Geschiedenis – koninklijke bezoeken: electrisch luistertoestel

“Electrisch luistertoestel” (1936 – 1941)

Bij propagatieproeven in 1936 op de grens van de werkingssfeer met de draagbare ultrakortegolf (240 MHz/1.25 m) zend-ontvangradiotoestellen tussen strand en de Waalsdorpervlakte hoorde men dat gedurende korte tijd op opvallende wijze het signaal vrij snel periodiek in sterkte wisselde alsof er interferentie optrad. Een overvliegende kraai leek de oorzaak te zijn. Even later trad het verschijnsel weer op, deze keer vloog een zilvermeeuw over. Deze vogels reflecteerden dus de golven. De volgende dag kreeg een militair vliegtuig de opdracht steeds heen en weer van Noordwijk naar Hoek van Holland over Waalsdorp te vliegen. Het interferentie-effect en de reflecties waren zeer duidelijk. Von Weiler en Van Soest die deze proeven deden begrepen spoedig de draagwijdte ervan: op actieve detectiewijze konden vliegtuigen worden opgespoord.

Snel trok von Weiler een paar conclusies:

  1. Als de reflectie werkt met zender en ontvanger op afstand moet ook detectie mogelijk zijn als de zender en ontvanger op één plaats zijn opgesteld, mits de nodige onderlinge afscherming mogelijk is.
  2. Weliswaar hebben de elektromagnetische golven een hoge snelheid, maar de eindige tijd kan misschien gemeten worden als voor het uitgezonden signaal een pulsvorm gebruikt wordt. Daaruit volgt dat de tijd maal 300 km/s de dubbele afstand geeft tot het doel (looptijd van zender tot doel + looptijd van doel tot ontvanger).

Onder leiding van von Weiler werd met een groot deel van het personeel verder onderzoek opgezet. Als typerend voorbeeld geldt de vondst van één der technici, Tabbernée. Om aan bepaalde eisen van capacitieve koppeling in het elektrisch circuit tegemoet te komen, gebruikte die een methode welke de Tabbernée·condensator werd genoemd. Bijzonder goede vondsten werden gedaan op het gebied van pulstechniek en op het gebied van de afscherming van het zendsignaal in de ontvanger. Zelfs kon één antenne worden toegepast. Andere landen (bijv. Engeland) gebruikten een continu zendsignaal en gescheiden antennes op tientallen meters van elkaar. Daarbij is het echter moeilijk het tijdsverloop tussen zenden en ontvangen te bepalen en daarmee het berekenen van de afstand. 

De antenne moest groot zijn, want de terugontvangen energie bij een vliegtuig op behoorlijke afstand was bijzonder klein. Hoe hoger de frequentie van de elektromagnetische golf, hoe kleiner de antenne zou kunnen worden. Helaas kon Philips ons nog maar matig helpen. Ook het buitenland bracht ons niet verder. Om die reden was 425 MHz (golflengte 70 cm) de grens van het mogelijke in die dagen. De uitgezonden puls had een lengte van ongeveer 3 microseconden. De pulsherhalingsfrequentie was hoog en beliep 15.000 respectievelijk 7.500 pulsen per seconde voor de detectieafstanden van 10 resp. 20 km. Het piekvermogen was 1 kW. De zendpuls werd met een koppellus afgetakt uit een afgestemde trilholte; deze lus werd met twee parallelle draden (een Lecherlijn) naar de antenne gevoerd en vervolgens uitgezonden. Als zendlampen werden eerst vier Western Electric TB 04/8 “appellampen” gebruikt; de Philips buizen werkten niet goed. Het uiteindelijke model van de pulsgenerator bestond uit slechts twee buizen in  een balansschakeling.  

De ontvanger was een enkele superheterodyne uitgerust met een zelfgenererende ”mixer” (eikelpenthode) aan de ingang. De middenfrequentie bedroeg 6 MHz; de middenfrequentversterker was uitgerust met de steile Telefunken penthode AF100. Vele voorzorgen zoals afscherming en h.f.-ontkoppeling waren nodig om onaangename effecten tengevolge van de krachtige zendpuls (zoals “ringing”, etc.) uit de ontvanger te houden. 

