Lockheed A-12

W pierwszej połowie lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku wspomnienie niespodziewanego japońskiego ataku na bazę Pearl Harbor na Hawajach, co bezpośrednio wciągnęło USA w drugą wojnę światową, było bardzo świeże i wciąż szokowało. W niedawno rozpoczętej erze atomowej kwestia nagłego ataku nabrała jeszcze ostrzejszego wymiaru. W tej sytuacji postanowiono zracjonalizować zdolności obronne USA, poprzez powołanie cywilnych analityków do opracowania odpowiednich zaleceń co do kierunków dalszego rozwoju amerykańskich sił zbrojnych. Prezydent Dwight D. Eisenhower, który sam był generałem, dobrze wiedział, że armia będzie wykorzystywała sytuację nalegając na rozbudowę sił zbrojnych, a także na zakup większej ilości czołgów, samolotów i okrętów. Nie chodziło jednak o to, by mnożyć sprzęt i żołnierzy pod bronią, ale by dać armii to, co będzie najbardziej efektywnym narzędziem obronnym w nowej sytuacji. pomoc w zorganizowaniu odpowiednich grup analitycznych poproszono rektora słynnego Massachusetts Institute of Technology, Jamesa R. Killiana. Łącznie powołano w 1954 roku trzy komitety analityczne w ramach panelu możliwości technologicznych TCP (Technological Capabilities Panel), pierwszy zajmował się amerykańskimi możliwościami ofensywnymi, drugi defensywnymi, a trzeci możliwościami w zakresie rozpoznania i pozyskiwania informacji o przeciwniku. Na czele tego ostatniego, od którego wyszedł pomysł wykorzystania wysoko latających samolotów do prowadzenia rozpoznania ZSRR, stanął dr Edwin H. „Din” Land, fizyk zajmujący się optyką, założyciel i pierwszy właściciel firmy Polaroid Corporation w 1937 roku. Land zaangażował do pracy w swojej grupie czterech innych naukowców, w tym słynnego fizyka Edwarda Purcella, laureata nagrody Nobla z 1952 roku. Program rozwoju i eksploatacji samolotów rozpoznawczych U-2, wynikający z rekomendacji właśnie owego panelu, dostarczył CIA i amerykańskim siłom zbrojnym wiele cennych informacji na temat radzieckiego potencjału militarnego. Jednakże od samego początku budził poważny niepokój Eisenhowera, jak i jego administracji. Loty U-2 były bowiem wykrywane i śledzone przez radzieckie stacje radiolokacyjne, co wywoływało wielkie obawy prezydenta. W końcu, 10 lipca 1956 roku ZSRR wystosował formalny protest przeciwko przelotom U-2 nad własnym terytorium, podając w załączniku szczegóły dotychczasowych misji. Upewniło to Amerykanów, że U-2 nie mogą latać nad państwami Bloku Wschodniego bezkarnie i że wywołują one znaczne napięcia we wzajemnych stosunkach, grożąc poważnymi konsekwencjami. W tej sytuacji Eisenhower nakazał natychmiastowe przerwanie misji U-2 nad ZSRR. Trzeba było znaleźć inne rozwiązanie.

