Tutkan historia

Tutkan historia ja kehitys alkoivat, kun radiotekniikka sai alkunsa. Tutkan kehitys sai vauhtia toista maailmansotaa edeltäneestä varustelukilvasta, ja juuri asevarusteluun tutkan kehitys onkin ollut yhteydessä. Sittemmin tutkan käyttö on laajentunut muun muassa siviili-ilmailuun, kauppamerenkulkuun, autojen nopeusmittauksiin ja sateiden liikkeen seurantaan.

Radiotekniikan alku 
Skotlantilainen James Maxwell kuvasi sähkömagnetismin perusteet vuonna 1864 tekemässään julkaisussa. Hän ehdotti sähkömagneettisen säteilyn käyttäytyvän aaltomaisesti sekä aavisteli laskelmiensa perusteella sähkömagneettisten aaltojen etenevän valonnopeudella.

Saksalainen Heinrich Hertz todisti, että sähkömagneettinen säteily heijastuu metalliesineistä. Tämän lisäksi hän osoitti, että sähkömagneettiset signaalit voivat matkustaa ilman halki. Vuonna 1888 hän todisti sähkömagneettisen säteilyn olemassaolon rakentamalla kojeen, jonka avulla voitiin tuottaa radioaaltoja.

Ensimmäinen tutka 
Ensimmäisen varsinaisen tutkan rakensi saksalainen Christian Hülsmeyer, joka kehitti telemobiloskoopiksi kutsutun laitteen 1900-luvun alussa. (Patentti myönnettiin vuonna 1904.) Laite oli tarkoitettu käytettäväksi laivoissa. Se lähetti signaalin, josta saatiin kaiku, jos laivan törmäyskurssilla oli este. Jos vastaanotin sai kaiun, se soitti hälytyskelloa. Laitteen kantama oli muutama kilometri. Hülsmeyerin kehittämä tutka perustui kipinävälin tuottamaan laajakaistaiseen radiopulssiin, josta antennin muodostama resonanssipiiri päästi läpi vain halutun kaistan spektristä. Telemobiloskooppi ei kuitenkaan vakuuttanut laivanvarustajia edes onnistuneen demonstraation jälkeen, ilmeisesti koska vastakeksityn radiolennättimen uskottiin takaavan laivaliikenteen turvallisuuden. Hülsmeyer yritti turhaan markkinoida keksintöään myös monille muille tahoille ja katkeroitui lopulta niin, ettei tehnyt tutkan hyväksi enää koskaan mitään.

Kehitys kiihtyy sodan lähestyessä 
Yhdysvalloissa kokeiltiin 1920- ja 1930-luvuilla CW-tyyppisiä tutkia (continuous wave, jatkuva aalto). Näiden tutkien avulla pystyttiin ilmaisemaan esimerkiksi veneen tai lentokoneen läsnäolo. 1930-luvulla Naval Research Laboratory alkoi suorittaa kokeita pulssitutkilla, joilla saatiin selville myös kohteen etäisyys. Aluksi näitä tutkia käytettiin vain ionosfäärin korkeuden mittaamiseen. Pulssitutkan kehitystä hankaloitti vastaanottoelektroniikan yksinkertaisuus. Kun elektroniikka kehittyi ja pulssit saatiin vastaanotettua luotettavasti, voitiin pulssitutkaa alkaa käyttää maanpinnalla olevien kohteiden havaitsemiseen. Vuoden 1936 loppuun mennessä NRL:ssä oli kehitetty pulssitutka, jonka kantama oli noin 40 km. 

Saksassa Dr. Hans E. Hollmann, Hans-Karl von Willisen ja Günther Erbslöh perustivat yhtiön nimeltä GEMA. Hollmannin johdolla he rakensivat ensimmäisen tutkan 1934 50 cm:n aallonpituudelle. Vuonna 1935 he saivat valmiiksi täysin toimivan ilmavalvonta- ja maalinosoitustutkan, jolle tuli nimeksi Freya, sekä sen laivaan asennettavan version nimeltä Seetakt. Vuonna 1936 he saivat kehitetyksi myös Freyalle parin, ilmatorjunnan tulenjohtotutkan, jolle tuli nimeksi Würzburg, sekä yöhävittäjien ohjaustutkan, Würzburg-Riese. Niitä käytettiin koko toisen maailmansodan ajan hyvin menestyksekkäästi, ja Freya-tutka-asemia tuotettiin yli 6000 kappaletta. Samoja tutkia ostettiin Saksasta myös Suomeen vuonna 1943. Suomessa niistä käytettiin nimiä Raija (Freya), Riitta (Würzburg-Riese) ja Irja (Würzburg-Dora). Niillä oli suuri merkitys Helsingin suurpommituksien torjunnassa vuonna 1944. Noihin aikoihin laitteiden suomenkieliseksi nimeksi otettiin sana tutka. Sen lähtösana on vanha suomalainen työkalun nimitys tutkain.

