Enzian

Enzian (שמו הגרמני של המין "גנציאנה") היה טיל קרקע-אוויר גרמני מתוכנן מתקופת מלחמת העולם השנייה שהיה הראשון ששילב בתוכו מנגנון התבייתות על קרינה תת-אדומה. הטיל הכיל ראש ביות (שפותח במסגרת פרויקט "Madrid") שיכול לחפש ולהתכוונן בתנועתו אל מטרות "חמות" באופן אוטומטי לחלוטין וללא כל התערבות מצד המפעיל. בשל המחקר התאורטי החדשני בתחום חישת תת-אדום שנלווה לפיתוחו, רואים בו את האב-טיפוס המובהק ביותר של טיל החום לפני הופעת ה-Aim 9 Sidewinder, טיל האוויר-אוויר מונחה החום הראשון בהיסטוריה. על פרויקט הפיתוח של הטיל בשלהי המלחמה העיבו בעיות ארגוניות וביורוקרטיות רבות, והוא חודש ונקטע פעמים רבות, עד שלבסוף נתבטל ממש בעת שכבר היה מבצעי. עוד ב-1943 היה ברור שבמטוסי הסילון המיירטים החדשים מסרשמיט Me-163 יהיה קשה לעשות שימוש בקרב. לאחר שנסקו לגובה המפציצים בערך ב-25,000 עד 30,000 רגל (7,600–9,100 מטר), היו להם רק מספר דקות לעקוב אחריהם לפני שנגמר הדלק. אפילו אם הטייס הצליח למצוא את המפציצים, נותרה לו הבעיה הקשה במידה שווה של התקפת המפציצים בעוד חסר לו נשק המסוגל לטווח את המטרה באופן אפקטיבי בעוד הוא מתקרב למטרה במהירות סגירה של בערך 400 מייל לשעה. ד"ר וורסטר (Dr. Wurster) מחברת מסרשמיט הציע ב-1943 פתרון לבעיה ברקטת הנעה חדשה בשם Flak Rakete 1 ‏(FR-1). במקום לעקוב אחרי מטוסי האויב מלמעלה, המסרשמיט יטוס מלפנים למטרה ואז יפוצץ ראש קרבי במשקל 500 ק"ג, בתקווה להוריד כמה מפציצים במכה אחת. כאשר אין טייס אנושי על המטוס, לא היה צורך להגביל את התאוצה של המטוס, ולכן הרקטה יכלה להיעזר במאיצים מבוססי דלק מוצק, בעוד שאר הטיפוס לגובה מתבצע בעזרת מנוע הדלק הנוזלי שכעת צריך היה הרבה פחות דלק. לאחר בחינת המבנה החדש של המטוס, הגיעו למסקנה שהמטוס החדש, אפילו עם ראש הקרב הכבד, היה קטן בהרבה - כה קטן שניתן להניח אותו על כן של תותח נ"מ 88. הטיל, שדמה מאוד למטוס המסרשמיט שממנו נגזר, הונחה באופן ראשוני באמצעות קשר רדיו מהקרקע. המפעיל היה מטיס את הטיל לקרבת המפציצים, לאחר מכן היה מכבה את המנוע ונותן לו לגלוש. אולם ניסויים הדגימו קשיים משמעותיים בשלב הסופי של ההנחיה (Terminal guidance), כלומר בתמרונים של הרגע האחרון שמפעיל הטיל היה צריך לבצע בטיל. ניסויים רבים בטילים מונחי רדיו ומונחי תיל הדגימו קשים מבצעיים חמורים דווקא ממש לקראת הפגיעה במטרה. התוכניות הראשוניות לפתרון בעיות אלה היו באמצעות שימוש במרעום קרבה - ניסויים בראש הקרבי הדגימו שהיה לו רדיוס פגיעה אפקטיבי של 45 מטר, על כן ניתן היה לא לפגוע במדויק במטוסי האויב, אלא רק לחלוף בקרבתם, והמרעום יאתחל לבדו את הפיצוץ. אולם, בשל קשיים בהבאה לשלמות של מרעום הקרבה, פתרון אחר התבקש. הפתרון שהוצע היה שימוש במערכת הנחיה חדשנית, אוטומטית לחלוטין, שנקראה "Madrid" והייתה מבוססת על ביות תת-אדום (Infrared homing) על מנועי מטוסי האויב. המערכת החדשה הייתה מסוגלת למדוד את שיעור השינוי של קו הראייה למטרה, ולהוציא פקודות בקרה שאפשרו לטיל לטוס ישירות לאורך קו הראייה למטרה (בדפוס הנחיה שנקרא "הנחיית מרדף"). לאחר שזיהו את יתרונותיה של מערכת ביות תת-אדום, קבוצת המחקר החלה במספר מחקרים תאורטיים על ההיתכנות של מערכת כזאת, והתחילה לבחון את הפליטה של קרינה ממטרות. מחקר זה הוביל לתוצאה הפרקטית שעיקר הקרינה התת-אדומה הנפלטת ממנוע הבוכנה של מטוסים נע בטווח אורכי הגל שבין 3 ל-4.5 מיקרומטרים. הסילון הנפלט מצינורות הפליטה פלט גם קרינה חזקה, אך הוא התקרר במהירות באוויר כך שהוא לא הציג מטרה שגויה למערכת. מחקרים נעשו גם על בליעה אטמוספירית, אשר הדגימו שהאוויר באופן כללי יותר שקוף לקרינה תת-אדומה מאשר לאור נראה, אף על פי שהנוכחות של אדי מים ופחמן דו-חמצני גרמו למספר ירידות חדות בשקיפות בתדרים מסוימים (האזורים הספקטרליים בהם השפעת הגזים הללו הייתה אפסית כונו "חלונות אטמוספיריים"). הם גם עסקו בבעיה של מקורות רקע של קרינה תת-אדומה, למשל ההחזרות מעננים ואפקטים דומים, והסיקו שהבעיה ראויה לבחינה רצינית בגלל האופן החזק שבו מקורות הרקע השתנו לרוחב השמיים. המחקר הוביל למסקנה שראש ביות תת-אדום יוכל להתביית על מפציץ תלת-מנועי ממרחק 5 קילומטרים (3.1 מייל) ובדיוק של 1⁄10 מעלה, מה שהפך את ראש הביות הזה למערכת רצויה מאוד. מחקרים נעשו גם על האופטיקה של המערכת "Madrid" המתוכננת, אשר הובילו למסקנה שלמערכת הזאת יהיה שדה ראייה רגעי של 1.8 מעלות ויכולת סריקה בתבנית של 20 מעלות. יחד עם התנועה של ראש הביות כולו בתוך הטיל, המערכת יכלה לסרוק בזוויות של עד 100 מעלות. החברות Rheinmetall-Borsig ו-AEG פיתחו גרסאות שונות למערכת הדיסק המסתובב (ה-reticle). אף על פי ש-"Madrid" ומערכות דומות לה היו מבחינה מהותית שלמות, העבודה על התאמתם לטיל לא נעשתה לפני שהמלחמה נסתיימה. בשנות ה-20 נתגלה כי חשיפת חומרים מסוימים ובהם סולפיד לקרינה תרמית תת-אדומה מפחיתה באופן משמעותי את ההתנגדות החשמלית של החומר. זוהי דוגמה של תכונה הנקראת "פוטוקונדוקטיביות" (Photoconductivity). תכונה זו מאפשרת להעביר אותות חשמליים בחומר בתגובה לחשיפה קצרה לאור בתדר מתאים. באמצעות תכונה זו ניתן למדוד את הזרם הנוצר ולקשר בין תוצאת המדידה לפעולה מסוימת המחוללת אותה. התגלית הצמיחה מגוון המצאות ויישומים צבאיים, מהנחיית טילים מבוססת תת-אדום למערכות ראיית לילה. המדענים שפיתחו את ראש הביות של טיל ה-Enzian זיהו את חשיבותו של מרכיב מסוים שהוא חיוני ליכולת זיהוי מיקום המטרה על ידי הטיל. זהו ה-reticle, ומעתה והלאה כל טילי החום המוקדמים נעזרו ברכיב חיוני זה. ה-reticle הוא במהותו דיסקת מיסוך המסתובבת לפני החיישן (גלאי