המצאת המכ"ם והקרב על בריטניה

כתב: רן לוי

לפני כשבועיים התנגשו שתי ספינות- ספינת סוחר וספינת נוסעים- בכניסה לנמל חיפה. אני מניח שרוב המאזינים שמע על התקרית הזו, שהופיעה בכל מהדורת חדשות. מכיוון שאני יוצא חיל-הים, שאלו אותי מספר אנשים כיצד ייתכן ששתי ספינות כה גדולות לא ייראו זו את זו ואחת תנגח את השניה. אני משיב להם שזה הרבה יותר קל להתנגש בספינה אחרת משזה נדמה- במיוחד בלילה ובקירבת החוף, היכן שאורות העיר מסנוורים ומבלבלים. כן, שואלים אותי- אבל יש להם מכ"ם, לא?

למי שלא שמע על המכ"ם, אסביר שמדובר במתקן המאפשר גילוי של עצמים (גדולים, בדרך כלל) ממרחק רב. ראשי התיבות של המילה מכ"ם הם "מגלה כיוון ומרחק", ובאנגלית 'ראדאר' (Radar). סימן ההיכר של המכ"ם הוא אנטנה המסתובבת על תורן נישא. המכ"ם נחשב בימינו לחלק בלתי נפרד מעולם הספנות ונמצא אותו על כל ספינה כמעט. השימוש במכ"ם הפך את אירועי ההתנגשות בין אוניות לנדירים ביותר. מדוע, אם כן, לא מנע המכ"ם את ההתנגשות בפתח נמל חיפה? כדי לענות על השאלה הזו, יש להבין טוב יותר את טכנולוגיית המכ"ם.

כריסטיאן יולסמייר

המכ"ם התחבר כבר מראשית דרכו להפלגה בים. הסיבה נעוצה בעקרון הפעולה שלו: מכ"ם עובד על עיקרון של התפשטות והחזרה של גלים אלקטרומגנטיים. הים, שטוח ורחב ידיים, מאפשר לגלים אלה להתפשט ללא הפרעה וכל החזרה תבוא קרוב לודאי מספינה אחרת או מעצם רחב ידיים כמו אי. על היבשה, הגלים האלקטרומגנטיים יוחזרו מהרים, גבעות, בניינים ודומיהם, ויעילותו תהיה אפסית. בים גם יש צורך נואש למתקן כמו מכ"ם: בים אין שבילים וכבישים מסומנים. כל ספינה יכולה להפליג לכל כיוון שתרצה, ועל כן התנגשות יכולה לבוא מכל כיוון.

כריסטיאן יולסמייר הגרמני היה בין הראשונים לפתח אב טיפוס של מכ"ם, בשנת 1904. גלי רדיו מסוגלים לעבור דרך האוויר ללא הפרעה, אבל המדענים ידעו (בעקבות ניסויו של היינריך הרץ) שישנם חומרים המסוגלים לבלום את התפשטותו של הגל ולהחזיר אותו לכיוון המקור. יולסמייר, שחקר את גלי רדיו, ראה אם מתאבלת על מות בנה שנהרג בהתנגשות בין ספינות. האירוע הזה השפיע עליו, והוא החליט לנסות ולנצל את החזרות גלי הרדיו כדי לפתור את בעיית בטיחות השייט.

המתקן של יוסמייר היה יוצר ניצוץ חשמלי, וניצוץ זה היה מפזר גלי רדיו. אם פגעו גלי הרדיו בספינה רחוקה הם הוחזרו אל הקולט שבמתקן, וזה היה מצלצל בפעמון. אם שמע המפעיל את הפעמון מצלצל, ידע שישנו עצם כלשהו בכיוון מסוים. אי אפשר היה לדעת מהו העצם או מה מרחקו, אבל הייתה למתקן יעילות מסוימת בתנאי ערפל כבד, למשל.

לצערו של יולסמייר, איש לא הביע התעניינות אמיתית בהמצאתו והיא נותרה בגדר קוריוז ותו לא. הסיבה הראשית לכך היא הטווח הקצר שבו גילה המכ"ם הראשוני הזה את המטרות שסביבו. הניצוץ שהיה המקור לגלי הרדיו היה חלש יחסית, ושידר לכל הכיוונים ובכל התדרים: על כן היה בזבזני באנרגיה ויעילותו הנמוכה הביאה לכך שרק מטרות קרובות מאוד או גדולות במיוחד היו מתגלות. אף על פי כן, ההשקעה וההקפדה של יולסמייר ניכרים באיכות עבודתו: אחרי שנח למעלה מתשעים שנים במוזיאון, הפעילו אנשי הצוות את המכ"ם שלו- והוא עבד באופן מושלם.

