Voormalige onderzoeksfaciliteiten: Meetstation Roeleveense Plas (Nootdorp) (1953 – 1995)

Meetstation Roeleveense Plas (Nootdorp)  (1953 – ~1995)

Het meetstation Roeleveense Plas te Nootdorp is door TNO gebruikt voor zowel onderwaterakoestiekmetingen (sonarmetingen) als voor ontwikkelingen om onderzeeboten ‘onzichtbaar’ te maken voor radargolven in de periode 1953 tot midden jaren ’90

Onderwaterakoestiek (sonar)

Tijdens de ontwikkeling van transducers in de begin jaren ’50 bleek de meetinrichting op het vlot in de Waalhaven niet meer aan de eisen te voldoen:

  • het water was ter plaatse niet diep genoeg,
  • het achtergrondlawaai was te hoog door de nabijheid van scheepsverkeer en havens, en
  • de afstand tussen het laboratorium in Den Haag en de haven in Rotterdam was onpraktisch groot.

In 1953 besloot TNO om een nieuwe meetfaciliteit voor onderwaterakoestiek (sonar) in te richten op de Roeleveense plas naast de A12 nabij Nootdorp en naast de Hofpleinlijn (nu Randstadrail lijn E). De plas is een zandafgraving geweest voorafgaande aan de Tweede Wereldoorlog. Het zand is gebruikt voor het maken van een ongelijkvloerse kruising met de A12 op de plaats waar nu het Prins Clausplein ligt. Toen had men al plannen voor een verbinding met de Rotterdamse weg. Het taluud daarvoor is echter nooit gebruikt.
De plas is een dubbel driehoekig zoetwatermeer met zijden van 300 en 400 meter (zie de Google map hieronder).
 

Om de nieuwe faciliteit te maken zijn twee pontons uit de Rotterdamse Waalhaven naar de Roeleveense Plas overgebracht. Die pontons waren oorspronkelijk de gepantserde deuren die de Duitse Schnellboote-bunkers in de Waalhaven tijdens de Tweede Wereldoorlog moesten beschermen. De gecompartimenteerde pontons waren gemaakt van half inch staalplaat en waren ieder ongeveer 4 x 3 x 2 meter (lbh) groot. In het ponton was er dus stahoogte. De beide pontons werden aan elkaar gekoppeld met een tussenruimte van 1 meter. Er werd een hijsinrichting aangebracht. Op ieder ponton stond een huisje: op de ene ponton een huisje voor het uitvoeren van metingen en op de andere een dieselmotor en dynamo voor de stroomvoorziening.

Transducent van de Anti-Duikboot Installatie met zendelementen van Seignettekristallen. De transducent was draaibaar in de dom.
Transducent van de Anti-Duikboot Installatie (ADI) met vier segmenten.

Voor metingen aan domes in de jaren 50, werd de dome tussen beide vlotten met twee loopkattakels neergelaten. Vier meter lange pijpen gemonteerd aan de bovenzijde van de dome gaven een preciese maat over hoe diep de dome afgezonken was: 80 cm boven het wateroppervlakte betekende dat de bovenkant van de dome op 3.20 meter diep was. De hydrofoon werd vervolgens op de verste hoekpunt van het vlot op een zelfde wijze neergelaten. De transducer werd op dezelfde wijze neergelaten als de dome tot de pijp 70 cm boven het wateroppervlak uitstak; de 60 cm hoge transducer was dan 10 cm in de dome afgezonken. De transducer kon in de dome gedraaid worden zodat de peilafwijking bepaald kon worden.

Het eerste meetvlot; rechts het bakmechanisme

Het pontonvlot lag met vier ankers vast boven het diepste punt, destijds -18.5 meter, van de plas (zie luchtfoto beneden). De gedetailleerde dieptekaarten en bodemstructuur van de Nootdorps Pijnackerse Hengelsport Vereniging (NPHV) geven een goede indruk van de huidige diepte van de plas; voor meer, zie hun webpagina.

