La oficina postal británica y el radar

A comienzos de la década de 1930, las oficinas postales de muchas partes del Reino Unido se quejaban de que a veces sufrían considerables perturbaciones en sus radios cuando los aviones pasaban cerca de sus antenas. Estas interferencias eran casi imposibles de eliminar con los medios de la época. Este fenómeno, conocido como flutter o aleteo de señal, se producía por la interferencia entre la onda directa del emisor y la onda reflejada en la estructura metálica de la aeronave, generando un patrón de batido (variación cíclica de fase y amplitud) en el receptor.

En 1932, la Oficina Postal Británica publicó un informe en el que sus científicos documentaron los diferentes fenómenos naturales que afectaban la intensidad de la señal electromagnética recibida: tormentas eléctricas, vientos, lluvia y el paso de un aeroplano en la vecindad del laboratorio.

El informe contenía un capítulo entero titulado "Interferencia por aeroplanos". A raíz de estas observaciones sobre las interferencias radioeléctricas, Arnold Wilkins, más conocido como "Skip" Wilkins, se dio cuenta enseguida de que estas ondas de radio reflejadas no solo eran la causa de las perturbaciones en las oficinas de correos, sino que estas perturbaciones podían ser la fuente para la localización radioeléctrica en el aire.

Con ese convencimiento en mente, sugirió la idea a su jefe Robert Watson-Watt, de aprovechar las ondas de radio reflejadas para la detección de aviones. Ambos trabajaban en el RSS (Radio Research Station) y a principios de los 30 todo el país estaba pendiente de la defensa nacional ante una eventual agresión de Alemania. En este contexto, H. E. Wimperis, Director de Investigación Científica del Ministerio del Aire, había consultado a Watson-Watt sobre la viabilidad técnica de desarrollar un "rayo de la muerte" (death ray) electromagnético capaz de incapacitar a los pilotos enemigos o destruir sus aeronaves, lo que motivó los estudios iniciales de Wilkins y Watson-Watt.

En un experimento realizado el 26 de febrero de 1935 en un campo en Northamptonshire, en Stowe Nine Churches, Watson-Watt y Wilkins se convirtieron en los primeros en probar que un sistema radar era la herramienta que necesitaban para la detección a distancia de aviones. Conocido como el Experimento Daventry, esta demostración detectó un bombardero Heyford de la Royal Air Force a una distancia de ocho millas. Para este ensayo, se empleó la señal del potente transmisor de onda corta de onda continua de la BBC en Daventry, que emitía a 49 metros (aproximadamente 6 MHz), y un receptor superheterodino acoplado a un tubo de rayos catódicos rudimentario, confirmando la reflexión de la señal en la estructura metálica del bombardero. A mediados de mayo de 1935, Wilkins abandonó la Estación de Investigación de Radio con un pequeño grupo, entre ellos Edward George Bowen, para comenzar una investigación en Orford Ness, una península aislada en la costa del Mar del Norte.

En junio, estaban detectando aeronaves a 27 km, lo que fue suficiente para que los científicos e ingenieros detuvieran todo el trabajo en los sistemas de detección basados en sonido de la competencia. Los resultados exitosos de la prueba inicial llevaron a la creación de una estación de investigación que se convertiría en el Establecimiento de Investigación de Telecomunicaciones (TRE, por sus siglas en inglés).

Para finales de año, la distancia se había incrementado hasta los 100 km, momento en el cual se hicieron planes en diciembre para establecer cinco estaciones que cubrieran los accesos a Londres. Esas estaciones se abrieron en 1938 con la ayuda de Wilkins y se extendieron aún más al llamado sistema Chain Home. En 1938, Wilkins ayudó a desarrollar la versión británica del sistema de Identificación Amigo-Enemigo (IFF).

El Avro Rota 1 (1934), arriba: Este autogiro de diiseño español —un autogiro Cierva A.30 fabricado bajo licencia— fue construido en una pequeña serie por la Avro Aircraft Company Ltd. Equipado con un motor radial Genet Major de 140 hp, alcanzaba una velocidad máxima de tan solo 160 km/h. Considerando su corto alcance (450 km), cabría pensar que el Rota tendría un uso militar limitado. Sin embargo, este tipo de helicóptero desempeñó una función vital durante la Segunda Guerra Mundial. Volando a baja altura y velocidad sobre el mar, actuando como blancos de radar, permitieron calibrar los sistemas de radar de la estación de alerta temprana costera del Reino Unido.