רוברט ווטסון-וואט

החל משנות העשרים של המאה העשרים, עבדו כמה וכמה צוותים על פיתוח המכ"ם, כל אחד במדינה אחרת- ארצות הברית, בריטניה, צרפת, גרמניה ויפן. כולם עבדו בנפרד אחד מהשני ולא כל מדינה ראתה בפרויקט זה את אותה החשיבות: בגרמניה ויפן העבודה התנהלה בעצלתיים, בעוד בבריטניה התקדמו העניינים בשיא המרץ. בבריטניה גם ארעו ההתפתחויות החשובות בטכנולוגיית המכ"ם, ועל כן נתרכז בבריטניה ונזכיר את השאר בקצרה בלבד.

דמות המפתח בפיתוח המכ"ם בבריטניה היה רוברט ווטסון-וואט. שם המשפחה מרמז על אילן היוחסין שלו: רוברט היה  צאצא של ג'ימס וואט, ממציא מנוע הקיטור (עליו דיברנו בפרק הראשון.) רוברט גילה עניין רב בגלי רדיו ('הטלגרף האלחוטי', כפי שכונו אז). הוא הצטרף לצבא ב-1915 אבל מכיוון שלא היה לצבא מה להציע לו בתחום הזה, הוא החליט לעבור לענף המטארולוגיה. הרעיון של רוברט היה לנצל את הבזק הברקים לצורך גילוי סופות. הברק הוא ניצוץ חשמלי, כמו זה שבסיס המצאתו של יוסלמייר- אבל הרבה יותר חזק, ועל כן ניתן לגלות אותו ממרחק רב. באמצעות הברקים, ניתן לאתר סופות מתקרבות ולהזהיר את הטייסים.

המערכת הראשונית הזו הייתה פאסיבית- היא רק קלטה את גלי רדיו שפלטו הברקים. כדי לדעת מאיזה כיוון מגיע הסופה, נעזר רוברט באנטנה כיוונית: כזו שקולטת טוב יותר גלי רדיו שמגיעים מכיוון מסוים בלבד. האנטנה הייתה מכוונת באופן ידני- והמפעיל היה סורק את השמיים כדי לאתר את הברקים. ההתראה על גילוי ברק במרחק הייתה מתקבלת על 'אוסילוסקופ': צג טלוויזיה פרימיטיבי. אות שנקלט באנטנה היה מופיע כקו בהיר שצוייר על המסך באמעצות חומר זרחני.

לאורך השנים קודם רוברט ווטסון-וואט והפך לאחראי על מחלקת הרדיו של המעבדה הלאומית לפיסיקה (גוף מחקרי חשוב מאוד בבריטניה). בתחילת שנות השלושים החלו הבריטים לשים דגש מיוחד על נושא ההגנה האווירית: הם חששו מהתקפות אוויריות על ריכוזי אוכלוסיה. גורמי ההגנה בצבא הבריטי ידעו שאם ימריאו מטוסי הפצצה מהיבשת באירופה, הם יגיעו לאיים הבריטים בתוך עשרים דקות בלבד, ומכן חשיבות הגילוי המוקדם. בנוסף, התגלגלה שמועה שהנאצים מפתחים 'קרני מוות' המבוססות על גלי רדיו. על פי השמועות, קרני המוות הללו יכלו להשמיד מבנים, מטוסים ואנשים ממרחק רב. מקור השמועה לא ברור, אבל הבריטים היו מודאגים. הצבא פנה אל ווטסון בעניין זה, ו-ווטסון נעזר בחישובים שביצע עוזרו כדי להוכיח להם שרעיון 'קרני המוות' הוא בלתי סביר לחלוטין. כבדרך אגב, ניצל ווטסון את ההזדמנות לשכנע את הצבא שרעיון המכ"ם הוא חשוב ואפשרי בהחלט.