Ranskassa Nancyn yliopiston professori Camille Gutton teki tutkimuksia UHF-alueen radiotekniikalla vuonna 1927. Tutkimuslaitoksessa nimeltä Laboratori National Radioeletricitie (LNR) teki tutkimusrtyötä Pierre David. Pariisissa toimi myös alan yritys Sosiété Fancaise Radioéletrique (SFR), jota johti Emil Cirardeau ja tutkimusjohtajana oli Maurice Ponte. Pariisin yliopistossa radiotekniikan tutkimustyötä teki professori René Mesny jo 1920 luvulla. Näiden tutkimusten perustella syntyi kesällä 1934 tutkatekniikkaan perustuva elektroninen sulku, barrage électromagnéticue, Ranskan ja Saksan rajalle. Ponte patentoi myös laitteen jäävuorien havaitsemiseksi. Siitä oli kaksi versiota, 16 cm:n triodilähettimellä ja 80 cm:n magnetronilähettimellä toimivat. 16 cm:n jäävuoritutka sijoitettiin matkustajalaiva S/S Normandiehen vuonna 1935. Tämä oli ensimmäinen siviilikäytössä ollut merenkulkututka aikana, jolloin tutka oli mitä suurin sotilaallinen salaisuus. Robert Warneck, Gutton ja Ponte suunnittelivat sodan jo alettua vuoden 1940 aikana uusia magnetroneja, jotka eivät kuitenkaan vielä olleet ontelomagnetroneja, ja Saksan armeijan lähestyessä Pariisia, Ponte pakeni Englantiin mukanaan useita magnetroneja. Tiedot liitettiin Boot-Randall magnetronin tietoihin ja voidaan katsoa, että edistysaskel oli merkittävä.

S/S Normandie ajoi ensimmäisen matkansa tutkalla varustettuna.

Kuolemansäde? 
Englannissa Robert Watson-Watt, joka aateloitiin vuonna 1942 tutkan kehittämiseen liittyvän työnsä ansiosta, sai 1930-luvulla tehtäväkseen selvittää, mistä natseilla huhujen mukaan käytössä olevasta ilma-aluksia vastaan käytettävästä ns. kuolemansäteestä (katso myös energia-ase) oli kyse. Kuolemansäde osoittautui vain huhuksi. Watson-Watt innostui selvittämään Arnold F. Wilkinsin kanssa, kuinka radioaalloista lentokoneen runkoon indusoituneet virrat säteilevät. Tutkimuksen mukaan radioaaltojen avulla voitiin havaita ilma-aluksia. Hän luovutti vuonna 1935 Yhdistyneen kuningaskunnan ilmailuministeriölle raportin "The Detection of Aircraft by Radio Methods", jossa esitettiin ilmahyökkäyksestä ennakkovaroituksen antava radiopaikannusjärjestelmä. 

Vuoden 1935 lopussa järjestelmä päätettiin suunnitella ja toteuttaa. Järjestelmän koodinimenä oli aluksi RDF (Radio Direction Finding), myöhemmin Chain Home. Vuonna 1936 tutkalla oli saavutettu 90 mailin kantama. Seuraavana vuonna britit aloittivat tutkaverkon rakentamisen maan etelä- ja itärannikolle. Alun perin Chain Homen aallonpituudeksi kaavailtiin noin 50:tä metriä, koska sen arveltiin antavan parhaan kaiun. Tyypillisen pommikoneen siipien kärkiväli oli tuolloin noin 25 m, joka aikaansai puolen aallon dipolin resonanssin. Muulle radioliikenteelle aiheutuneiden häiriöiden vuoksi aallonpituus pudotettiin lopulta noin 10 metriin. Pulssintoistotaajuudeksi valittiin aluksi hyvin matala 25 Hz (puolet sähköverkon taajuudesta, jota käytettiin asemien synkronointiin), koska kaukaiset heijastukset ionosfääristä ja maanpinnasta piti eliminoida. 

Sodan lopussa toiminnassa oli noin viisikymmentä Chain Home -asemaa. Sodan lopussa niiden toimintataajuus oli noin 20–30 MHz. Lähettimien huipputeho oli aluksi 350 kW ja myöhemmin 750 kW. 

Lähetintantenneina käytettiin puolen aallon vaakadipoleita kiinnitettyinä aluksi neljään, myöhemmin kolmeen 110 m korkeaan ja 55 m:n välein linjassa olevaan teräsmastoon. Vastaanottoantenneina käytettiin ristikkäin asetettujen dipolien ryhmiä asennettuina neljään 73 m korkeaan puumastoon. Kyseessä oli siis bistaattinen tutka. Teknisessä mielessä Chain Homen tutkat eivät olleet kummoisia ja niiden taajuusalue oli varsin epäedullinen.

