В статье использовались и материалы работ капитана 1 ранга Краснова В. Н. – кандидата военно-морских наук, профессора, и Лупановой Е.М. — старшего научного сотрудника отдела «Музей М.В. Ломоносова» МАЭ РАН, доктора исторических наук
Прокладывай курс по звездам, а не по огням проходящих мимо кораблей.
Омар Бредли
Развитие науки и технологий с появлением на Земле организованных обществ и государств было тесно связано с экономикой, обеспечением и улучшением условий жизни, и извлечением прибыли. Поэтому научные изыскания носили целевой, а не абстрактный характер. Требовалось развитие астрономии, совершенствование календаря и методов ориентирования на Земле по небесным светилам. Необходимо было уметь как можно более точно определять положение на небе Солнца, Луны, звезд, а также измерять с наибольшей точностью основные астрономические постоянные – наклон эклиптики к экватору, длину солнечного и звездного года и др. А это, в свою очередь, требовало развития математики, в частности плоской и сферической тригонометрии, с одной стороны, и совершенствования инструментов для точных наблюдений и измерений, с другой.
До 80-х годов 20 века в кораблевождении использовался секстант (секстан) — навигационный измерительный инструмент, предназначенный для измерения высот светил (Солнца, Луны. планет и звёзд) над видимым горизонтом в море, а также горизонтальных и вертикальных углов между береговыми ориентирами с целью определения координат обсервованного места корабля, на котором производились измерения.
Под точками измерений при определении координат обсервованного места корабля по измеренным высотам Солнца и направлениям на него принимаются счислимые места корабля на момент измерений. Измерения направлений (азимутов) на Солнце выполняются с помощью корабельных оптических пеленгаторов. Измеренные высоты и азимуты исправляются необходимыми поправками. Для определения обсервованных координат места корабля рассчитываются высотные линии положения (ВЛП). Они наносятся на меркаторскую навигационную карту из счислимого места корабля на момент второго измерения высоты Солнца и направления на него по вычисленным переносам Δh перпендикулярно измеренным направлениям (азимутам) на Солнце. Переносы линий положения Δh определяются по разнице измеренных hи и счислимых hс высот Солнца: Δh = hи — hс. Счислимые высоты и азимуты Солнца рассчитываются по параметрам, которые определяются с помощью морского астрономического ежегодника (МАЕ) и таблиц для расчёта высот и азимутов светил (ТВА-57 или ВАС-58).
Для определения обсервованных координат корабля по измеренным высотам и азимутам Солнца необходимо выполнить их измерение как минимум два раза через промежуток времени Δt, составляющим не менее 30 минут, и перенести полученную при первом измерении линию положения к месту второго измерения по величине пройденного расстояния. В точке пересечения ВЛП находится обсервованное место корабля. Для точного определения места корабля измерение высот Солнца производится при его нахождении под углом не менее 300 над горизонтом и углу между направлениями на него не менее 300.
Определение места корабля по измеренным высотам и азимутам Солнца и Луны выполняется при их нахождении в светлое время суток над горизонтом под углом не менее 300 и углом между направлениями на них не менее 300. При этом производится последовательное измерение их высот и направлений на них. В качестве пройденного расстояния принимается его расчётная величина между измерениями. Дальнейшие действия по вычислению ВЛП и нахождению обсервованного места выполняются как при определении места по Солнцу.
Измерения высот звёзд и планет и направлений на них производятся в утренние и вечерние сумерки, когда видны они и линия морского горизонта. Время навигационных сумерек заранее рассчитывается с использованием Морского астрономического ежегодника (МАЕ). При этом для более точного определения координат места измеряются высоты трёх-четырёх звёзд, выбираемых с помощью звёздного глобуса по направлениям от 00 до 3600. Место корабля определяется в центре трёх или четырёхугольника, образованного высотными линиями положения. МАЕ, издаваемый каждый год, предназначен для решения задач морской астронавигации на любой момент времени текущего года. Основным содержанием ежегодника являются ежедневные таблицы, включающие данные для вычисления местных часовых углов и склонений Солнца, Луны, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна, а также 160 звёзд. С помощью МАЕ можно получить моменты восходов, заходов, кульминаций светил, сумерек, фазы Луны и азимуты верхнего края Солнца при его восходе и заходе.
Звёздный глобус представляет собой объёмное изображение небесной сферы с нанесёнными на неё экватором, сеткой небесных меридианов и параллелей, а также основных созвездий и звезд, используемых при определении места корабля. Он позволяет выполнить подбор нескольких звезд (как правило трёх-четырёх и их названий), расположенных на момент наблюдений по направлениям от 0 до 360 градусов и высотах от 30 до 70 градусов.
Основными предшественниками секстанта были гномон, морская астролябия, градшток, квадрант, октант их модификации.