Dieptekaart van de Roeleveense Plas (met dank aan de Nootdorps Pijnackerse Hengelsport Vereniging (NPHV))
Dieptekaart van de Roeleveense Plas (met dank aan de Nootdorps Pijnackerse Hengelsport Vereniging (NPHV))

 

Dieptekaart van de Roeleveense Plas (met dank aan de Nootdorps Pijnackerse Hengelsport Vereniging (NPHV))

Voor sonarmetingen moesten de medewerkers met een roeiboot vanaf een steiger aan de wal naar het vlot roeien. Dit was wat eenvoudiger als in de Waalhaven met de hoge kade van de voormalige Duitse Schnellboote-bunkers.
Het baksmechanisme op het vlot was oorspronkelijk afkomstig van de Hr.Ms. Paets Van Troostwijk en kon gekanteld worden zodat de onderkant boven water kwam voor het monteren van een hydrofoon of transducent. Het baksmechanisme is nog steeds in gebruik in het onderwaterakoestiekbasin van TNO op Waalsdorp.
De rustige omgeving en de grote diepte kwamen ten goede aan de kwaliteit van de metingen speciaal voor frequenties beneden de 500 Hz. Wel maakte de dieselmotor voor het genereren van elektriciteit lawaai en stoorde de metingen. Het was in de winter een hele toer om de koude motor aan de praat te krijgen: hij moest met de hand aangeslingerd worden. Reden om in 1955 walspanning aan te leggen.

Het ontwerp van het vlot zou metingen aan sonardome’s mogelijk moeten maken (een “dome” is een stroomlijnvormige omhulling van de transducent die dient om het stromingsgeruis te verminderen). Helaas bleek later dat de opstelling ongeschikt was om dom-metingen uit te voeren aan de dome’s van de Frieslandklasse onderzeebootjagers.

Een nieuw vlot voor sonarproeven vanaf 1961

Hoewel het meetstation voor sonarproeven aanvankelijk aan alle wènsen voldeed bleek na een aantal jaren toch dat vervanging van het vlot nodig was. Ten eerste leidde de ontwikkeling van de sonartechniek van de zoeklichtsonar met één enkele te richten bundel naar ‘panoramische’ sonars met een combinatie van een aantal vaste bundels in een enkele transducent. Het tweede element in de ontwikkeling werd gevormd door het gebruik van lagere frequenties.
Beide factoren gecombineerd hadden tot gevolg dat transducenten en dome’s aanzienlijk omvangrijker en zwaarder werden. Het vervoer hiervan naar het vlot kon dus niet meer zoals voorheen per roeiboot geschieden. Daarom werd omstreeks 1960 besloten om een groter vlot te construeren in dezelfde plas. Het nieuwe vlot bestond uit vier pontons van 4 x 2 x 1 meter (lbh) en twee pontons van 6 x 2 x 1 meter (lbh). Voor het maken van de pontons werd 6 mm dik staal gebruikt. Inwendig bevatten de pontons drie getectyleerde compartimenten. 

Vlotmodule klaar voor transport bij constructiebedrijf Jansen in Aalst
Vlotmodule klaar voor transport bij Constructiebedrijf Jansen in Aalst (1961)

 

Montage van het nieuwe vlot: twee pontons

 

Assemblage van het vlot; de versteviging tussen twee pontons is zichtbaar
Assemblage van het vlot; de versteviging tussen twee pontons is zichtbaar

 

De vier ankers worden aan boord van het vlot gehezen
De vier ploegankers worden aan boord van een ponton van het nieuwe vlot gehezen

Het rechthoekige vlot van 12 x 6 x 1 meter had daardoor een in het midden waar de te beproeven objecten door naar beneden gelaten konden worden. Deze opening bevatte dwarsbalken voor de opbouw. Het houten dek van het vlot was voorzien van een rolluik boven de opening. De rails van het smalspoor lorrie-systeem liepen door over dat luik.