Program „Rainbow”
Z ramienia CIA programem rozpoznania ZSRR z wykorzystaniem samolotów U-2 kierował Richard M. Bissell jr, z wykształcenia ekonomista, absolwent słynnego Uniwersytetu Yale, pełniący w CIA funkcję specjalnego asystenta dyrektora agencji, Allena Dullesa. 16 sierpnia 1956 roku zorganizował on w Burbank spotkanie, na którym obecni byli Edwin Land, przewodniczący komitetu ds. rozpoznania panelu TCP, Edward Purcell, członek komitetu, Clarence K. Johnson, jego zastępca Richard „Dick” Boehme oraz Stewart Miller z firmy Lockheed i Herbert I. Miller z CIA, zastępca Richarda Bissella ds. programu „Aquatone” (misji rozpoznawczych U-2). Na tym właśnie spotkaniu pojawił się pomysł opracowania technologii, która ukryłaby samolot U-2 przed radzieckimi stacjami radiolokacyjnymi. Wkrótce program uczynienia U-2 niewykrywalnymi dla radiolokatorów otrzymał kryptonim „Rainbow”. Aby rozwiązać ten problem postanowiono zwrócić się o pomoc do naukowców z Lincoln Laboratory, będącego częścią Massachusetts Institute of Technology (MIT), mieszczącego się w Lexington, w stanie Massachusetts. Edwin Land poprosił o pomoc dyrektora Lincoln Laboratory, dr. Marshalla Hollowaya, który wezwał zastępcę dyrektora Oddziału Radiolokacyjnego, dr. Franklina A. Rodgersa. Land i Rodgers pracowali kiedyś razem w Polaroid Corporation i dobrze się rozumieli. Pod kierunkiem Rodgersa zorganizowano niewielką grupę specjalistów, ekspertów od radiolokacji z Lincoln Laboratories, w skład której początkowo weszli Thomas C. Bazemore i Robert Naka. Ustalono, że staną się oni zalążkiem grupy badawczej, która zajmie się kwestią opracowania technik radiolokacyjnej niewykrywalności. Grupa ta miała pracować w całkowitej tajemnicy w Lincoln Laboratories, z którego miała nadal pobierać pensję, sam zaś instytut miał otrzymać za to rekompensatę finansową, faktycznie pochodzącą od CIA. Normalnie w instytucie Lincoln Laboratories naukowcy prowadzili różnorodne prace badawcze związane z programami obronnymi (to tu powstał SAGE – pierwszy Zautomatyzowany System Dowodzenia Obroną Powietrzną USA), a każdy z nich miał dopuszczenie do informacji niejawnych. Mogli więc dyskutować między sobą o prowadzonych przez siebie pracach, pod warunkiem, że wszelkie informacje zostaną w instytucie. W ten sposób jeden zespół wiedział, co robi drugi, ale grupa pracująca nad programem „Rainbow” musiała zachować absolutną tajemnicę. Nikt spoza grupy nie mógł być wtajemniczony w jej prace. Grupa znalazła sobie prowizoryczne lokum w pozostawionej na dachu jednego z budynków szopie, zbudowanej przez robotników i nigdy nie rozebranej. Stopniowo werbowano też innych członków grupy. W szopie ustawiono nadajnik, odbiornik i antenę, które były imitacją stacji radiolokacyjnej. Na zewnątrz, na dachu umieszczano próbki różnych materiałów, by zmierzyć ich skuteczną powierzchnię radiolokacyjnego odbicia. Grupa skoncentrowała się bowiem na opracowaniu specjalnego materiału, który absorbowałby absorbowałby bądź rozpraszał fale radiolokacyjne, a którym można by pokryć powierzchnie samolotu. W USA taki materiał został opracowany jeszcze w latach drugiej wojny światowej. Powstał on w MIT Radiation Laboratory (jak wówczas nazywało się Lincoln Laboratory), pod kierunkiem Winfielda Salisbury, stąd materiał ten nazywano „pokrycie Salisbury”. Składał się z on z warstwy drewna (transparentnej dla fal radiolokacyjnych) oraz impregnowanego brezentu, pokrytego drobinami grafitu. Ta ostatnia warstwa odbijała część promieniowania radiolokacyjnego, a część przepuszczała. Warstwa drewna musiała