IR), ושממלאת שני תפקידים מרכזיים ביכולת תפקוד הטיל: יכולת לדלות מידע זוויתי על מיקום המטרה ביחס לציר הטיל. יכולת להבחין בין קרינה תת-אדומה שנפלטת ממקורות רקע (כגון עננים - עננים, שמורכבים מאדי מים, הם מחזירים מצוינים של קרינה תת-אדומה) ואמצעי הטעייה למיניהם (נורים) לקרינה תת-אדומה שנפלטת מהמטרה. ה-reticle, כמוראה בתמונה, הוא דיסקה שמחציתה מורכבת מסדרה של פסים שקופים ואטומים לסירוגין למעבר קרינה תת אדומה, ומחציתה עשויה חומר בעל שקיפות של 50% (החלק האפור באיור). מקורות קרינה נקודתיים בקירוב "יקלטו" על ידי ראש הביות כסדרה של פולסים, ולאחריה פולס יציב, בעוד מקורות קרינה "מורחבים" ייקלטו על ידיו כפולס אחיד, שכן שטף האור שחולף דרך החלק השקוף למחצה מהווה ממוצע של החלק השקוף ואטום לסירוגין (על כן שקיפותו תוכננה להיות 50%). כך מתאפשר, באמצעות אלקטרוניקה מתאימה בראש הביות, להבחין בין מקורות נקודתיים ומקורות רקע. היכולת לדלות מידע זוויתי על מיקום המטרה, כלומר אזימוט והגבהה ביחס לציר הטיל, מתבססת על ניתוח האמפליטודה והפאזה של האות הלא אחיד שמתפתח במקלט. העיתוי המדויק שבו הוא מתחיל (סדרת הפולסים מתחילה) מאפשר לדעת את האזימוט הרגעי למטרה. קביעת ההגבהה מתבססת על ניתוח האמפליטודה של האות - הדיסקה קטנה מספיק כך שגם כאשר פס שקוף חולף על פני דמות המטרה רק חלק מהדמות יהיה גלוי לחיישן. במילים אחרות, האמפליטודה של האות, הנקבעת על פי שטף האור החולף דרך הפס השקוף, עומדת ביחס ישר למרחק הדמות ממרכז הדיסקה, כלומר לזווית בין קו הראייה הישיר למטרה וציר הטיל. עם זאת, כיוון שהספק הקרינה התת-אדומה הפוגע בחיישן משתנה גם הוא בתלות במרחק בין המטרה וראש הביות, נדרשת התערבות כלשהי של בקרת שבח אוטומטית (automatic gain control) כדי לשמור על קשר מתמטי זהה בין מרחק הדמות ממרכז הדיסק המסתובב והפלט של ראש הביות. מערכת כזאת פועלת ברציפות כדי להתאים את השבח של המגבר האלקטרוני להספק התאורה הנקלט במרחקים שונים. מר Trenkelford מחברת ריינמטאל-בורזיש(אנ') הציע פתרון אחר לבעיית איתור המטרה. בפתרון שלו, המידע הזוויתי הושג באמצעות שתי דיסקות מיסוך; האחת הכילה חריץ רדיאלי מלבני צר ואילו האחרת הכילה חריץ ספירלי היוצא ממרכזה (הספירלה שנבחרה הייתה ספירלת ארכימדס). שתי הדיסקות הסתובבו בקצבי סיבוב שונים משמעותית וכך מתקבל שברגע שמתרחש הבזק תת-אדום החיתוך של שני החריצים הוא מיקום דמות המטרה. מיקום החריץ הרדיאלי נותן את אזימוט המטרה, וכיוון שהחריץ הספירלי הוא ספירלת ארכימדס האזימוט וההגבהה קשורים זה לזה בקשר מתמטי פשוט ( θ e = b ∗ ( ω 1 − ω 2 ) ∗ T ) {\displaystyle \theta _{e}=b*(\omega _{1}-\omega _{2})*T)} ). מדיה וקבצים בנושא Enzian בוויקישיתוף http://ftp.rta.nato.int/public//PubFullText/AGARD/AG/AGARD-AG-20///AGARD-AG-20.pdf