近接信管

イギリスでレーダーの概念に初めて言及したのは、WAS ButementとPE Pollardで、彼らは1931年にパルスレーダーの小型ブレッドボードモデルを製作した。彼らは、このシステムが沿岸砲兵部隊にとって夜間でも船舶までの距離を正確に測定するのに役立つだろうと提案した。陸軍省はこの概念に興味を示さず、2人に他の問題に取り組むように指示した。^{[ 21 ] [ 22 ]}

1936年、航空省はサフォーク州のボーズィー・マナーを引き継ぎ、翌年チェーン・ホームとして登場する試作レーダーシステムの開発をさらに進めた。陸軍は突然レーダーの話題に非常に興味を持ち、ブテメントとポラードをボーズィーに派遣し、「陸軍セル」として知られるようになった組織を結成させた。彼らの最初のプロジェクトは、沿岸防衛に関する彼らの元の研究の復活であったが、すぐに彼らは対空砲を支援するための距離専用レーダーを開発する2番目のプロジェクトを開始するように指示された。^{[ 23 ]}

1930年代後半、これらのプロジェクトが開発段階から試作段階へと移行するにつれ、ブテマンは他の概念に目を向けるようになり、その中には近接信管のアイデアもあった。

...これに、レーダー装置CD/CHLおよびGLの設計者である WAS Butement が、1939 年 10 月 30 日に 2 種類の無線信管を提案しました。(1) レーダー装置が砲弾を追跡し、射手にとって判断が難しい距離が目標と同じになったときに、操作員が信管内の無線受信機に信号を送信する。(2) 信管が高周波電波を発信し、それが目標と相互作用して、目標と砲弾の相対速度が高い結果、発振器で感知されるドップラー周波数信号を生成する。^{[ 24 ]}

1940年5月、ブテメント、エドワード・シャイア、アムハースト・トムソンによる正式な提案が、2つの概念のうち2番目の概念に基づいて英国防空研究所に送られた。^{[ 9 ]}ブレッドボード回路が構築され、ブリキ板をさまざまな距離で動かすことで、この概念が実験室でテストされた。初期のフィールドテストでは、回路をサイラトロントリガーに接続し、タワーに取り付けられたカメラを操作して通過する航空機を撮影し、信管機能の距離を決定した。

試作信管は1940年6月に製造され、固体燃料ロケットの英国での偽名である「無回転砲弾」に取り付けられ、気球で支えられた標的に発射された。^{[ 9 ]}ロケットは加速度が比較的低く、遠心力を生み出す回転もないため、繊細な電子信管にかかるストレスは比較的穏やかである。限定的な用途では理想的ではないことは理解されていた。近接信管はあらゆる種類の砲兵、特に高射砲に役立つが、それらは加速度が非常に高い。

1939年9月には早くも、ジョン・コッククロフトはパイ社で、これらのはるかに大きな力に耐えられる熱電子管（電子管）の開発に着手した。 ^{[ 25 ]}パイ社の研究は、米国が参戦した際にティザード使節団によって提供された技術パッケージの一部として米国に移管された。パイ社のグループは、米国のグループによる試験が成功した後の1941年8月6日まで、高圧下で頑丈な五極管を確実に動作させることができなかったようだ。 ^{[ 26 ] [ 27 ]}

真空管の問題に対する短期的な解決策を求めて、1940年にイギリスはウェスタン・エレクトリック社とラジオ・コーポレーション・オブ・アメリカ社に補聴器用として2万個の小型電子管を発注した。ハロルド・G・ボーエン提督率いるアメリカのチームは、それらが爆弾やロケットの近接信管の実験用であると正しく推測した。^{[ 10 ]}

1940年9月、ティザード使節団は、研究者たちに英国の様々な開発を紹介するために米国を訪れ、近接信管の話題が持ち上がった。英国の実験の詳細は、米国海軍研究所と国防研究委員会（NDRC）に伝えられた。^{[ 9 ]} 1940年にはカナダとも情報が共有され、カナダ国立研究評議会は信管の研究をトロント大学のチームに委任した。^{[ 28 ]}