הדגמה חשאית

בשנת 1935 הודיע רוברט למשרד ההגנה שהוא מסוגל להדגים להם גילוי מטוס באמצעות גלי רדיו. ההדגמה אורגנה באופן חשאי, כשרק שלושה אנשים- רוברט עצמו, העוזר שלו והנציג הצבאי נכחו בה. אבל איך מארגנים הדגמה זריזה וחשאית, כשבניית מכ"ם היא עסק מסובך, יקר ודורש מעורבות של הרבה אנשים? פשוט. רוברט בחר את מקום ההדגמה כך שיהיה קרוב לאנטנה של הבי.בי.סי, שמשדרת שידורי רדיו בגלים קצרים (משמע בתדר נמוך שמגיע לטווחים ארוכים, בדומה לשידורי קול ישראל לגולה). מטוס צבאי נתבקש לטוס מעליהם ורוברט הצליח להראות כיצד הוא מגלה אותו בעזרת ההחזרים של גלי הרדיו מגוף המטוס. זה לא היה קל: גלי רדיו שהגיעו היישר מהאנטנה אל המקלט של רוברט, הפריעו והסתירו את גלי הרדיו שהוחזרו מגוף המטוס. באמצעות סינון מתאים של האות המתקבל במקלט, הצליח רוברט ווטסון להתגבר על הבעיה.

הצבא השתכנע שיש כאן פתרון טוב ויעיל לגילוי מטוסים, מכאן ההתקדמות הייתה יחסית מהירה. השיטה שהתחרתה במכ"ם על הבכורה הייתה גילוי מטוסים לפי הרעש שנפלט מהם, אבל אפילו הגרסאות המוקדמות של המכ"ם ידעו לגלות מטוסים מטווחים של למעלה עשרים ושבעה קילומטרים- הרבה מעבר למה שניתן לצפות מגילוי באמצעות גלי קול. הצבא זנח במהירות את הניסויים בגילוי בקול והתמקד במכ"ם. עוד באותה השנה כבר החלו נכתבות התוכניות להקמת חמש תחנות מכ"ם באזור לונדון.

עם תחילת העבודה על המכ"ם, זיהה רוברט בעיה חמורה במימוש המערכת לגילוי המטוסים, והיא לא הייתה בעיה טכנית בעיקרה. המטרה הסופית של מערכת המכ"ם היא לא עצם הגילוי- כי אם הזנקת מטוסי קרב ליירוט מטוסי האויב המתקרבים. בלעדיהם, המכ"ם חסר תועלת. הבעיה של רוברט הייתה הזמן הרב שחלף מרגע גילוי המטוס התוקף ועד שההודעה על המיקום שלו הועברה למטוס המיירט. הדיווח היה מסורבל, לא מדויק, ועד שהטייסים והאנשים בקרקע היו מבינים זה את זה- המטרה כבר הופצצה. רוברט השקיע מאמץ גדול בפתרון הבעיה הזו והצליח ליצור מרכז שליטה אווירית יעיל, עם מפה גדולה ואפשרות לסמן מטרות ולהעביר אותן בקשר רדיו אל המטוסים. יש מי שטוענים שהמערכת הזו, בסופו של דבר, היא זו שתרמה באופן קריטי לניצחון המפורסם של הטייסים הבריטים על חיל האוויר הנאצי ב'קרב על בריטניה' המפורסם…חיל האוויר הבריטי הצליח לרכז את מאמציו ולתקוף את הגרמנים כגוף אחד, בעוד שהגרמנים לא הצליחו לאתר את הבריטים כדי מוקדם מספיק כדי להוציא אליהם מטוסי קרב בכמות גדולה.

בזכות מאמציו אלו זכה רוברט לתואר אבירות ופרס כספי אחרי המלחמה. על אף שהיו מי שעבדו על המכ"ם לפניו, כפי שראינו, רוברט זכה לכינוי 'אבי המכ"ם', ובצדק. הבריטים בנו שרשרת של תחנות מכ"ם לאורך המדינה, מצפון לדרום. רשת זו כונתה Chain Home וכללה בשיאה תשע עשרה תחנות. הגרמנים הבחינו, כמובן, בבניית התחנות: אי אפשר היה להסתיר את זה מכיוון שכל תחנה כללה ארבע אנטנות גבוהות, שבעים עד מאה מטרים כל אחת. הם שלחו טיסות ריגול, אבל בסופו של דבר החליטו שמדובר בתחנות שידור רדיו לצורך תקשורת, ולא השקיעו מאמץ רב בריגול אחריהם. מאוחר יותר, בזמן המלחמה, הפציצו הגרמנים החשדניים חלק מהתחנות. הבריטים התחכמו להם והמשיכו לשדר גלי רדיו דומים לאלה של המכ"ם ממקומות סמוכים, כדי לשכנע את הגרמנים להאמין שהאנטנות שהפציצו הן לא המקור לגלי הרדיו של המכ"ם. בסופו של דבר, הגרמנים התייאשו והפסיקו להפציץ את התחנות.