Voor zenden en ontvangen werd dezelfde antenne gebruikt. Er werd één gemeenschappelijke antenne voor zenden en ontvangen gebruikt. Tijdens het zenden bleef de ontvangeringangsketen normaal op de coaxiale antennekabel aangesloten; er werd dus in het geheel niet omgeschakeld. De mixerbuis (eikelpenthode) was voorzien van een begrenzinsweerstand in de roosterketen, waardoor het rooster tijdens de zendpuls automatisch op een hoge negatieve spanning werd gebracht. Hierbij veranderde ook de ruimtelading in de buis, waardoor de ontvangeringangskring bovendien automatisch verstemd werd.
De minimum detectieafstand ten gevolge van de zendpulsperiode bedroeg ca. 400 à 500 meter. 

De matras- of ‘billboard’-antenne bestond uit 64 parallel geschakelde  ½ƛ-dípolen daarachter een een reflecterend metaalvlak (kopergaas) van circa drie bij drie meter. Het resultaat was een kegelvorminge stralenbundel met een openingshoek van ongeveer 15 graden. De antenneversterking bedroeg ca. 23 dB t.o.v. een isotropische straler.

Verbonden met fietspedalen en een ketting kon de antenne met de voeten worden gebakst en met behulp van een hendel met de hand worden geëleveerd door de ‘bedienende ambtenaar’. Het ontvangen signaal werd zichtbaar gemaakt op een kathodestraalbuis met cirkelvormige tijdbasis (een zogenaamde J-scope). Maar het kon ook hoorbaar worden gemaakt in een koptelefoon; in het algemeen bleek de gehoordetectie minder vermoeiend te zijn dan het gespannen observeren van de kathodestraalbuis. Voor dit geluid werd de uitgezonden puls in amplitude gemoduleerd met een 1 kHz signaal ten einde later de ontvangen echo met de koptelefoon hoorbaar te maken. Vandaar dat het toestel de naam “electrisch luistertoestel” kreeg. Die benaming paste ook bij eerder gedaan onderzoek. Tijdens de Tweede Wereldoorlog werd dit RAdio Detection And Ranging (“radar“). In 1938 was het eerste laboratoriummodel gereed. Een kettingoverbrenging met trappers zorgde voor de horizontale draaiing door de bedienaar; de vertikale richting van de antenne kon met een hendel aangepast worden. 

Model van het "electrisch luistertoestel"
Model van het “electrisch luistertoestel”

Versies van onderdelen volgden elkander in de volgende twee jaar snel op. Onkundig van het feit dat ook in andere landen aan het probleem werd gewerkt, besefte men in Waalsdorp de grote waarde van deze ontwikkeling. Omdat de gewone luistertoestellen de snelle vliegtuigen nauwelijks meer konden volgen, kwam het elektrische luistertoestel als geroepen. Toch duurde het even voordat het Ministerie van Defensie (vanaf 1928 was het Ministerie van Oorlog omgedoopt tot Minsterie van Defensie) i.c. de Koninklijke Landmacht, het militaire nut van deze nieuwe technologie onderkende.
 

Een generaal, die kwam kijken, vroeg: “Als ik er wat emmers water overheen gooi, werkt ’t dan nog?”. “Neen”, zei Von Weiler. Toen wou de generaal er een emmer zand in gooien. Dat mocht ook niet. Daarna wilde de generaal weten of iedere boer er mee kon werken. “Nee, er zou een korte opleiding nodig zijn”. “Dan hebben we er militair niets aan”, was het antwoord.
Een hoogleraar bekeek de proefapparatuur: “Wel aardig, maar groot. Nu nog zó groot” en hij wees met zijn handen zo’n paar kubieke decimeter.