イギリスから回路設計図を受け取る前と後に、NDRCセクションT議長のマール・トゥーブの指揮の下、リチャード・B・ロバーツ、ヘンリー・H・ポーター、ロバート・B・ブロードによってさまざまな実験が行われた。^{[ 9 ]}トゥーブのグループはセクションTとして知られ、戦争中ずっとAPLに拠点を置いていた。^{[ 29 ]}トゥーブは後にインタビューで次のように述べている。「イギリスでロケットに使われている回路についての噂を耳にし、その後、回路図を受け取ったが、私はすでにそれをロケット、爆弾、砲弾に組み込んでいた。」^{[ 27 ] [ 30 ]}トゥーブが理解していたように、信管の回路は初歩的なものだった。彼の言葉を借りれば、「この状況で際立った特徴は、この種の信管の成功が基本的な技術的アイデアに依存していないという事実である。すべてのアイデアは単純で、どこでもよく知られている。」^{[ 27 ]}対空砲弾用の信管を改良するという重要な作業は、イギリスではなくアメリカで行われた。^{[ 31 ]}トゥーブは、信管がイギリスの発明であると認められ、ロイヤリティ料を免除することでアメリカ海軍が数百万ドルを節約できたブテマン他対バリアン特許訴訟の結果には満足しているものの、ティザード使節団が提供した信管設計は「我々が機能するように作ったものではなかった！」と述べた。^{[ 32 ]} 

ロイド・バークナーは、送信機と受信機の回路を別々に使うシステムを開発したことで、重要な改良を導入した。1940年12月、トゥーヴは米国国立標準局（NBS）のハリー・ダイアモンドとウィルバー・S・ヒンマン・ジュニアを招き、バークナーの改良型信管を調査し、ドイツ空軍機に対抗するためのロケット弾や爆弾用の近接信管を開発させた。^{[ 9 ] [ 33 ] [ 34 ]}

わずか2日間で、ダイアモンドは新しい信管設計を考案し、バージニア州ダールグレンの海軍試験場での広範な試験を通じてその実現可能性を実証することに成功した。 ^{[ 35 ] [ 36 ]} 1941年5月6日、NBSチームは6つの信管を製作し、空中投下爆弾に搭載して水上での試験に成功した。^{[ 9 ]}

NBSでのラジオとラジオゾンデに関するこれまでの研究を踏まえ、ダイアモンドとヒンマンは、反射電波のドップラー効果を利用した近接信管を開発した。 ^{[ 34 ] [ 37 ] [ 38 ]}このグループによって開発されたドップラー効果の利用は、後に爆弾、ロケット、迫撃砲用のすべての無線近接信管に組み込まれた。^{[ 33 ]}その後、国立標準局の兵器開発部門（後に元局長にちなんでハリー・ダイアモンド研究所となり、後に陸軍研究所に統合された）は、低コストで無線近接信管を製造するための最初の自動生産技術を開発した。^{[ 38 ]}フィリピン系アメリカ人の物理学者エマ・アンソン・ローターは、この無線近接信管の改良に向けてNBSで研究に貢献し、このプロジェクトに参加した数少ない女性の一人だった。^{[ 39 ]}

1940年代半ば、防衛関連企業で働いていたソ連のスパイ、ユリウス・ローゼンバーグは、アメリカ製の近接信管の試作品を盗み出し、ソ連の情報機関に渡した。^{[ 40 ]}それは最も価値の高い対空砲弾用の信管ではなかった。^{[ 41 ]}

米国では、NDRCは対空砲に使用する無線信管に注力した。対空砲の加速度は最大20,000gに達するが、ロケット弾の加速度は約100g 、投下爆弾の加速度はそれよりはるかに小さい。^{[ 42 ]}極端な加速度に加えて、砲弾は砲身のライフリングによって毎分30,000回転近くまで回転し、巨大な遠心力を生み出す。ウェスタン・エレクトリック社とレイセオン社と協力して、1942年にAPLに加わったヴァン・アレンのアイデアに基づき、小型補聴器チューブをこの極端なストレスに耐えられるように改造した。T -3信管は1942年1月に水上標的に対してテストされ、52%の成功率を示した。米国海軍はこの失敗率を受け入れた。 1942年8月12日、模擬戦闘条件テストが開始された。巡洋艦USSクリーブランド（CL-55）の砲台は、チェサピーク湾上空で無線操縦ドローン標的に対して近接信管弾薬のテストを行った。テストは2日間かけて実施される予定だったが、初日の早い段階でドローンが破壊されたためテストは中止された。3機のドローンはわずか4発の砲弾で破壊された。^{[ 9 ] [ 43 ]}    

特に成功を収めた応用例として、 VT信管付き90mm砲弾にSCR-584自動追尾レーダーとM9射撃管制コンピューターを組み合わせたものが挙げられる。これら3つの技術の組み合わせにより、ロンドンとアントワープを標的とした多くのV-1飛行爆弾の撃墜に成功した。V-1は小型で高速なため、対空砲では迎撃が困難な標的であった。

ニューメキシコ州カートランド空軍基地の対空砲射撃場は、近接信管の試験施設の1つとして使用され、1942年から1945年にかけて約5万回の試験発射が行われた。^{[ 49 ]}また、メリーランド州アバディーン試験場でも試験が行われ、約1万5000発の爆弾が投下された。^{[ 37 ]}その他には、ノースカロライナ州フォート・フィッシャーやメリーランド州ブロッサム・ポイントなどがある。