Análisis Técnico: La Calibración del Chain Home mediante Autogiros

La inclusión de aeronaves de ala rotatoria como el Avro Rota (designación de la RAF para el autogiro Cierva C.30 diseñado por el ingeniero español Juan de la Cierva) no fue una decisión menor. Las antenas del sistema Chain Home operaban en frecuencias HF (típicamente entre 20 y 30 MHz), emitiendo un lóbulo de radiación ancho y dependiente de la reflexión en el terreno para conformar su patrón de elevación. Para calibrar los goniómetros receptores y calcular con precisión la altitud y el rumbo de los blancos reales, los técnicos del radar necesitaban un objetivo aéreo que pudiera mantener una posición casi estática sobre puntos geográficos exactos en el mar. Los aviones convencionales eran demasiado rápidos para las mediciones lentas que requerían los operadores en tierra con teodolitos ópticos. El vuelo lento y la capacidad de vuelo cuasi-estacionario del autogiro permitieron mapear las zonas ciegas de los lóbulos de radar y calibrar el cruce de datos altimétricos con una desviación mínima, optimizando de forma drástica la precisión de intercepción de los cazas de la RAF.

Los hechos relacionados con la Oficina Postal a los que Wilkins se refirió habían sido observados en muchos otros lugares y en todos ellos se consideró esta perturbación como una molestia, un estorbo que mucha gente había tratado de eliminar. De hecho, en 1932 la Oficina Postal Británica publicó un informe en el que sus científicos documentaron los diferentes fenómenos naturales que afectaban la intensidad de la señal electromagnética recibida: tormentas eléctricas, vientos, lluvia y el paso de un aeroplano en la vecindad del laboratorio. El informe contenía un capítulo titulado "Interferencia por aeroplanos". Wilkins lo había leído y se acordó de él cuando dio su respuesta a Watson. Wilkins conoció este informe de manera accidental, en una conversación de café con la gente que trabajaba en la Oficina Postal, que se quejaban de la interferencia de los aviones, como alguien se queja de los mosquitos. A nadie se le había ocurrido utilizar este hecho, hasta que Wilkins se acordó de él a raíz de la pregunta de Watson-Watt.

Los científicos que escribieron el informe de la Oficina Postal estaban estudiando la capa ionosférica de Heaviside-Kenelly; que refleja ondas de radio, para utilizarla en telecomunicaciones. Por ello enviaban ondas hacia la atmósfera, y cuando algo interfería con la recepción de la señal reflejada se molestaban. En forma casual mencionaron en el informe, a manera de explicación, que al interferir un aeroplano con la señal de radio, el avión la absorbe y la vuelve a emitir, reflejándola. No habían puesto mayor atención al hecho, y se lo mencionaron en una ocasión a Wilkins, cuando éste tomaba un café con ellos, en una visita que les hizo para probar un aparato de radio en su laboratorio.

En varios lugares y en distintas épocas, diferentes investigadores e ingenieros ya habían detectado la interferencia mencionada. En muchos casos no se le dio mayor importancia y mucho menos se pensó en alguna aplicación. En otros casos, a pesar de que las personas que lo descubrieron pensaron en una posible aplicación, las oficinas gubernamentales que hubieran podido apoyarlos no se interesaron. Por ejemplo, en Alemania, la falta de interés se debió a que los militares alemanes nunca creyeron en que alguien tendría la capacidad y la osadía de atacar las ciudades alemanas, por lo que no vieron la necesidad de un instrumento defensivo. El desarrollo alemán se centró primordialmente en el radar de tiro naval y terrestre (como el sistema Würzburg y el Freya), descuidando el concepto de alerta temprana integrada en un sistema de mando unificado.

