Die Suche nach dem vermissten Malaysia Airlines Flug 370 in diesem Monat hat viele Fragen darüber aufgeworfen, wie Flugzeuge verfolgt werden.Eines der wichtigsten Mittel zur Verfolgung der Position von Flugzeugen ist das Radar, ein System, das sich vor dem Zweiten Weltkrieg entwickelt und seitdem ständig weiterentwickelt wurde, erklärt Dr. Graham Brooker, Radaringenieur an der School of Aerospace, Mechanical and Mechatronic Engineering der University of Sydney.Das Wort RADAR ist ein Akronym für RAdio Detection And Ranging, und in seiner einfachsten Form besteht es aus einem gesendeten Funksignal, das von einer Antenne in eine bestimmte Richtung gerichtet ist, und einem Empfänger, der die Echos von beliebigen Objekten im Signalweg erkennt, sagt er.

Der Sender besteht aus einer elektronischen Schaltung, die bei einer bestimmten Frequenz oszilliert, normalerweise viel höher als die Frequenzen, die für Radio- oder Fernsehsendungen verwendet werden, sagt Brooker.

Dieses Signal wird in kurzen Ausbrüchen elektromagnetischer Energie, sogenannten Impulsen, durch die Antenne ausgesendet, die einen schmalen Strahl wie der einer Taschenlampe erzeugt.

„Radar ermöglicht es, die Richtung zu einem Objekt, das allgemein als Ziel bezeichnet wird, basierend auf der Richtung zu bestimmen, in die die Antenne zeigt“, sagt Brooker.

Die Entfernung zum Ziel wird aus der Zeit zwischen dem Senden des Impulses und dem Empfangen des Echos bestimmt. Dies kann genau bestimmt werden, da sich das Radarsignal mit konstanter Lichtgeschwindigkeit bewegt.

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Flugsicherung

Bei Flugsicherungsradaren hat der Strahl die Form eines Fächers, der in horizontaler Richtung schmal und in vertikaler Richtung breit ist, um hochfliegende Flugzeuge aufzunehmen.

Dieser Strahl scannt alle zwei oder drei Sekunden im Kreis und Echos werden auf einem kreisförmigen Display angezeigt, das als Planpositionsanzeige bezeichnet wird.

Der Fluglotse — oder ein Computer — kann die Echos oder Blips auf dem Display verfolgen, um festzustellen, wohin das Flugzeug fliegt. Dies nennt man Primärradar.

„Primärradar wird selten mehr isoliert eingesetzt, da zu viele Flugzeuge am Himmel sind“, sagt Brooker.

„Heutzutage wird auch Sekundärradar verwendet, bei dem eine codierte Impulsfolge an das Flugzeug gesendet wird und ein Transponder im Flugzeug eine codierte Rückkehr erzeugt, die viele Informationen über das Flugzeug enthält. Dies wurde früher als Freund oder Feind oder IFF bezeichnet.“Fluglotsen verwenden meistens Sekundärradar, um Verkehrsflugzeuge zu verfolgen, und verwenden nur dann echtes Radar, wenn Transponder nicht angebracht, ausgeschaltet oder defekt sind. „Es gab einen Fall vor ein paar Jahrzehnten, in dem ein junger Mann ein Leichtflugzeug auf halbem Weg durch die USA flog, ohne entdeckt zu werden, da die Fluglotsen entweder ihre primären Radargeräte ausgeschaltet hatten oder dachten, sein Echo stamme von einem Vogelschwarm“, sagt Brooker.

Wenn der Flugzeugtransponder ausgeschaltet ist, kann es schwierig sein zu erkennen, welcher der vielen primären Radar- „Blips“ auf dem Display der Flugsicherung dem Flugzeug entspricht, an dem Sie interessiert sind, sagt Brooker.

„Dies könnte der Grund sein, warum der Transponder auf Flug 370 anscheinend in dem Bereich ausgeschaltet wurde, in dem die Übergabe von einer Flugsicherung zur anderen erfolgte.