 

3D-layout van de meetinrichting

Het vlot werd met een drijvende brugverbinding van vijf pontons van 6 x 2 meter met de oever van het andere driehoekige gedeelte van de plas verbonden. De locatie van dit nieuwe vlot is goed zichtbaar op het Google maps plaatje hierboven.
De nieuwe faciliteit maakte het mogelijk om objecten met maximale afmetingen van 3 x 1.80 x 1.70 meter (lbh) en een gewicht van 5 ton te kunnen beproeven. Daartoe werd een smalspoor op de brugverbinding en de oever tot aan een hijsinrichting aan de Roeleveenseweg aangebracht. Vier ploegankers op de wal en stalen meerkabels hielden het vlot en de brug op hun plaats, 50 meter van de wal en 60 meter vanuit de zijkant van de plas. Onder het vlot was daar 17.5 meter waterdiepte.

Een luchtfoto uit ~1961 van de plas met beide meetvlotten

 

Both rafts (1961)
Beide vlotten (1961)

Omdat het meetvlot voorzien was van opbouw zoals staalconstructies voor de hijsmasten en een getimmerde meet- en werkhut lag deze dieper in het water dan de laatste ponton van de brugverbinding. Om een gelijke overgang te krijgen tussen de brugpontons en het meetvlot is in alle de brugpontons ballast aangebracht om een geleidelijke overgang naar het meetvlot te krijgen.

Hijsinrichting aan de Roeleveenseweg
Hijsinrichting aan de Roeleveenseweg

Boven het gat in het vlot bevindt zich aan de walzijde een 13 meter hoge vakwerkhijskolom waarmee objecten met een hoogte van 1.70 of 1.80 meter (afhankelijk van de lorriehoogte) van de lorrie kunnen worden getild. De flens van de hijsinrichting kon tot 6 meter onder het wateroppervlakte worden gebracht. Via een elektrische lier waren twee hijskabels verbonden aan een evenaar onder aan de mast. Dat zorgde voor een gelijke belasting van de staaldraden. Een maximumbelasting van 5 ton kon gehezen worden. Ook heeft deze mast twee draaibare kolommen die onafhankelijk van elkaar 360 graden konden draaien. Dat kon zowel met de hand als met een elektromotor via het bedieningspaneel in het meethuisje.
Een tweede hijsmast is hart-op-hart op exact 5.62 meter afstand geplaatst, overeenkomende met de 15 dB demping van de geluidsgolven in water. Hierdoor was het eenvoudig om meetresultaten te verwerken. Die mast was van vierkantig profielijzer en werd met een handlier bediend. Hieraan kon een transducent van maximaal 150 kg gehangen worden. Ook deze mast kon zakken tot 5.5 meter onder het wateroppervlakte (6 meter onder de vloer). Onderaan deze mast werd de meethydrofoon gekoppeld.

Het meetvlot was voorzien van een driefasen stroomaansluiting met voldoende vermogen voor de hijsmotor, een lasapparaat en de 12 kW zender voor 216TP5R transducent en overige (meet)apparatuur. Ook was het meetvlot met een kunststofleiding van zo’n 150 meter over de bodem van de plas aangesloten op het waterleidingnetaansluiting aan de wal. Overigens liep na verloop van tijd de kwaliteit van het drinkwater achteruit.

Dit nieuwe meetvlot werd in 1961 in gebruik genomen. Het oude pontonvlot werd tegelijkertijd overgedaan aan het Marine Elektronisch en Optisch Bedrijf (MEOB) dat het vlot nog enige jaren aan de zijkant van de plas met een brug als vaste oeververbinding gebruikt heeft. Later zijn de Duitse Schnellboote-bunkerdeuren naar de ‘kolenhoop’ (vliegasstort) aan de andere kant van de plas gegaan waar ze nu nog steeds dienst doen als fundering van een opstal. 
TNO heeft de ‘nieuwe’ meetvlotfaciliteiten uit 1961 tot midden jaren ’90 voor experimenten gebruikt. Ook dit vlot en de walfaciliteiten zijn daarna door TNO aan de Koninklijke Marine overgedragen.  