アメリカ海軍の開発と初期生産は、ニューヨーク州ノース・トナワンダにあるワーリッツァー社 のバレルオルガン工場に委託された。^{[ 50 ]}

新型信管用の管の最初の大規模生産は、以前はクリスマスツリーランプの製造に使用されていたオハイオ州クリーブランドのゼネラル・エレクトリック工場で行われた^{[ 9 ]} 。信管の組み立ては、ニューヨーク州スケネクタディとコネチカット州ブリッジポートのゼネラル・エレクトリック工場で完了した^{[ 51 ]}。完成品の検査が完了すると、各ロットから生産された信管のサンプルが国立標準局に送られ、特別に建設された制御試験研究所で一連の厳格な試験を受けた^{[ 37 ]} 。これらの試験には、低温および高温試験、湿度試験、および急激な衝撃試験が含まれていた。

1944年までに、アメリカの電子産業の大部分は信管の製造に集中した。調達契約は1942年の6,000万ドルから1943年には2億ドル、1944年には3億ドルに増加し、1945年には4億5,000万ドルに達した。生産量が増加するにつれて効率性が重要になり、信管1個あたりのコストは1942年の732ドルから1945年には18ドルに低下した。これにより、約10億ドル（2021年米ドル換算で146億ドル^{[ 52 ]}）で2,200万個以上の信管を購入することができた。主な供給業者は、クロスリー、RCA、イーストマン・コダック、マクウェイ・ノリス、シルバニアであった。また、火薬メーカーから機械工場まで、2,000社以上の供給業者と下請け業者が存在した。^{[ 53 ] [ 54 ]}これはプリント回路の大量生産への応用例の初期の1つでした。^{[ 55 ]}

戦時中、米国科学研究開発局（OSRD）の局長を務めたヴァネヴァー・ブッシュは、近接信管に3つの重要な効果があったと述べている。 ^{[ 56 ]}

• これは太平洋における日本の特攻攻撃に対する防衛において重要であった。ブッシュはこの革新により5インチ対空砲の有効性が7倍に向上すると推定した。^{[ 57 ]}
• それは、最終的にイギリスに対するドイツのV-1攻撃を無力化したレーダー制御対空砲陣地の重要な一部であった。^{[ 57 ]}
• それはヨーロッパでバルジの戦いから使用され始め、ドイツ歩兵部隊に対して発射された砲弾において非常に効果的であり、陸上戦の戦術を変えた。

当初、信管はドイツ軍に鹵獲されない状況でのみ使用されました。1944年には南太平洋の陸上砲で使用されました。また、1944年には、 V-1飛行爆弾からイギリスを防衛していたイギリス陸軍の対空司令部にも信管が配備されました。イギリスの重対空砲のほとんどは細長い沿岸地帯に配置されていたため（内陸部は戦闘機迎撃のために空けられていた）、不発弾は海に落ち、安全に鹵獲されることはありません。ドイツのV-1作戦中、沿岸砲台帯を通過する飛行爆弾の破壊率は17%から74%に上昇し、ある日には82%に達しました。イギリス軍が遭遇した小さな問題は、信管が敏感すぎて、海鳥に近づきすぎると砲弾が爆発し、多数の海鳥の「死亡」が記録されたことでした。^{[ 58 ]}

ペンタゴンは1944年に連合軍野戦砲兵による信管の使用を拒否したが、アメリカ海軍は1943年7月のシチリア侵攻中のジェーラの戦いで近接信管付き対空砲弾を発射した。 ^{[ 59 ]}ドワイト・D・アイゼンハワー将軍が信管の使用許可を要求した後、1944年12月のバルジの戦いでVT信管付き砲弾20万発（コードネーム「POZIT」 ^{[ 60 ]}）が使用された。これにより、すべての砲弾が地面に着弾する直前に爆発するようになったため、連合軍の重砲ははるかに破壊的になった。^{[ 61 ]}ドイツ軍師団は、悪天候により正確な観測が妨げられると考えられていたため、時限砲撃から安全だと考え、開けた場所にいたところを襲われた。アメリカのジョージ・S・パットン将軍は、近接信管の導入がリエージュを救ったと述べ、その使用には陸上戦の戦術の見直しが必要だったと語った。^{[ 62 ]}

第二次世界大戦末期には、無線近接信管を装備した爆弾やロケットがアメリカ陸軍航空隊とアメリカ海軍の両方で限定的に使用されていた。これらの近接信管で起爆する爆弾やロケットの主な標的は、対空砲陣地と飛行場であった。^{[ 63 ]}