 
Aan het Departement van Defensie werd verzocht om, terwijl de research nog voortduurde, een kleine serie in ontwikkeling te mogen nemen. Het Departement gaf echter geen toestemming gaf tot deze ontwikkeling: het Meetgebouw moest research, geen ontwikkeling doen. Wel werd in maart 1939 15.000 gulden ter beschikking gesteld om een proefmodel voor militair gebruik te ontwikkelen van het “Opsporingsmodel M39”.

Na een demonstratie van het apparaat zei een oud-minister: Uw laboratorium, mijnheer van Soest, leidt aan de vloek der perfectie. 

Tenslotte werd door het departement in 1939 alsnog besloten dat een ontwikkelingsserie van tien “provisorische, niet-mobiele toestellen” door de NSF (Nederlandse Seintoestellen Fabriek) zeer in het geheim gemaakt zou worden, dat Waalsdorp de tekeningen zou leveren, en dat de dienstplichtige ir. Max Staal te Waalsdorp zou worden gestationeerd. Hij werd belast met de coördinatie van de productie die in verband met de geheimhouding verspreid was over drie bedrijven waaronder firma J. B. van Heijst en Zonen NV en twee laboratoria (Universiteit Leiden (zender), Technische Hoogeschool Delft (ontvanger)).

Overdracht Electrisch luistertoestel aan de Landmacht (1939)
Overdracht Electrisch luistertoestel aan de Landmacht (1939)

Eind 1939 werd voor Prins Bernhard een demonstratie van het electrisch luistertoestel gegeven. Helaas hing er op de dag van de demonstratie een dikke mist, zodat er geen vliegtuig kon opstijgen. Von Weiler liet daarom de radarecho’s van de kerktorens in de omgeving van Waalsdorp zien. “Je kunt de katholieke kerken zeker beter zien dan de protestantse?” vroeg de prins. “Waarom denkt u dat Koninklijke Hoogheid?” “Nou de katholieke kerken hebben een groot metalen kruis op de toren.” Zijne Koninklijke Hoogheid had gelijk.
Het electrisch luistertoestel kon een Fokker C.V verkenner op circa 15 kilometer (bij 15 kHz) detecteren.  Grotere vliegtuigen en vooral groepen van vliegtuigen konden zelfs op een afstand van 30 kilometer (bij 7.5 kHz uitzendingen) worden gedetecteerd. Als een vliegtuig een bocht maakte gaf dat aanleiding tot typeische verschijnselen in de echo’s. De invloed van de propellor (of propellors) was zeer goed merkbaar.

 
Ook de Koninklijke Marine raakte geïnteresseerd. Installatie van een prototype van het apparaat op de HNLMS Sumatra heeft echter niet plaatsgevonden vanwege het uitbreken van de oorlog. Verder waren er plannen voor doorontwikkeling. Een wens was om nog kortere golflengten te gebruiken waardoor de grote antenne verkleind zou kunnen worden. Men dacht aan 15 cm golven, maar de toentertijd bestaande buizen konden die niet opmekken met enig redelijk vermogen. Verder werd gedacht aan een ‘ladderantenne’, een richtantenne met de dipolen boven elkaar: een scherpe bundeling in het vertikale vlak en een vrij brede azimuthale richting. Door de antenne te laten ja-knikken was een hoogteradar mogelijk. Ook werd nagedacht over de combinatie van het electrisch luistertoestel met zoeklichten en met luchtdoelartillerie.