 

Dubbele draai-inrichting boven lorry
Dubbele draai-/til-inrichting boven lorry

 

Draai-inrichting boven geopend luik
Dubbele draai-/til-inrichting boven geopend luik

 

Detail van de dubbele draai-inrichting
Detail van de dubbele draai-/til-inrichting (in bovenste positie)

 

Bedieningspaneel hef- en draaiinrichting
Bedieningspaneel til- en draai-inrichting

 

Een dome met transducenten wordt binnengebracht
Een dome van een onderzeebootjager met transducenten wordt binnengebracht in de meethut op het vlot

 

De dom ingehangen in de uitgespaarde rechthoek; het draaimechanisme is zichtbaar
De dome van een onderzeebootjager ingehangen in de uitgespaarde rechthoek van het vlot; het dubbele draaimechanisme en de hefinrichting zijn zichtbaar

 

Dome klaar voor onderwater (weggeschoven luik). De rails voor de lorry en last zijn goed zichtbaar

 

De vlotbrug
De pontonbrug met lorry

 

Een te testen transducent op weg naar het meetvlot over de pontonbrug
Een te testen transducent op een lorry is op weg naar het meetvlot over de rails op de pontonbrug

 

Een te testen transducent is op weg naar het meetvlot over de rails op de pontonbrug

 

Het gereedmaken van de panoramische transducent 216TP5R voor beproevingen

 

Meetstation Nootdorp (Roeleveense plas) met hijstoren en pontonbrug

 

Rechts zijn twee drijvers zichtbaar. Deze zijn onderwater gekoppeld met een frame waaraan een te beproeven dome gehangen kon worden (80-er jaren)
Rechts zijn twee drijvers zichtbaar. Deze zijn onderwater gekoppeld met een frame waaraan een te beproeven dome gehangen kon worden (80-er jaren)

 

Boegdome S-fregat (~1978) hangend in de drijvers
Boegdome S-fregat/Kortenaerklasse fregat (~1978) hangend in de drijvers (foto: W. Mol) 

 

Luchtfoto van meetvlot, hijsinrichting en smalspoorbaan. Witte opening in meethut voor eventuele ontvangst van te onderzoeken akoestische zeemijnen (~ 1983).

In de 70’er jaren bleek de faciliteit ook nodig om metingen te kunnen uitvoeren aan transducenten die niet geschikt zijn om met korte geluidstoten te bedrijven. De in- en uitschakelverschijnselen kunnen namelijk domineren over de responsie voor langdurige signalen. Ook kan de inslingertijd van de transducent langer zijn dan twee milliseconden. Het in-huis basin op de Waalsdorpervlakte is niet geschikt voor dergelijke metingen, de meetfaciliteit Roeleveense plas wel.

Seizoensinvloeden

De meetfaciliteit kent slechts een probleem, vooral aan het eind van de zomer. Er heeft zich dan een sterke temperatuurgradiënt opgebouwd op een diepte tussen de drie en zes meter. Aan de oppervlakte kan de temperatuur oplopen tot 20 0C. Dicht bij de bodem is de temperatuur dan zo’n 8 0C. Dit temperatuurverloop kan de nauwkeurigheid van de sonarmetingen nadelig beïnvloeden. In het vroege voorjaar is de temperatuur van de gehele plas echter heel homogeen, zo’n 4 0C. Dat is een temperatuur die bij uitstek geschikt is voor het ijken van meethydrofoons.

Onzichtbaarheid onderzeeboten voor radar (‘stealth’)

De Koninklijke Marine ontwikkelt midden jaren vijftig de Dolfijnklasse en Potvisklasse onderzeeboten, de zogenaamde snuivermast voor het opladen van de batterijen voor de vaart onderwater.

Een onderzeeboot wil enerzijds zo lang mogelijk ongezien blijven en tegelijkertijd zoveel en lang mogelijk informatie met de visuele en elektronische sensoren kunnen verzamelen. Omgekeerd wil de Koninklijke Marine vijandelijke onderzeeboten zo goed mogelijk kunnen opsporen.