Los conceptos e ideas físicas que harían surgir el radar "estaban en el aire" hacia 1935. Si no hubiesen sido trabajados y desarrollados por Wilkins y Watson-Watt seguramente otros lo hubieran hecho, pero la idea fructificó en Gran Bretaña, y justo a tiempo para los ingleses, como veremos más adelante.

Cuando Wilkins sugirió la posibilidad de utilizar el fenómeno de interferencia de ondas de radio para detectar la llegada de aviones enemigos, Watson-Watt lo comisionó inmediatamente para trabajar en el cálculo de los aspectos cuantitativos. Wilkins calculó la intensidad de la señal de radio que regresaría, dada la intensidad de la señal enviada por el detector, y concluyó que el resultado dependía de la longitud de onda que se utilizara. Sabía que un objeto dispersa y refleja ondas electromagnéticas de la manera más efectiva cuando su tamaño es igual al de la longitud de onda. De hecho, esta es una manifestación de la resonancia electromagnética.

Wilkins supuso que un bombardero típico de la época, tomando en cuenta las posibilidades previstas de cambios, tenía una envergadura (o sea, la distancia del extremo de un ala al otro) de aproximadamente 25 m, por lo que al reflejar las ondas el avión de hecho sería una antena dipolo igual a una varilla con una longitud de onda resonante fundamental al doble de su longitud, o sea de 50 metros.

Wilkins partió del supuesto de que contaba con un emisor de la potencia disponible (1 kW) y de longitud de onda de 50 m. Si la antena emisora fuera una varilla de 25 m colocada a 18 m sobre el suelo, calculó la intensidad del campo electromagnético que llegaría a un avión que estuviese a una altura de 6 km y a una distancia horizontal de 6 km. Con esta intensidad calculó la corriente eléctrica que el campo incidente induciría en las alas del avión, que sería aproximadamente de 1.5 mA. Enseguida calculó la intensidad de la onda electromagnética que produciría esta corriente eléctrica, al actuar las alas como antena emisora de ondas. Finalmente, obtuvo la potencia de la onda que recibiría de regreso la antena terrestre. Encontró que esta potencia era diez mil veces mayor que la requerida para comunicaciones por radio, por lo que sí podría ser detectada con los aparatos existentes en la época. Este cálculo pionero sentó las bases de lo que posteriormente se formalizaría como la Ecuación del Radar, demostrando que la potencia recibida decae de forma inversamente proporcional a la cuarta potencia de la distancia al objetivo (1/R^4).

En otras palabras, la idea podría funcionar. Nótese que Wilkins pensó en que se emitiera una onda y se detectara el eco que produjera el avión. Al terminar sus cálculos, a Wilkins le pareció increíble que el efecto deseado pudiera detectarse; revisó sus cálculos y no encontró ningún error y se los dio a Watson-Watt, a quien le parecieron fantásticos y nuevamente verificó los cálculos matemáticos. Al no encontrar ningún error, sólo dos semanas después de su conversación con Wimperis, le envió un memorándum informándole los resultados. Dicho memorándum, titulado Detection and Location of Aircraft by Radio Methods y fechado el 12 de febrero de 1935, es considerado el documento fundacional del radar británico.

El hecho de que un rayo de la muerte no fuera factible no le sorprendió a Wimperis, sin embargo, sí le atrajo la idea de poder detectar un avión. Como no estaba muy convencido de que la idea funcionara revisó los cálculos, sin encontrar ningún error; pero como aún desconfiaba los hizo revisar nuevamente por su asistente, que tampoco encontró objeción alguna. En vista de lo anterior se inició la verificación experimental, que se encomendó a Wilkins. Éste utilizó un aparato que solamente emitía ondas de 49 m, que consideró útil para la prueba. Se arregló que un avión militar volara en determinado curso, desconocido por Wilkins. Con su rudimentario equipo Wilkins pudo detectar y dar la trayectoria que había seguido el avión. El éxito fue notable y con ello se obtuvieron las primeras partidas presupuestarias para realizar un proyecto de gran importancia que duró de 1935 a 1940.

La idea del funcionamiento del radar es la siguiente: si se emite una onda hacia un objeto, y se sabe la velocidad con que se propaga la onda, midiendo el tiempo que tarda en regresar la onda reflejada, el eco, se puede saber la distancia a la que se encuentra el objeto. Una gran ventaja de utilizar ondas electromagnéticas es que, como se propagan a una velocidad extremadamente grande, la de la luz, es instantánea la detección para todos los propósitos prácticos.