Bij het uitbreken van de oorlog waren vier stuks (over het aantal voor gebruik beschikbare exemplaren spreken de geraadpleegde documenten elkaar tegen) van het electrisch luistertoestel gereed. Ook de Marine raakte geïnteresseerd. Het op de Hr.Ms. Sumatra installeren van een prototype van het electrisch luistertoestel ging niet door door het uitbreken van de oorlog.
Één electrisch luistertoestel stond bij het uitbreken van de oorlog op het dak van het Meetgebouw in verband met de geplande demonstratie voor militaire autoriteiten op 10 mei 1940, de dag van de Duitse inval, van een door het Meetgebouw ontwikkelde herkenning vriend of vijand (later Identification Friend or Foe (IFF) geheten) signaal kon terugsturen. Het toestelletje, aansprekend op de ingestraalde energie door een elektrisch luistertoestel, gaf als responder met een code antwoord. Eerdere experimenten met het IFF-systeem op de toren van  de Grote Kerk in Den Haag en de toren van de Nieuwe Kerk in Delft met het electrisch luistertoestel opgesteld op Waalsdorp toonden aan dat het IFF systeem in principe goed werkte. Ook in dit geval stond het herkenning vriend of vijand apparaat opgesteld in de toren van de Haagse Grote Kerk (om een vliegtuig te sparen). Het electrisch luistertoestel op het Meetgebouw werd die dag ijlings naar beneden gehaald en verplaatst naar het Hertenkamp (Maliebaan) in Den Haag bij een paar mitrailleurs. Met het apparaat werden Duitse vliegtuigen gepeild. Om te voorkomen dat het apparatuur in Duitse handen vielen werd het met handgranaten vernietigd.

Het was de Koninklijke Marine die bewerkstelligde dat Von Weiler en Staal op 14 mei ’s morgens tezamen met de Engelse marineattaché admiraal Sir Gerald Dickens en zijn gevolg de overtocht met de Engelse torpedobootjager Wessex van Hoek van Holland naar Engeland konden maken. Volgens het boek “WEG” van Danny Verbaan zouden de heren met de Scheveningse motorreddingsboot Zeemanshoop vanuit haven van Scheveningen overgezet zijn op de HMS Malcolm. De HMS Malcolm heeft ze daarna naar de in de haven van Hoek van Holland liggende HMS Wessex gebracht (ref: Roering jg 33, nr 1, p.72, 1996).

In hun bagage zaten de tekeningen van het “electrisch luistertoestel”. Essentiële onderdelen van een ander electrisch luistertoestel werden door Duitse parachutistenlinies heen naar Zandvoort getransporteerd en van daar via IJmuiden naar Engeland verscheept. Alle andere componenten werden vernietigd en verbrand, inclusief alle correspondentie en tekeningen.

Een aantal jaren geleden echter ontdekte het museum dat bij het Depot Defensie Archieven het volledige pakket calquen van het electrisch luistertoestel aanwezig was. Die calquen zijn gemaakt bij de firma J.B. van Heijst en Zn, Den Haag. Ook het Nationaal Archief bleek over niet vernietigde geheime ontwerpen te beschikken in de correspondentie tussen de Commmisse voor Physische Strijdmiddelen en de Genie.

Electrisch luistertoestel
Electrisch luistertoestel (zijaanzicht)

 

Electrisch luistertoestel
Electrisch luistertoestel (vooraanzicht)

In Engeland aangekomen bleek dat Von Weiler en Staal voor de Engelsen (Admiralty’s HM Signal School) interessante kennis hadden: een compact apparaat dat goed de afstand kon bepalen en dat met één antenne. De ontwikkeling in Waalsdorp lag voor op de Engelse op het gebied van impulstechniek en op de gecombineerde zend- en ontvangantenne.
De Engelsen daarentegen konden met hun magnetron tot kortere golflengten komen. Bovendien stopten ze méér energie in elke puls; dat was men in Waalsdorp vergeten. Dankzij de korte puls kon met de zendbuizen veel meer vermogen uitgezonden worden zonder dat de buizen beschadigd raakten! Overigens was het bestaan van de Britse radaractiviteiten voor de twee Nederlanders een verrassing.

