Radar: De onzichtbaarheid van onderzeeboten voor radar (stealth)

De onzichtbaarheid van 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 meetfaciliteit gezien vanaf het water: de radaropstelling aan de lift, de meetcabine en de ponton met takel
De meetfaciliteit gezien vanaf het water: de radaropstelling aan de lift, de meetcabine en de ponton met takel

 

De onderwaterlift in aanbouw
De onderwaterlift in aanbouw

 

De onderwaterlift in aanbouw
De onderwaterlift en de draaikop in aanbouw met twee ballasttanks

 

Meetopstelling gemonteerd aan de onderwatermast
Meetopstelling gemonteerd aan de onderwatermast

 

Mast net boven wateroppervlakte
Te bemeten mast net boven wateroppervlakte

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 aan de 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

 

Prototype masten staan klaar voor de metingen
Prototype masten staan klaar aan de wal voor de metingen; de vierkante plaat is voor kalibratie

 

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.