Yleisestä harhaluulosta poiketen taistelua Britanniasta ei voitettu varsinaisesti tutkien erinomaisuuden vuoksi, vaan ratkaisevassa asemassa oli tehokkaasti toiminut briettien taistelunjohtokeskus, jossa yhdistettiin tutkien ja muun ilmavalvonnan tiedot.

Laite on osiensa summa 
Komponenttitekniikka jarrutti alussa tutkan kehittymistä. Esimerkiksi näyttölaitteena käytetty katodisädeputki saavutti riittävän teknisen kypsyyden vasta 1920- ja 30-lukujen vaihteessa. Riittävän hyvien vahvistinten toteuttaminen tuli mahdolliseksi vahvistinputkitekniikan kehittymisen myötä 1930-luvun alussa. Ongelmana olivat aluksi myös suuret antennit, joiden käytöltä ei voitu välttyä, koska tutkakäyttöön riittävä teho kyettiin tuottamaan vain melko pienillä taajuuksilla (korkeintaan satoja MHz:jä).

Mikroaallot ja tutkaylivoima 

Jo toisen maailmansodan alussa liittoutuneet ymmärsivät, että tutkaylivoima saavutettaisiin siirtymällä suuremmille taajuuksille. 
Mikroaaltotutkalla päästäisiin parempaan tarkkuuteen, pienempiin häiriöihin ja ennen muuta voitaisiin käyttää pienempiä ja kevyempiä antenneja. Riittävän suurta lähetystehoa ei kuitenkaan vielä pystytty kehittämään. Alkuvaiheessa tutkittiin kahdessa tutkimusryhmässä kilpaa magnetronia ja klystronia. Englantilaiset John Randal ja Harry Boot onnistuivat ensimmäisinä tuottamaan riittävän suuren mikroaaltotehon kehittämällään ontelomagnetronilla alkuvuodesta 1940, ja klystronin tutkimisesta luovuttiin sillä erää. Suurin piirtein samoihin aikoihin magnetroni keksittiin itsenäisesti myös Sveitsissä, Ranskassa ja Japanissa. Mikroaaltotutkan kehittäminen vaati kuitenkin paljon aikaa, rahaa ja työvoimaa. Niinpä syksyllä 1940 britit päättivät jakaa keksimänsä ontelomagnetronin ja muut tekniset salaisuutensa Yhdysvaltojen kanssa. Voimat päätettiin yhdistää ja MIT:hen perustettiin tarkoitusta varten Microwave Laboratory, jonka nimi muutettiin muutaman viikon päästä legendaariseksi Radiation Laboratoryksi. Tunnetuimpia toisen maailmansoden mikroaaltotutkia lienevät brittien lentokonetutka H2S (Home Sweet Home, 1943 alussa), joka toimi erinomaisesti saksalaisia sukellusveneitä vastaan, sekä yhdysvaltalainen tulenojohtotutka SCR-584.

Saksalaiset jäivät alakynteen tutkan kehittämisessä periaatteessa kahdesta syystä. Ensinnäkin he eivät keksineet tapaa tuottaa riittävästi mikroaaltotaajuista tehoa ja luopuivat siksi mikroaaltotutkan kehittämisestä sodan alkuvaiheessa. Kehitystyö aloitettiin Saksassa uudestaan magnetronin paljastumisen myötä (helmikuussa 1943 alas ammutun RAF:n pommikoneen H2S-tutkasta), mutta mikroaaltotutkaa lentokonekäyttöön ei ehditty saada sodan aikana valmiiksi. Toiseksi Hitlerin päätös lopettaa kaikki tutkimus, joka ei johtaisi käytännön sovellukseen vuoden sisällä, keskeytti hetkeksi saksalaisen tutkatutkimuksen. 

Maalin suunnan määritysmenetelmät kehittyivät oleellisesti 1950-luvulla. Vaikka antennien keilat olivat parhaimmillaan noin 1 asteen levyisiä, voitiin päästä jopa 0,1 milliradiaanin tarkkuuteen.

Lähteet

Aiheesta muualla 

 Barrett, Dick, "All you ever wanted to know about British air defence radar". The Radar Pages. (History and details of various British radar systems)
 ES310 "Introduction to Naval Weapons Engineering." (Radar fundamentals section)]
 Romano, Salvatore; http://www.regiamarina.net/others/radar/radar_one_us.htm “History of the Development of Radar in Italy,” Regia Marina Italiana [Royal Italian Navy], 2004; 
 Sinnott, D.H., "[http://www.dsto.defence.gov.au/corporate/history/othr/ The Development of Over-the-Horizon Radar in Australia "
 The Secrets of Radar Museum (Canada's involvement in WWII Radar)
 The Radar Pages
 The Wizard War: WW2 & The Origins Of Radar (From Greg Goebel's In The Public Domain)
  German Radar Equipment of World War II
 Early radar development in the UK
 A History of Radio Location in the USSR (In Russian)

Tutkatekniikka