Von Weiler ging werken op het Admiralty Signal Establishment (ASE) bij Portsmouth. Dat ging later Admiralty Radar Establishment en nog later Admiralty Surface Weapon Establishment (ASWE) heten. Onder leiding van Von Weiler werd met de onderdelen van het eerder genoemde derde toestel weer een geheel elektrisch luistertoestel gemaakt uitgerust met een Engelse Yagi-antenne (‘fishbone aerials’). Het werd geschikt gemaakt om te dienen als radarafstandmeter voor de moderne Hazemeyer-vuurleiding geïnstalleerd op Hr. Ms. Isaac Sweers. Het systeem kreeg de naam Range & Detection Finder 289 (RDF 289), ook wel het ‘Nederlandse toestel’.  Dat was gekoppeld aan een gestabiliseerde 40 mm anti-luchtdoel Bofors-mitrailleur, een unieke combinatie en de eerste van zijn soort in de wereld. Het radarsysteem werkte perfect: bij het opdoemen van Italiaanse of Duitse aanvallers stonden alle kanonnen al in de goede richting. Helaas ging de Isaac Sweers in de ochtend van 13 november 1942 ten noord-westen van Algiers verloren door twee vijandelijke torpedo’s afgevuurd door de Duitse onderzeeboot U-431 onder commando van Wilhelm Dommes.

Nederlandse marineofficieren die het systeem moesten bedienen kregen een zeer geheime handleiding waarin op begrijpelijke wijze het basisprincipe van radar werd uitgelegd. Ook bevatte de handleiding aanwijzingen om storingen op te lossen. Het was ten strengste verboden om de handleiding of systeemdelen aan wal te brengen.  

Luistertoestel zender-ontvanger op de Isaac Sweers
Electrisch luistertoestel zender-ontvanger (radar) op de Hr. Ms. Isaac Sweers met de J-scope en koptelefoon

 

Het zendergedeelte
Het zendergedeelte

 

De bouwtekening van de zender
Bouwtekening van de zender

 

De geavanceerde Nederlandse vuurleidingsradar op de Isaac Sweers
De vuurleidingsradarantenne op de Hr. Ms. Isaac Sweers gekoppeld aan Bofors anti-luchtdoelkanonnen

 

De geavanceerde Nederlandse vuurleidingsradar op de Isaac Sweers (achteraanzicht)
De vuurleidingsradarantenne op de Hr. Ms. Isaac Sweers (achteraanzicht)

 

De dubbelloops 40mm-mitrailleur met radar van Hr. Ms. Isaac Sweers
De dubbelloops 40mm-mitrailleur met radar van Hr. Ms. Isaac Sweers

 

Systeemtekening RDF 289 door Von Weiler
Systeemtekening RDF 289 door Von Weiler

 

Hr.Ms. Isaac Sweers nabij Southampton
Hr.Ms. Isaac Sweers nabij Southampton

 

Bronnen

Deze tekst is voor een groot deel ontleend aan Prof. Van Soest’s bijdrage aan het herdenkingsboek Physisch Laboratorium 1927 – 1977. Enkele details zijn aangevuld met informatie uit Van Soest’s artikel in de Ingenieur jrg. 84. nr 9, 3 maart 1972, Ir. Max Staal’s artikelenreeks “Hoe de radar naar Hengelo kwam” gepubliceerd in Roering 1996-1998 en “Nederland op de radar”, De Ingenieur van 4 mei 2007.

“De bewogen en kortstondige loopbaan van de “Sweers”, hoofdstuk VII in  K.W.L. Bezemer (1954), Zij vochten op de Zeven Zeeën: verrichtingen en avonturen der Koninklijke Marine in de Tweede Wereldoorlog.

Voetnoot

Overigens werkte het Philips Natuurkundig Laboratorium vanaf 1933 aan de ontwikkeling van een splitanode-magnetron op 1 GHz, waarbij zender en ontvanger met parabolische antennes dicht bij elkaar stonden. Het lukte om met golven van 15 cm een straalverbinding tussen Eindhoven en Breda en Eindhoven en Venlo tot stand te brengen. In 1939 werden proeven met een gepulste zender op Texel gehouden waarbij een zend- en een ontvangstparabool naast elkaar stonden en een vlakke plaat (schip) als reflector diende; de proeven mislukten echter.