Rond 1956 stelt de Koninklijke Marine twee vragen aan TNO:

  • Hoe verminder je de mogelijkheid dat een tegenstander onze onderzeeboot kan detecteren met radar?
  • Wat is de optimale hoek waarmee marine patrouillevliegtuigen, op dat moment de Grumman S-2 Tracker en later de Lockheed P-2 Neptune, met hun radar een vijandelijke onderzeeboot op kan sporen ondanks storingen door zeeclutter (= radarreflecties van het zeeoppervlak)?

Om die vragen te beantwoorden is parallel gewerkt aan drie onderwerpen:

  • De ontwikkeling van theoretische modellen.
    Omdat er bij het opsporen van onderzeeboten allerlei multipad-effecten optreden, is bij de modelvorming alleen gekeken naar de sterkste signaalreflectie. Dat is tegelijkertijd het signaalniveau dat de eigen onderzeeër zoveel mogelijk moet onderdrukken.
    Modelontwikkeling was toentertijd complex, te meer daar er nog geen computers voorhanden waren.
  • De ontwikkeling van Radar Absorbing Materials (RAM) tezamen met Philips.
    RAM reflecteert inkomende radarstraling aanzienlijk minder. Het is echter niet eenvoudig om met RAM een lage reflectie in een breed spectrum te bereiken.
  • Het helpen bij het (her)ontwerpen en optimaliseren van de af en toe boven water uitstekende masten op een wijze dat deze samen met het RAM een zo klein mogelijk radarreflectieoppervlak (radar cross-section (RCS)) opleveren.

In 1958 is in en naast de Roeleveense plas te Nootdorp een radar cross-section (RCS) meetfaciliteit geïnstalleerd. Die faciliteit hielp bij het beantwoorden van de vragen. Voor validatie van de theoretische modellen en de werking van de RAM-vormcombinatie in de praktijk zijn metingen nodig. Op basis van de gevalideerde theoretische modellen, is daarna gewerkt aan de optimalisatie van het ontwerp van de ‘onderzeebootmasten’ qua onzichtbaarheid voor opsporing met radar.

Uiteindelijk is gemeten aan drie generaties snuivervorm met RAM (Dolfijn-, Zwaardvis-, Walrusklassen) en twee generaties periscopen en zoekontvangers (Dolfijn, Zwaardvis). Voor de Walrusklasse is alleen onderzoek verricht aan het optimaliseren van de vormgeving van de snuiver; niet van het door TNO en Philips ontwikkelde RAM.

De faciliteit bestaat uit een 20 meter hoge vakwerkstalen toren aan de wal en op 132 meter afstand een paal onder water met daaraan een verticaal beweegbaar platform. Dat platform kan tot twee meter beneden het wateroppervlak zakken. Op het platform is een stappenmotor gemonteerd die een horizontale draaischijf van 50 cm doorsnede aandrijft waarop een te onderzoeken mastdeel (aanvalsperiscoop, een navigatieperiscoop, radioantenne, snuiver) of een reflector voor kalibratie geplaatst is. Door het voorwerp op de draaischijf over 360 graden rond te draaien kunnen de asymmetrische mastdelen vanuit iedere hoek bemeten worden. Vanuit de meethut aan de wal is het te onderzoeken voorwerp ook nog eens hoger of lager boven het wateroppervlakte te positioneren.

Schematische dwarsdoorsnede van de faciliteit
Schematische dwarsdoorsnede van de faciliteit

De vakwerkstalen toren was destijds voorzien van een lift met een meetcabine. Met de lift was de meetradar verticaal op en neer te bewegen. De meetradar kon ook met een motor gebakst worden zodat onder verschillende invalshoeken aan de boven het wateroppervlak uitstekende onderzeebootmast gemeten kon worden. De motoren van beide liften en de draai- en baksinrichtingen konden op afstand vanuit een bouwkeet (‘pre-processing cabin’ in de figuur hieronder) bediend worden. Daarnaast was er een drijvend vlot met hijsinrichting. Het vlot werd gebruikt om bij de onderwaterpaal te komen.
Het smalspoor dat leidde tot aan het sonarvlot was vanaf de hijsinrichting at the Roeleveenseweg de andere kant op doorgetrokken tot aan de aanlegsteiger van het vlot naast de vakwerktoren voor radar cross-sectiemetingen.