砲弾の探知における主要な原理は、無線周波数探知（レーダー）である。

^{第二次世界大戦の特許[ 64 ]}に記載されている装置は、次のように動作します。砲弾にはマイクロ送信機が内蔵されており、砲弾本体をアンテナとして使用し、約180～220MHzの連続波を放射します 。砲弾が反射物体に近づくと、干渉パターンが生成されます。このパターンは距離が縮まるにつれて変化し、距離が半波長（この周波数では約0.7メートル）ごとに、送信機は共振状態になったり、共振状態から外れたりします。これにより、放射電力と発振器の供給電流が約200～ 800Hz （ドップラー 周波数）でわずかに変動します。この信号はバンドパスフィルタを通過して増幅され、一定の振幅を超えると起爆します。 

光学センシングは、1935年にスウェーデンの発明家（おそらくエドワード・W・ブラント）によってペトスコープを用いて開発され、1936年に英国で特許が取得されました。これは、英国航空省の「爆撃機搭載爆弾」構想の一環として、爆撃機に投下される爆弾の起爆装置の一部として最初に試験されました。その後、地上から発射される対空ミサイルへの使用も検討され（後にブラントによって特許が取得されました）、ミサイルの主軸に垂直な平面からの光をすべて光電セルに集光するトロイダルレンズが使用されました。セルの電流が一定時間内に一定量変化すると、起爆が引き起こされました。

現代の空対空ミサイル（ASRAAMやR-77など）の中には、レーザーを用いて起爆するものがある。これらのミサイルは、ミサイルの飛行方向に対して垂直に細いレーザー光線を照射する。ミサイルが目標に向かって巡航する間、レーザーエネルギーはそのまま宇宙空間に放出される。ミサイルが目標を通過する際、エネルギーの一部が目標に当たり、ミサイルに反射される。ミサイル内部の検出器がこれを感知し、弾頭を起爆させる。

音響近接信管は、標的（例えば、航空機のエンジンや船舶のプロペラ）からの音響放射によって作動します。作動は、マイクロホンまたはハイドロホンに接続された電子回路を介して行うか、ダイヤフラムトーンフィルターに接続された共鳴振動リードを使用して機械的に行うことができます。^{[ 65 ] [ 66 ]}

第二次世界大戦中、ドイツは少なくとも5種類の対空用音響信管を開発していたが、いずれも実戦配備には至らなかった。ドイツの音響信管設計の中で最も開発が進んでいたのは、ラインメタル・ボルジッヒ社のクラーニッヒ（ドイツ語でクレーン）で、140～500Hzの周波数に感度を持つダイヤフラムトーンフィルター と、電気点火装置を作動させるために使用される共振振動リードスイッチを利用した機械式装置であった。シュメッターリング、エンツィアン、ライントヒター、X4誘導ミサイルはすべて、クラーニッヒ音響近接信管で使用するように設計されていた。^{[ 65 ] [ 67 ]}

第二次世界大戦中、国防研究委員会（NDRC）は対空兵器への音響近接信管の使用を調査したが、より有望な技術的アプローチがあると結論付けた。NDRCの研究では、特にミサイルや高速航空機に関して、音速が音響信管の設計と使用における大きな制約であることが強調された。 ^{[ 66 ]}

水中音響の影響は、機雷や魚雷の起爆機構として広く利用されている。水中で回転する船のプロペラは強力な水中音響ノイズを発生させ、これを水中聴音器で拾い、ホーミングや起爆に利用できる。影響発火機構は、音響受信機と磁気誘導受信機の組み合わせを使用することが多い。^{[ 68 ] [ 69 ]}

磁気探知は、船舶などの巨大な鉄塊を検出する場合にのみ適用可能です。機雷や魚雷に用いられています。この種の信管は、消磁、船舶（特に掃海艇）の非金属製船体の使用、または航空機や曳航ブイに取り付けられた磁気誘導ループによって無効化することができます。

機雷の中には、上空を通過する船舶の圧力波を検知できる圧力信管を使用するものがある。圧力センサーは通常、音響誘導や磁気誘導などの他の信管起爆技術と組み合わせて使用​​される。^{[ 69 ]}

第二次世界大戦中、地上での空中炸裂を起こすために、爆弾の束（または列）に圧力作動式信管が開発されました。束の最初の爆弾には衝撃信管が取り付けられ、他の爆弾には圧力感知式ダイヤフラム作動起爆装置が取り付けられました。最初の爆弾の爆風は、地上で爆発する2番目の爆弾の信管を作動させるために使用され、この爆弾が3番目の爆弾を起爆させ、このプロセスが列の最後の爆弾まで繰り返されます。爆撃機の前進速度のため、圧力起爆装置を取り付けた爆弾はすべて、水平軌道に沿ってほぼ同じ高さで爆発します。この設計は、イギリスのNo.44「ピストル」信管とドイツのラインメタル・ボルジッヒBAZ 55A信管の両方で使用されました。^{[ 65 ] [ 66 ]}