Uno de los primeros aspectos que resolvieron fue la presentación visual de la información recibida. Para ello emplearon el tubo de rayos catódicos (CRT) que se utilizaba en física. El grupo modificó este tubo para utilizarlo en el radar. Usaron dos conjuntos de placas desviadoras del haz de electrones. Un conjunto desvía el haz horizontalmente de manera continua y sirve para marcar el tiempo desde el instante en que se emite la onda; este tiempo es proporcional a la distancia del objeto, por lo que la traza horizontal en la pantalla es una medida de la distancia. El otro conjunto está conectado a la antena receptora de la señal reflejada por el objeto; cuando se recibe la señal en el tubo el haz marca en la pantalla un pulso. 

En la figura, el primer pulso, el de la izquierda, indica la señal emitida por la estación, mientras que el segundo pulso, el menor, es el reflejado por el objeto. La posición en el tubo del segundo pulso da una medida de la distancia. Este formato de visualización bidimensional (amplitud frente a distancia) se estandarizó operativamente como el indicador A-Scope (Pantalla tipo A).

Después de muchos problemas técnicos y científicos se pudo construir un sistema de radar que funcionaba razonablemente bien. Se le hicieron muchas modificaciones para que pudiera detectar no solamente la distancia a la que se encontraba un avión, sino también su altura. La mayor parte del sistema estaba completo en septiembre de 1938, cuando ocurrió la crisis de Múnich. En esa época se instalaron las primeras cinco estaciones que funcionaron las 24 horas. Para ese entonces ya se había colocado un gran número de torres con antenas en parte de la costa inglesa frente al continente. El diseño de las antenas del Chain Home se basó en enormes mástiles de acero de 110 metros de altura para la transmisión, y torres de madera de 73 metros para la recepción, separadas para evitar interferencias, conformando una red estática que requería una alta pericia del operador para interpretar los retornos difusos.

Otro problema que también se resolvió fue la incapacidad de distinguir entre un avión enemigo y uno propio, o sea la llamada Identificación Amigo-Enemigo (IFF). La solución fue relativamente sencilla en su concepto. Se instalaron en los aviones ingleses dispositivos electrónicos (transpondedores) que al recibir la onda enviada desde tierra emitían a su vez una señal especial que los identificaba como amigos.

Debido a la gran velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas, cuando recibían la señal de que se aproximaba un avión enemigo, los ingleses tenían tiempo suficiente para enviar sus cazas a esperarlos. La forma de operación fue la siguiente: una vez detectado un avión enemigo por el radar, la estación transmitía telefónicamente la información a un centro situado en Londres. Este decidía qué escuadrones debían hacer frente al ataque y mandaba la orden con los datos obtenidos a la base correspondiente.

Este centro neurálgico formaba parte del llamado Sistema Dowding (Dowding System), la primera red integrada de Mando y Control (C2) terrestre a gran escala de la historia de la aviación. La información bruta del radar se filtraba en la Filter Room del Cuartel General del Mando de Caza en Bentley Priory. Allí, las mujeres de la WAAF (Women's Auxiliary Air Force) cruzaban los datos electrónicos del Chain Home con las observaciones de paso del Royal Observer Corps (ROC), generando sobre las mesas de mapas un único track consolidado. Esto eliminaba duplicidades y evitaba el despliegue redundante o inútil de cazas.

De esta manera, en agosto de 1939, tres semanas antes del inicio de la Segunda Guerra Mundial, Gran Bretaña contó con un sistema de detección de aviones operativo. La guerra empezó en el verano de 1940 y cuando los bombarderos alemanes llegaron al cielo británico encontraron pequeños grupos de cazas esperándolos. Con ayuda del radar, los ingleses podían detectar la formación de las agrupaciones aéreas alemanas desde el momento en que tomaban altitud en sus bases situadas en países conquistados, como Francia y Bélgica, lo que les daba tiempo suficiente para despegar, ganar la cota táctica superior y esperarlos sobre el Canal de la Mancha.

