رادار و سونار؛ از آسمانهای مهآلود جنگ جهانی تا اعماق تاریک اقیانوس
در تابستان سال ۱۳۱۹ خورشیدی، آسمان بریتانیا از ابرهای سنگین و مه غلیظ پوشیده شده بود. خلبانان نیروی هوایی سلطنتی در انتظار حملات غافلگیرانه بمبافکنهای آلمانی به سر میبردند. پیش از آن، تنها راه شناسایی هواپیماهای دشمن، دیدن مستقیم یا شنیدن صدای موتورها با گوش انسان بود؛ روشی که در شبهای تاریک یا شرایط جوی نامساعد تقریباً بیفایده مینمود. اما این بار، بریتانیا از سلاحی پنهان بهره میبرد: شبکهای از دکلهای بلند که امواج نامرئی را به آسمان میفرستادند. بازگشت همین امواج، تصویر اجسام فلزی در حال نزدیک شدن را بر صفحهای سبز رنگ نقش میزد. چنین بود که عصر رادار آغاز شد.
در همان سالها، در اعماق سرد و بینور اقیانوس اطلس، زیردریاییهای آلمانی مانند ارواح خاموش در حرکت بودند. جایی که نور حتی به اندازه یک متر هم نفوذ نمیکند، فناوری دیگری متولد شد: سونار. این سامانه که در حکم گوشهای زیرآبی بشر طراحی شد، توانست شکار آن هیولاهای پولادین را ممکن سازد. امروز با وجود پیشرفتهای شگرف در هوش مصنوعی و ماهوارهها، همچنان امنیت مرزها، ایمنی پروازها و تسلط بر اقیانوسها بر دوش همین دو فناوری بهظاهر کلاسیک استوار است.
رادار چیست و چگونه عمل میکند؟
رادار (RADAR) مخفف عبارت «تشخیص و فاصلهیابی رادیویی» است. اصلی آن ساده اما هوشمندانه میباشد: ارسال امواج الکترومغناطیسی، برخورد آنها به یک شیء، و سپس دریافت امواج بازتابیده شده.
سیستمهای راداری از امواج رادیویی یا مایکروویو استفاده میکنند که با سرعت نور حرکت میکنند. هر رادار از یک فرستنده تشکیل شده که پالسهای کوتاه و قدرتمندی از امواج را ساطع مینماید. هنگامی که این امواج به هدفی مانند هواپیما، کشتی یا حتی قطرات باران برخورد میکنند، بخشی از انرژی آنها به سمت آنتن گیرنده بازمیگردد. سیستم رادار با اندازهگیری زمان رفتوبرگشت این پالسها، فاصله هدف را محاسبه میکند. افزون بر این، با استفاده از پدیده اثر داپلر میتوان سرعت و جهت حرکت هدف را نیز تشخیص داد؛ به این شکل که اگر هدف به سمت رادار در حرکت باشد، فرکانس موج بازگشتی افزایش مییابد و در صورت دور شدن، فرکانس کاهش پیدا میکند.
سونار چیست و چه تفاوتی با رادار دارد؟
پرسش اساسی این است: چرا از رادار برای شناسایی زیردریاییها استفاده نمیشود؟ پاسخ در قوانین فیزیک نهفته است. آب دریا به شدت امواج الکترومغناطیسی را جذب و تضعیف میکند و امواج رادیویی تنها چند متر در آب نفوذ دارند. به همین دلیل فناوری سونار (SONAR) که مخفف «ناوبری و فاصلهیابی صوتی» است، پا به عرصه گذاشت.
سونار به جای امواج الکترومغناطیسی، از امواج مکانیکی صوتی استفاده میکند که میتوانند کیلومترها در زیر آب حرکت کرده و انرژی خود را به سرعت از دست ندهند. این فناوری به دو دسته اصلی تقسیم میشود:
سونار فعال: در این روش دستگاه پالسهای صوتی معروف به «پینگ» را در آب منتشر میکند. امواج پس از برخورد به هدف (زیردریایی، صخره یا کشتی غرقشده) بازتابیده شده و فاصله هدف بر اساس سرعت صوت در آب محاسبه میشود. میانگین سرعت صوت در آب دریا حدود ۱۵۰۰ متر بر ثانیه است که نزدیک به چهارونیم برابر سریعتر از سرعت صوت در هوا میباشد.
سونار غیرفعال: در کاربردهای نظامی، زیردریاییها برای لو نرفتن موقعیت خود از ارسال پالس صوتی خودداری میکنند، زیرا صدای پینگ میتواند توسط دشمن شنیده شود. به جای آن، از هیدروفونها (میکروفونهای زیرآبی) بسیار حساس استفاده میشود تا صرفاً به صداهای محیط مانند صدای پروانه کشتیها یا جریان آب روی بدنه زیردریاییهای دشمن گوش فرا دهند.
کاربردهای مدرن؛ از جنگ جهانی تا امنیت هوایی و اقیانوسی
فناوریهایی که روزگاری برای مقابله با بمبافکنها و زیردریاییهای آلمانی طراحی شده بودند، امروز تمام ابعاد زندگی و امنیت مدرن را پوشش میدهند.
رادارهای آرایه فازی مدرن، دیگر نیازی به آنتنهای گردان مکانیکی ندارند و از هزاران ماژول کوچک فرستنده و گیرنده ثابت تشکیل شدهاند که میتوانند پرتوهای الکترومغناطیسی را در کسری از ثانیه در جهات مختلف هدایت کنند. جنگندههای پیشرفته با استفاده از همین فناوری، دهها هدف را همزمان رهگیری مینمایند. در سوی مقابل، فناوری پنهانکاری با طراحی هندسی خاص و بهکارگیری مواد جاذب امواج، سطح مقطع راداری هواپیماها را تا اندازه یک پرنده کوچک کاهش میدهد.
در بخش غیرنظامی نیز رادارهای هواشناسی داپلر با ارسال امواج و برخورد آنها به قطرات باران، میزان بارش و مسیر حرکت طوفانها را پیشبینی میکنند. همچنین شبکههای راداری قدرتمند در فضا، زبالههای کوچک فضایی را ردیابی کرده و از برخورد آنها با ماهوارهها و ایستگاه فضایی بینالمللی جلوگیری میکنند.
سونارهای مدرن نیز تحولی شگرف یافتهاند. سونارهای چندپرتوی امروزی برای نقشهبرداری سهبعدی با دقت بالا از کف اقیانوسها، یافتن لاشه کشتیهای غرقشده نظیر تایتانیک، و کشف منابع زیرسطحی به کار میروند. جالب آنکه در حوزه پزشکی نیز فناوری سونوگرافی دقیقاً بر پایه اصول فیزیکی سونار، اما در مقیاسی بسیار کوچک، عمل میکند.
نتیجهگیری: چشمها و گوشهای بیخواب جهان
رادار و سونار نمونههای برجسته از پیوند فیزیک بنیادی با مهندسی کاربردی هستند. این اختراعات که در دل تاریکترین روزهای تاریخ معاصر متولد شدند، امروز به ستونهای نامرئی تمدن بشری تبدیل شدهاند. هر بار که یک هواپیما با سلامت در فرودگاهی شلوغ به زمین مینشیند، هر بار که هواشناسان از نزدیک شدن طوفانی سهمگین هشدار میدهند، و هر بار که امنیت مرزهای آبی و هوایی یک کشور حفظ میشود، مدیون همان پالسهای الکترومغناطیسی و امواج صوتی هستیم که خستگیناپذیر در رفتوبرگشتاند؛ چشمها و گوشهایی که هرگز نمیخوابند.