mieć grubość 1 długości fali radiolokatora, wówczas odbicie od powierzchni samolotu zbiegało się z odbiciem od warstwy brezentowo-grafitowej z przesunięciem o pół fazy (1 + 1 po odbiciu), czyli z przesunięciem o 180°. Obie odbite fale wchodziły w interferencję i wzajemnie się wygaszały. Materiał ten był dość skuteczny, ale miał dwie wady. Po pierwsze, działał tylko na ściśle określonej częstotliwości pracy stacji radiolokacyjnej, a po drugie, był dość ciężki i „pogrubiał” powierzchnie samolotu. Na tym etapie do prac włączyli się też konstruktorzy i technolodzy firmy Lockheed. Na czele zespołu firmy stanął Luter D. MacDonald, a jego zastępcą był chemik Melvin F. George. W zespole tym, był też Perry M. Reedy (też chemik) oraz Edward Lovick (fizyk). Razem z naukowcami z Lincoln Laboratory opracowali oni materiał absorbujący fale radiolokacyjne, nazywany wallpaper, dostosowany do maskowania samolotu przed radiolokatorami pracującymi na falach o długości około 10 cm (3 GHz), typowych dla radiolokacyjnych stacji kierowania ogniem radzieckich przeciwlotniczych zestawów rakietowych S-75. Wallpaper pracował na tej samej zasadzie co pokrycie Salisbury, ale miał mniejszą grubość. Gdyby wykorzystać oryginalny materiał Salisbury, pokrycie maskujące musiałoby mieć grubość 2,5 cm (1 długości fali), co pogrubiałoby powierzchnie samolotu o 5 cm, co było zupełnie niedopuszczalne, nawet w przypadku pokrycia samego kadłuba. Pomiary charakterystyk odbicia U-2, zarówno w czasie lotu dokonywane latem 1956 roku, jak i na specjalnym stanowisku naziemnym Indian Springs (obecna lotnicza baza Creek) wykazały, że dla radiolokatorów o tej częstotliwości największym elementem odbijającym jest kadłub, a z przodu – dodatkowo wloty powietrza do silników oraz krawędzie natarcia skrzydeł i usterzenia. Dlatego właśnie wallpaper miał być zastosowany do pokrycia kadłuba, krawędzie natarcia zaś miały być chronione w inny sposób. Ale i tak pogrubienie kadłuba o 5 cm było niedopuszczalne, zdecydowanie bowiem zwiększało opór aerodynamiczny samolotu. Istotą nowego pokrycia było wykorzystanie materiałów i wypełniacza ulowego, który spowalniał odbicie fali od właściwej powierzchni samolotu, więc przy znacznie mniejszej grubości fale odbite od zewnętrznego, na wpół radioprzeźroczystego pokrycia i od właściwej powierzchni samolotu, były przesunięte o pół fazy, co nadal powodowało wygaszanie fali odbitej. W wallpaper zamiast pokrytego grafitem brezentu użyto też laminatu szklanego, z odpowiednimi dodatkami. Całość pracowała bardzo dobrze w zakresie częstotliwości od 2 do 4 GHz. Ale było to rozwiązanie tylko częściowe, radiolokatory pracujące na innych częstotliwościach nadal mogły bowiem wykryć i śledzić U-2 bez żadnych ograniczeń. Postanowiono jednak zastosować wallpaper na wybranych samolotach, by przynajmniej uchronić je przed śledzeniem przez radiolokatory, które mogły być wykorzystane do ich zestrzelenia, w tym radiolokacyjne stacje kierowania ogniem przeciwlotniczych zestawów rakietowych i centymetrowe radiolokatory, służące do naprowadzania samolotów myśliwskich na cele powietrzne. Teraz było trzeba pomyśleć też o radiolokacyjnych stacjach wstępnego wykrywania dalekiego zasięgu, pracujących w tym okresie głównie na falach metrowych bądź decymetrowych (pasmo „L”). W tym przypadku okazało się, że duże odbicia pochodzą nie tylko od samego kadłuba i statecznika pionowego, ale o dziwo również od skrzydeł. Fale o wysokiej częstotliwości odbijają się dokładnie pod kątem padania i po odbiciu od dolnej powierzchni skrzydła nie wracają już