Bovenaanzicht van de faciliteit
Bovenaanzicht van de faciliteit

 

De lift met radarhut in de toren, de meetcabine en de ponton met takel
De lift met radarhut in de toren, de meetcabine en de ponton met takel

 

De meettoren nu. De toren is ontdaan van de lift nu in gebruik als toren voor telecommunicatie-antennes
De meettoren nu. De toren, ontdaan van de lift, is nu in gebruik als toren voor telecommunicatie-antennes

 

Na duikwerkzaamheden wil de Marine snel naar huis. Hun Zodiac raakt de onderwaterpaal op hoge snelheid. De onderwaterpaal gaf niet mee. De boot wel: die was lek.

 

Radar Cross-Sectie en zeeclutter

De Nootdorpse radar cross-sectie meetfaciliteit was uniek binnen de NAVO-landen. Opvallend is dat de zeer geheime metingen in de volle zichtbaarheid van het publiek op het fietspad en het langsrijdende verkeer op de A12 plaatsvonden.

De combinatie van vooraanstaande modelvorming die met deze meetfaciliteit ondersteund werd, de hiermee geoptimaliseerde mastontwerpen, en de RAM-ontwikkelingen leidden tot een zeer lage detectiekans van de Nederlandse onderzeeboten in het radardomein. Overigens werd bij optimalisatie van de mastontwerpen ook gekeken naar de effecten op de waterstroming rondom de mast. Daarvoor werden proeven met schaalmodellen in de sleeptank van het MARIN uitgevoerd.
Het volgende ontwikkelingspad werd hierbij gebruikt:

  • Na het theoretische model en de validatietesten in Nootdorp, werd gewerkt aan de optimalisatie van het ontwerp, waarbij ook de resultaten van de schaalmodelproeven aan de waterverstoring bij het MARIN gebruikt werden.
  • Pas daarna werden vaarproeven uitgevoerd waarbij, naast de Nederlandse Marine, ook Engelse Avro Shackleton vliegtuigen van RAF Coastal Command gebruikt werden om na te gaan of de aangepaste mastontwerpen in volle zee minder snel te detecteren zijn.
  • Duurproeven.
  • Productie van definitieve ontwerpen, niet alleen voor Nederlandse onderzeeërs, maar ook voor 15 Noorse Kobbenklasse onderzeeboten (1964-2005). Vier van deze 15 onderzeeboten zijn in de jaren ’90 door de Deense Marine overgenomen.

De kennisontwikkeling werd in overleg met het Ministerie van Defensie ook gedeeld met Engeland en Noorwegen als onderdeel van de Anglo Netherlands Norwegian Cooperation Programme (ANNCP) task 1.6.

Op eenzelfde wijze werd in ANNCP 1.19 samengewerkt aan onderzoek aan zeeclutter, verstoringen van de radarreflectie door het golvende zeeoppervlakte. Door dit fenomeen te begrijpen, kon, na optimalisering van de invalshoek en filtering van het teruggekaatste signaal, een onderzeebootreflectie beter gedetecteerd worden (‘opsporing’). Anderzijds kon een onderzeeboot zich ‘beter onzichtbaar’ houden.

Zonder de internationale samenwerking zou dit onderzoek niet mogelijk zijn geweest. Door de ANNCP-samenwerking kon TNO ook gebruik maken van een Noorse meetpost, een 450 meter hooggelegen meetplatform op het Stadlandet schiereiland. De zee daar is het meest ruige zee ter wereld waar vanaf land radarmetingen op uitgevoerd kunnen worden.