られる。ダイヤルはマグスリップ（現在ではセルシンと呼ばれる）も回す。マグスリップの出力は予測器のコントロールに直接使用され、レーダーは距離測定を継続的に更新することができた。[ 41 ]

方位測定は、別々の受信機とアンテナシステムで受信された。この場合、2つの半波長ダイポールアンテナが使用され、アンテナフレームワーク上に水平方向に約1波長離して配置された。両方のアンテナは受信機に入る前に電気的に接続され、一方のアンテナの出力は反転されていた。これは、アンテナが目標物と正確に位置合わせされている場合、出力信号がゼロに低下することを意味していた。位置ずれがあると信号の相対位相がわずかに変化し、受信機に入ってディスプレイに表示されるネット信号が生成された。しかし、2つのアンテナのどちらがネット出力を生成しているかを知ることはできなかった。システムはアンテナが目標物に合っているかどうかは示したが、目標物から外れたときにどちら側を向くべきかは示さなかった。[ 41 ]

方位受信機はそれ以外は距離測定用受信機と同一であり、同じ方法で CRT に送られた。より低速のタイム ベース ジェネレータが使用され、最初のものと同じ信号によって起動されたが、スキャン速度がはるかに遅くなるように設定された。この場合、タイム ベースは距離の測定には使用されず、ブリップの水平位置は重要ではなかった。その代わりに、タイム ベースは方位オペレーターが距離オペレーターと同じターゲットを見ていることを確認するために使用された。つまり、関心のある信号は中心付近にあるはずである。[ 41 ]方位オペレーターは、自転車のペダルに接続されたギア セットを使用して受信機キャビン全体を回転させ、信号が消えるポイントを探す。このポイントは、ターゲットが 2 つのアンテナの間に完全に位置合わせされていることを示す。このヌル シーク システムは、位置をより明確に示すため、よく使用された。最大信号は分散する傾向があるからである。 [ 41 ]この問題を解決するため、アンテナ給電部に電気スイッチングシステムを設け、異なる位相で接続できるようにしました。スイッチを切り替えた際にブリップ信号がどのように変化するかを調べることで、オペレーターはどのアンテナが目標に近いかを判断することができました。このプロセスはブラケティングと呼ばれています。この位相システムはECスローによって導入され、スローコックとして知られるようになりました。[ 41 ]

GL/EF

GL/EF搭載システムはMk. Iと概ね同様であったが、受信機キャビン上部から突出する梯子に沿って垂直に配置されたアンテナ群が新たに追加された。元々の測距アンテナは梯子の下部に設置され、2本の新しいアンテナが梯子に沿って等間隔で配置された。アンテナ間の間隔は約半波長であったため、一方のアンテナでは干渉が強め合い、もう一方のアンテナでは弱め合い合うこととなった。上部のアンテナ群の相対的な感度を調整するためにラジオゴニオメータが使用され、ラジオゴニオメータと測距アンテナの出力はそれぞれ別の前置増幅器に送られた。[ 14 ]

システムを完成させるために、ナショナルグリッドの50 Hz信号に同期する電子スイッチが追加されました。この信号は、レンジアンテナから受信機への入力を、ラジオゴニオメータで混合された他の2つのアンテナの出力に切り替えるために使用されました。同じ信号でCRTのY軸バイアスもわずかに調整され、仰角測定専用の新しいCRTの中心の上または下に交互のトレースが表示されるようになりました。その結果、上のトレースには以前と同じように元のレンジ信号が含まれ、下のトレースにはラジオゴニオメータの出力が含まれます。レンジブリップの下の下部のトレースに沿って見ると、オペレーターは信号がゼロになり角度が明らかになるまでラジオゴニオメータを回転させることができます。オペレーターは、ターゲットが移動すると下のブリップが再び現れるため、定期的に設定を調整します。[ 14 ]

システムの開発が進むにつれ、周期的なリセットではなく、継続的な追跡を可能にするさらなる改良が導入されました。スイッチングシステムは、レンジ信号が2.5ミリ秒（ms）、レンジ信号とラジオゴニオメータ信号が7.5ms、上部のラインに送信されるよう変更されました。信号が適切にゼロ調整されていれば、上部の2つの信号が混ざり合い、上部のトレースに1つの明るいブリップが生成され、下部のトレースは以前と同様にゼロになります。信号がゼロ調整されていない場合は、下部のトレースのブリップが見えるようになる前に、上部のトレースをぼかすようなかすかな2番目のブリップが現れます。[ 23 ]

テストの結果、信号にノイズが多く、飛び跳ねている状態では、かすかな測距信号のみの信号が見にくくなることが判明しました。最終的な変更として、測距信号にわずかな固定遅延を追加し、その軌跡を右にシフトさせました。その結果、仰角表示には3つの明確な点が現れ、測距信号は右側に、仰角信号は2つ、それぞれ左側に垂直に並びました。[ 23 ]

この種のアンテナシステムに共通する問題は、信号がアンテナの前面で受信されているのか、背面で受信されているのかを判別できないことです。どちらのアンテナも感度は同じです。この問題に対処するため、方位測定者はヌルが見られると、感知スイッチをオンにし、メインアンテナの少し後ろに配置された2つ目のアンテナに接続しました。2つのアンテナの混合出力により、目標が前面か背面かが明確に示されました。[ 41 ]しかし、このことが位相システムに問題を引き起こし、完全に解決されることはありませんでした。[ 23 ] [ f ]