do radiolokatora. Ale fale o mniejszej częstotliwości ulegają ugięciu, bądź częściowemu rozproszeniu co powoduje odbicie fali w komorze pomiędzy skrzydłami a kadłubem. Powstała w ten sposób fala stojąca powodowała wzmocnienie odbicia, przez co U-2 opromieniowany częstotliwością około 70 MHz (4,3 m) dawał niezwykle silne odbicie radiolokacyjne od skrzydeł. Także na nieco niższych częstotliwościach, na których pracowały radzieckie radiolokatory dalekiego zasięgu zakresu metrowego, odbicie radiolokacyjne od skrzydeł U-2 było silne. Aby je zredukować, naukowcy z Lincoln Laboratory zaproponowali inne rozwiązanie, tzw. trapeze. Równolegle do krawędzi natarcia i spływu skrzydeł poprowadzono metalowy przewód, podparty na wysuniętych do przodu i do tyłu prętach ferrytowych, tworząc w ten sposób swoisty dipol antenowy, z odcinkami przewodu miedzianego podzielonymi ferrytowymi prętami na odcinki o starannie dobranej długości. Fala stojąca indukowała w nim prąd przemienny, który z pewnym przesunięciem fazowym generował niewielką falę elektromagnetyczną, skutecznie interferującą z odbiciami fali stojącej, której energia była też częściowo wchłaniana przez samo indukowanie prądu przemiennego w dipolu. Z kolei aby zmniejszyć odbicie metrowych fal radiolokacyjnych od kadłuba, wprowadzono przymocowane do jego zewnętrznej powierzchni przewody, biegnące od nosa, aż po dyszę wylotową silnika. Na stateczniku pionowym również zamontowano dwanaście dipoli o mniejszej długości, rozpiętych na ferrytowych prętach, prostopadłych do powierzchni statecznika. Przewody biegły od krawędzi natarcia do krawędzi spływu usterzenia, pokrywając całą jego powierzchnię. Wspomniane przewody były także podzielone króciutkimi ferrytowymi podpórkami, na odcinki o odpowiedniej długości. Przewody na kadłubie i na stateczniku nazywano wires, czyli po prostu kable.

Oba sposoby maskowania zostały po raz pierwszy wypróbowane na U-2 w styczniu 1957 roku. Początkowo w wallpaper wyposażono pierwszy prototyp U-2, Article 341, w trapeze i wires zaś – trzeci, Article 343. Badania w locie i pomiary radiolokacyjnego odbicia potwierdziły, że wspomniane zabiegi faktycznie obniżają skuteczną powierzchnię radiolokacyjnego odbicia, ale nie czynią samolotu niewidzialnym dla stacji radiolokacyjnych. O ile wallpaper chronił samolot dość skutecznie, to jednak tylko w bardzo wąskim zakresie częstotliwości. Z kolei trapeze zmniejszał odbicie radiolokacyjne o około 12 dB, co powodowało ograniczenie zasięgu wykrycia samolotu przez radiolokacyjne stacje zakresu metrowego o połowę. Wires zmniejszały odbicie radiolokacyjne o około 20 dB. Pokrycie wallpaper wywołało dodatkowe, zupełnie nieoczekiwane problemy. Okazało się bowiem, że powoduje ono zatrzymanie ciepła wewnątrz kadłuba. Najczęściej przegrzewało się wyposażenie elektroniczne. 2 kwietnia 1957 roku pilot doświadczalny Lockheeda, Robert Siekier, wykonywał lot na prototypie U-2, Article 341, który miał pokrycie wallpaper. W czasie lotu na dużej wysokości doszło do awarii silnika, jak się później okazało wskutek przegrzania. Momentalnie spadło ciśnienie w kabinie, a w dodatku szybko wypełniający się wysokościowy ubiór kompensacyjny pilota nie zadziałał prawidłowo i doszło do wypięcia się hełmu szczelnego. Pilot stracił przytomność i samolot się rozbił, Siekier zginął. By poprawić sytuację, zdecydowano się na usunięcie pokrycia z górnej części kadłuba, co w zasadzie nie wpłynęło na wykrywalność samolotu przez radiolokatory naziemne, natomiast zdecydowanie poprawiło warunki chłodzenia urządzeń wewnątrz kadłuba.