Debido a la política de desarme seguida por Gran Bretaña, el número de cazas disponibles era pequeño, pero el radar y el Sistema Dowding hicieron posible que el ataque a los bombarderos alemanes fuera dirigido con precisión quirúrgica, adquiriendo así gran eficiencia en la defensa aérea inglesa y conservando el valioso combustible y las horas de vuelo de los motores Merlin.

Los alemanes sabían que los ingleses contaban con pocos aviones cazas y creyeron que iba a ser tarea fácil destruirlos e invadir la isla. En consecuencia, en el verano de 1940, después de la caída de Francia, con sus primeros ataques aéreos se proponían acabar con los aviones en sus bases. Sin embargo, lo que destruyeron fueron en gran medida aeródromos vacíos, ya que, con el aviso proporcionado por el radar, los escuadrones de interceptores Spitfire y Hurricane no estaban en tierra cuando los alemanes llegaban, sino en el aire, y en muchos casos picando sobre las formaciones enemigas. Las esperanzas alemanas de superioridad aérea rápida se desvanecieron.

Posteriormente, a fines de 1940, la Luftwaffe cometió un tremendo error estratégico: empezaron a bombardear Londres y otras ciudades británicas (el Blitz), alejando la presión de los aeródromos tácticos del Mando de Caza, con lo que dieron un vital respiro al abastecimiento y reconstrucción de las bases aéreas del Grupo 11. Como consecuencia, la llamada Batalla de Inglaterra fue ganada por la RAF, multiplicando su fuerza real de forma exponencial gracias a la eficiencia de interceptación que otorgaba el radar.

Mucho tiempo después, cuando ya habían perdido la Batalla de Inglaterra, el alto mando alemán se percató de que fue la infraestructura electrónica la que ayudó a los cazas ingleses a anticipar los vectores de ataque. Si se hubiesen dado cuenta de la magnitud e importancia del Chain Home durante la batalla, hubiese sido un objetivo primario destruir las frágiles torres de antenas ubicadas en la línea costera frente al continente. De hecho, el Graf Zeppelin (LZ 130) había realizado misiones SIGINT (Inteligencia de Señales) a lo largo de la costa británica en 1939 y detectaron los pulsos, pero los técnicos alemanes no supieron interpretar la función de estas emisiones HF al operar ellos mismos radares en frecuencias muy superiores (VHF/UHF), subestimando la amenaza.

La disponibilidad del radar surgió en el momento exacto para la defensa del espacio aéreo británico. Si el radar hubiese llegado a ser operacional algunos años antes, mantener en secreto sus enormes infraestructuras de antenas hubiese sido inviable y los alemanes las habrían integrado dentro de su doctrina de bombardeo. Por otro lado, si se hubieran tardado unos meses más en alcanzar la madurez operativa en Mando y Control, los ingleses habrían colapsado ante la guerra de desgaste de la Luftwaffe. El radar y la arquitectura de interceptación terrestre consolidaron un cambio de paradigma definitivo en la guerra aérea contemporánea.

Fuentes y Bibliografía

• Watson-Watt, R. A. (1935). Detection and location of aircraft by radio methods (Memorándum original). Archivos Nacionales del Reino Unido (AIR 2/1585). Accesible en bases de datos de historia militar (Open Access/Public Domain).

• Swords, S. S. (1986). Technical History of the Beginnings of Radar. IEE History of Technology Series. Material de consulta técnica sobre los cálculos de resonancia dipolo de Wilkins e infraestructura de Chain Home.

• Zimmerman, D. (2001). Britain's Shield: Radar and the Defeat of the Luftwaffe. Sutton Publishing. Documentación sobre el cruce de datos en la Filter Room y el Sistema Dowding.

• Brown, L. (1999). A Radar History of World War II: Technical and Military Imperatives. Institute of Physics Publishing. Referencia para el desarrollo y frecuencias de los transmisores en Daventry.

• Royal Air Force Historical Society (2002). Journal 28: Radar and the Battle of Britain. Artículos de acceso abierto que detallan las misiones del Vuelo 1448 (Avro Rota) en la calibración del Chain Home.