מערכות המכ"ם שהיו בשימוש ברשת Chain Home היו מתוחכמות יותר מאלו  שהדגים רוברט לצבא בשנת 1935, ועיקרון פעולתם היה דומה למדי לזה של המכ"ם המודרני.

בהדגמה של רוברט, נזכור, הוא השתמש במשדר חיצוני למערכת שלו, האנטנה של הבי.בי.סי. זה למעשה מכ"ם פאסיבי, כי המתקן שלו לא שידר כלום בעצמו. המכ"ם החדש לא היה תלוי במשדר חיצוני, ושידר את גלי הרדיו שלו בכוחות עצמו. מדוע עובדה זו מהווה יתרון על פני השיטה הקודמת? הבה ניזכר במה שלימדו אותנו כשהיינו ילדים על רעמים וברקים. אם ראית ברק באופק ורצית לדעת כמה הוא רחוק ממך, היית סופר בלב את השניות. גלי קולי מתקדמים במהירות של כשלוש מאות ושלושים מטרים בשניה. אם הרעם הגיע לאוזניך כעבור שלוש שניות, אזי המרחק אל הברק הוא שלוש כפול שלוש מאות ושלושים- כמעט אלף מטרים.

טכנולוגיית המכ"ם מושתת על אותו העיקרון, כשאת גלי הקול מחליפים הגלים האלקטרומגנטיים. האנטנה המשדרת שולחת גל רדיו אל עבר המטרה- גל שנע במהירות האור: כשלוש מאות אלף קילומטרים בשניה. מייד לאחר השידור המכ"ם משתתק, ומתחיל לספור את הזמן שחולף עד לרגע בו מתקבל החזר מהמטרה. את משך הזמן המתקבל יש לחלק בשניים (כי הגל עבר את המרחק אל המטרה פעמיים, פעם בדרך הלוך ופעם בחזור) ואז מכפילים את התוצאה במהירות האור. בשיטה זו אפשר לדעת את המרחק אל המטרה בדיוק רב. במכ"ם הפאסיבי, לעומת זאת, האנטנה של ה-BBC לא משתתקת בשום שלב, וכתוצאה מכך למכ"ם אין כל דרך למדוד את המרחק למטרה, וזה חסרונו העיקרי.

אבל גם השיטה החדשה- שידור, שתיקה והאזנה- אינה חפה מחסרונות. אם אנחנו מעוניינים לגלות מטרות בטווחים רחוקים, המכ"ם צריך להשקיע זמן רב יותר בשידור: במילים אחרות, צריך להשקיע יותר אנרגיה בשלב השידור, כדי להצליח לקלוט החזרים ממטרות רחוקות וחלשות. הבעיה היא שבזמן השידור המכ"ם הוא 'חירש', ואינו מסוגל לקלוט גלים חוזרים. אם במקרה פגעו גלי הרדיו במטרה קרובה והספיקו לחזור אל המכ"ם בזמן שהוא עדיין משדר, המכ"ם החירש יתעלם ממנה והיא לא תופיע כלל על המסך. עכשיו ניתן לחזור לארוע ההתנגשות בכניסה לנמל חיפה, ולהבין מדוע המכ"ם לא סייע למנוע את התאונה. בטווחים הקצרים שבין הספינות בקרבת הנמל, המכ"ם היה חסר תועלת.

שכלולים נוספים

שני שכלולים משמעותיים נוספים נוספו למכ"ם במלחמת העולם השנייה. האחד, תצוגה דו מימדית עבור המפעיל: תחנת השידור במרכז המסך, וקו מסתובב סורק את היקף העיגול. זו התצוגה שאנחנו מכירים כיום כתצוגת מכ"ם קלאסית, והיא פישטה את מאוד את תפעול המערכת. הפיתוח השני הוא ה'מגנטרון' (Magnatron). המגנטרון הוא החלק שיוצר את גלי הרדיו המשודרים מהמכ"ם, ועיקר השיפור בו היה בתחום היעילות. יעילות גבוהה יותר פירושה פחות אנרגיה שמתבזבזת על חום, ויותר אנרגיה שהופכת לגלי רדיו מועילים שחיוניים לצורך גילוי המטרות על המכ"ם. אנרגיה שהופכת לחום מבוזבזת ביותר ממובן אחד: במקום לגלות את האויבים שלך אתה מטגן חביתות על המכ"ם, ובו בזמן צריך למצוא דרכים לקרר את המכ"ם- ואז קשה יותר ויקר יותר לבנות אותו. המגנטרון היעיל איפשר להקטין את מערכות המכ"ם, ובה בעת לשמור על על עוצמת קרינת גלי הרדיו.