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Grenzen des Radars

Die meisten Menschen werden den Ausdruck ‚unter dem Radar fliegen‘ gehört haben. Dies ist nach einem wahren Phänomen benannt, erklärt Dr. Brooker.

„Es wird durch die Wechselwirkung des Radarstrahls mit dem Boden verursacht, was dazu führt, dass der Strahl vom Horizont „abhebt“. Wenn ein Flugzeug tief genug fliegt, beleuchtet der Strahl es kaum und die Reichweite, in der es gesehen werden kann, ist begrenzt.“

Es gibt auch Grenzen für die Entfernung, über die Radar verwendet werden kann. Das Hauptproblem bei Radar für den Langstreckenbetrieb ist die Tatsache, dass die zum Senden und Empfangen des Signals erforderliche Leistung von der Entfernung zum Flugzeug abhängt, die auf die Potenz von vier angehoben wird, sagt Brooker.

„Wenn Sie also die Reichweite verdoppeln möchten, in der Sie ein Flugzeug erkennen können, muss sich die übertragene Leistung um den Faktor 16 erhöhen.“

Typische Radargeräte, mit denen Flugzeuge bis zu einer Reichweite von 100 Kilometern oder mehr verfolgt werden, übertragen Spitzenleistungen im Megawattbereich. Der gesendete Impuls ist jedoch kurz, typischerweise eine Mikrosekunde oder so, und sie treten nur einige hundert Mal pro Sekunde auf, so dass die durchschnittliche Leistung ziemlich niedrig ist.

Für einen wirklich weitreichenden Betrieb wird die zum Aussenden der Radarimpulse erforderliche Spitzenleistung unerschwinglich groß. Dies hat zur Entwicklung von Innovationen wie Phased Arrays geführt, die aus einer großen Anzahl kleinerer Sender und Empfänger auf einer ebenen Oberfläche bestehen, die im Einklang und in der Pulskompression arbeiten, wodurch längere und codierte Impulse mit geringerer Leistung erzeugt werden können bei gleichzeitiger Beibehaltung einer guten Entfernungsgenauigkeit.

Eine weitere Einschränkung des Langstreckenradars ist die Dämpfung durch die Atmosphäre – selbst bei klarer Luft, aber schlimmer bei Regen. Dies hängt umgekehrt mit der Wellenlänge des Signals zusammen, sodass Radargeräte mit großer Reichweite mit niedriger Frequenz arbeiten.

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Verstecken vor Radar

Elektromagnetische Wellen „prallen“ von Objekten ab, die Elektrizität leiten, so dass altmodische Flugzeuge aus Holz und Leinwand keine großen Radarechos erzeugten, sagt Brooker. Gleiches gilt für moderne Flugzeuge aus Kohlefaserverbundwerkstoffen. Aluminium gehäutet Flugzeuge machen die besten Ziele.

„Die Form des Flugzeugs ist auch wichtig, und Metallflugzeuge aus flachen Platten, scharfen Ecken und Kanten erzeugen im Allgemeinen starke Echos. Wenn Sie also ein Flugzeug unsichtbar machen möchten, können Sie es entweder aus flachen Platten oder Facetten herstellen, die so ausgerichtet sind, dass die Radarsignale vom Empfänger weg reflektiert werden. Das Stealth-Kampfflugzeug F-117 ist ein Beispiel dafür.“

Alternativ können Flugzeuge ohne rechte Winkel hergestellt werden, so dass Flügel in den Körper eingemischt werden und äußere Merkmale beseitigt werden. Die Herstellung einer Flugzeughaut, die Radarenergie mit „radarabsorbierenden Materialien“ absorbiert, ist eine weitere Methode, um die Echogröße zu minimieren, sagt er.

„Der Tarnkappenbomber B-2 ist wahrscheinlich der modernste, der die meisten dieser Techniken verwendet und ein Echo liefert, das ungefähr so groß ist wie das einer Hummel.“Dr. Graham Brooker ist Radaringenieur an der School of Aerospace, Mechanical and Mechatronic Engineering der University of Sydney. Er wurde von Stephen Pincock interviewt.