マークII

Mk. II送信システムは、トラス構造に沿って設置された4つの水平ダイポールアンテナと、上部の梯子状の支柱に設置された5つ目のアンテナで構成されていました。アンテナ素子はL字型ですが、この変更については既存の資料では説明されていません。
受信機は複数のダイポール受信機を使用し、それらの信号を比較することで位置を特定しました。後期型では、キャビン上部に2本の八木アンテナからなるIFF Mark III受信機が搭載されるのが一般的でした。

Mk. IIシステムはGL/EF搭載のMk. I*と非常によく似ていたが、細部の改良により範囲と精度が向上していた。これには、より強力な送信機、更新された受信機の電子機器、より正確な測定を可能にするためのパルス幅の縮小が含まれていた。[ 24 ]より大きな違いは、ディスプレイ上に分割トレースを生成する方法であった。GL/EFで使用されていた電子システムとは異なり、Mk. IIは機械式かつ電動式のシステムを使用していたが、ベッドフォードはこれをあまり進歩的ではないと考えていた。[ 23 ]基本的な考え方は、わずかに異なる方向に向けられ、受信パターンが中央で重なり合う2つのアンテナを使用するというものである。2つのアンテナ間の信号強度を比較することにより、オペレーターはターゲットがどちらかのアンテナの中心にあるかどうかを判断でき、両方の信号の強度が等しくなるまでアンテナを回転させることができる。このシステムは、Mk. Iの開発中からすでにRAFのAIおよびASVレーダーで広く使用されていたが、Mk. Iを配備するためにこのシステムは設計に含まれていなかった。 IIは、実質的にこれらのディスプレイをGLセットに適合させる取り組みでした。[ 24 ]

GL/EFディスプレイとは異なり、Mk. IIはアンテナペアごとに1つの受信機を使用していました。スイッチは受信機に一方の信号を素早く切り替え、もう一方の信号を短い遅延線を通して送信しました。ただし、Y軸のベースラインは移動しませんでした。その結果、ディスプレイの中央に1つのトレースが表示され、各アンテナからわずかに離れた2つのブリップが1つずつ表示されました。2つのブリップの相対的な長さを比較することで、オペレーターはどちらのアンテナがターゲットに最も近い位置にあるかを判断し、ブリップの長さが等しくなるまでアンテナを回転させ続けることができました。[ 24 ]

RAFの航空システムは、航空機全体を移動させることでアンテナを移動させた。GLの場合、方位角は回転キャビンによって既に移動可能であった。垂直ペアアンテナの上部は、梯子状の延長部を上下に動かすことができ、ローブパターンを変化させることで高度角を測定できた。[ 24 ]

Mk. IIで解決されたもう一つの問題は、信号が広すぎて複数の航空機が画面に表示されることだった。これは、2つ目の送信アンテナシステムを追加することで解決された。1つは水平方向のアンテナ拡散がかなり狭く、送信はMk. Iの20度と同程度だった。もう1つははるかに広いアンテナアレイを備え、パターンを狭めることで個々の目標の検出が容易になった。初期捜索では広パターンアンテナが使用され、目標が選択されるとスイッチを切り替えることで狭ビーム送信に切り替わる。両方のアンテナが1つのキャビンに統合されている様子を示す画像が存在する。[ 24 ]

Mk. IIには、簡素ながらも効果的な較正装置も追加されました。これは、キャビンの外に伸びた仰角制御装置に接続されたシャフトです。較正を行うには、仰角ハンドルをゼロに回し、望遠鏡をシャフトに接続して地平線に向けます。次に、気球を飛ばしてレーダーで追跡し、望遠鏡を通して補正値を読み出します。[ 44 ]

注記

  1. ^アンテナは一般的に、目標周波数で共振するように設計されます。そのためには、その周波数が波長の1/2の倍数である必要があります。詳細については、ARRLアンテナブックをご覧ください。[ 8 ]
  2. ^傍観者が指摘したように、「サーチライトの光線は空を激しく揺れ動いたが、標的を見つけて捉えることはほとんどなかった。」 [ 16 ]
  3. ^残念ながら、入手可能な情報源のいずれも、これらの妨害防止機能が具体的にどのようなものであったかは詳細に述べていません。
  4. ^戦時中にこのシステムを使用したある人物は、これを「ベッドフォード・バスタード」と呼んでいた。 [ 26 ]
  5. ^本書ではHFとLFと呼ばれていますが、これらは一般的な無線周波数帯の名称ではなく、相対的な尺度として使用されています。すべての周波数帯はVHF帯域内に収まっています。LFのより一般的な定義はkHz範囲です。 [ 42 ]
  6. ^ BBCのサイトの注記によると、スイッチは双極子の2つの半分を短絡させる金属棒だった。 [ 26 ]

参考文献

引用

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GL Mk. II の仕様は、Burns (2000)、p. 344 および Dobinson (2001)、p. 289 より引用。

参考文献

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