למגנטרון היה גם יתרון נוסף: הוא יצר גלי רדיו בתדרים גבוהים יותר מקודמיו. גלי רדיו בתדרים נמוכים דורשים אנטנות גדולות, בעוד שגלים בתדרים גבוהים 'מסתפקים' באנטנות קטנות. טלפונים סלולרים, למשל, משדרים בתדרים גבוהים במיוחד ולכן האנטנות שלהם קטנות דיין כדי להתחבא בתוך גוף המכשיר. מכשירי קשר צבאיים, לעומתם, דורשים אנטנות ארוכות מכיוון שתדרי הפעולה שלהם נמוכים משמעותית. הקטנת האנטנה במכ"ם איפשרה את הצבת המערכת במקומות שבעבר היו קטנים מדי: מטוסים, ספינות קטנות וכדומה. בשנים הבאות יימצא המגנטרון את דרכו גם ליישומים אזרחים: תנורי מיקרוגל, למשל.

שאר המדינות

ומה עשו שאר המדינות בזמן שבריטניה שכללה את המכ"ם שלה?

גרמניה דווקא החלה את המירוץ כשהיא מובילה בטכנולוגיית המכ"ם: המדענים שם ידעו לבנות מכ"ם עם תדרים גבוהים יותר מלכתחילה. אבל הגרמנים לא הקדישו מחשבה רבה לאספקט המערכתי של המכ"ם: לא הייתה להם מערכת ניהול קרב מתוחכמת כמו זו של הבריטים. היה להם קשה להשתלט על מטרות רבות בו זמנית- והבריטים ידעו לנצל זאת. המטוסים שלהם תקפו את הבסיסים הגרמניים במספרים גדולים, והמכ"ם הגרמני היה חסר תועלת.

טעות נוספת של הגרמנים בהתנהלותם עם פיתוח המכ"ם, הייתה בתחום העיסקי דווקא. רוב הפיתוחים הגרמנים על המכ"ם נעשו במסגרת חברת אלקטרוניקה בשם 'טלפונקן'. 'טלפונקן' הייתה הבעלים של חברת AEG (המוכרת לנו גם היום) וזו הייתה שותפתה העסקית של חברת ג'נרל אלקטריק האמריקאית. התוצאה הייתה שכמעט כל הפטנטים הגרמניים על טכנולוגיית המכ"ם נרשמו גם בארצות הברית, וכך זכו הבריטים והאמריקאים לגישה חופשית לכל הסודות הגרמניים.

האמריקאים היו מתקדמים יחסית בפיתוח המכ"ם (הם אלו שנתנו לו את שמו הלועזי: הראדאר, ראשי תיבות של Radio Detection And Ranging) אבל 'נתקעו' בפיתוח מכ"מים מבוססי תדרים גבוהים. העזרה שקיבלו מהבריטים בצורת הפטנט על המגנטרון החדיש, סייעה להם רבות. למרות זאת, המכ"מים בתדרים נמוכים שימשו אותם במשך רוב המלחמה וזמן מה לאחריה. האמריקאים גם נעזרו במכ"ם למחקרים מדעיים, כגון מיפוי הירח באמצעות ההחזרים מההרים והגבעות שעל פניו.

היפנים הזניחו לחלוטין את המחקר בתחום המכ"ם וזאת למרות שכמה מהמדענים הבולטים בתחום גלי הרדיו היו יפניים. אחד מהם, חוקר בשם הידטסוגו יאגי היה חתום על כמה מהמאמרים החשובים ביותר בנושא בניית אנטנות מתאימות לשידורי רדיו בתדרים גבוהים. במערב התייחסו למאמרים אלה בכובד ראש, אבל כשתפסו היפנים שלל בריטי ובו מסמכים שעסקו בין היתר ב'אנטנות יאגי', לקח להם זמן להבין שהמסמכים מדברים על יאגי 'שלהם'. אנטנות יאגי, דרך אגב, אפשר לראות על גגות רבים עד היום בתפקידן כאנטנות לקליטת שידורי טלוויזיה.