Гномон — древнейший астрономический инструмент, представляющий собой вертикальный предмет и позволяющий по наименьшей длине его тени в полдень определить угловую высоту Солнца. Кратчайшая тень указывала и направление истинного меридиана. Широта места определялась по длине тени гномона и величине солнечного склонения в астрономический полдень данной даты. Для точности измерения важное значение имела высота гномона — чем он выше, тем длиннее отбрасываемая им тень, что повышало точность измерения. Однако точность гномона была относительно невелика, так как угловой диаметр Солнца приблизительно равен половине градуса. При этом использовать гномон для измерений по звёздам невозможно. Для повышения точности определения длины и направления тени гномона применялись различные «обострители тени» — диафрагмы с отверстием или шары небольшого диаметра. Принято считать, что гномон изобрёл древнегреческий философ и астроном Анаксимандр Милетский в 6 веке до н.э.
Дальнейшим развитием гномона стала астролябия. Основными вариантами ее развития стали челнообразная, универсальная, сферическая, наблюдательная и линейная астролябии. На рубеже 1000 года нашей эры появилась Морская астролябия, или, как ее еще называли, «новая». В Европе она была изобретена португальскими мастерами в начале XV века и использовалась в XV–XVIII веках. Это был угломерный инструмент с единственной функцией — измерение высоты Солнца и звёзд над горизонтом. Он представлял собой кольцо с приспособлением для подвешивания, где отвес от точки подвеса фиксировал вертикальную линию — по ней определяли горизонтальную линию и центр. Вокруг центральной оси вращался поворотный визир-алидада с диоптрами (маленькими отверстиями) на концах, на кольце со стороны алидады наносились градусные деления. Наблюдения с ее помощью велись тремя моряками: один держал инструмент за кольцо, второй измерял высоту светила, становясь при этом к Солнцу спиной и поворачивая алидаду так, чтобы верхняя визирная нить бросала тень на нижнюю (это означало, что визир точно направлен на Солнце), а третий моряк снимал отсчет. Ночью с помощью астролябии определяли высоту Полярной звезды. Зная угловое расстояние Солнца от небесного экватора, мореплаватели определяли географическую широту, на которой находилось их судно. После ее усовершенствования в Европе наблюдения стали выполняться одним человеком.
Морские астролябии изготавливались из латуни. Поскольку вес был преимуществом при использовании астролябии на качающейся палубе корабля или при сильном ветре, другие материалы, такие как дерево или слоновая кость, не использовались. Более тяжёлые литые латунные корпуса астролябий начали изготавливать в середине XVI века, и они были значительно лучше. Учитывая, что точность астролябий зависит от радиуса делимого круга, они были сделаны настолько большими, насколько это было возможно. Пика своей популярности в Европе астролябия достигла в эпоху Возрождения в XV—XVI столетиях.
В XV–XVI веках появились новые навигационные инструменты — астрономическое кольцо и градшток. Первое (одна из разновидностей астролябии) вместо алидады имело коническое отверстие, попадавшие в него солнечные лучи отражались в виде зайчика на градусной шкале, помещенной на внутренней стороне кольца — место зайчика соответствовало высоте Солнца. Градшток был наиболее удобным при качке инструментом. Он представлял собой два взаимно перпендикулярных стержня: длинный (80 см, шток) и короткий (брусок). Последний плотно прилегал к длинному под прямым углом и мог свободно скользить вдоль него. На штоке наносились деления, на концах бруска — диоптры, а на конце штока — мушка для глаза. Диоптры были простейшими приспособлениями для установки направления на объект. Представляли собой две пластинки, укрепленные на концах алидады. В одной пластинке, называемой глазным диоптром, имеется малое отверстие или узкая щель. В противоположной пластинке, называемой предметным диоптром, в значительно большем отверстии закреплена мушка или тонкий волосок. Использование диоптра заключается в повороте алидады таким образом, чтобы малое отверстие, волосок и объект находились на одной прямой. Определить высоту звезды можно было, глядя в глазную мушку, передвигая брусок и добиваясь такого положения, чтобы в верхнем диоптре была видна звезда, а в нижнем — горизонт. Для наблюдения за Солнцем навигатор вставал к нему спиной и передвигал брусок, пока тень его верхнего конца не падала на маленький экран, устанавливаемый вместо мушки на конец длинного штока (середина экрана направлялась на линию видимого горизонта). С помощью одного короткого бруска нельзя было измерить все высоты светил, поэтому к градштоку прилагалось несколько брусков, обычно три, для измерения высот: 10–30°, 30–60° и более 60°.
Применяли градшток только в море, точность была не выше 1–2°. Градшток известен с конца XV века, им пользовались ещё такие мореплаватели, как Васко де Гама и Христофор Колумб. Градшток, это астрономический угломерный инструмент, предназначенный для измерения высоты светил над горизонтом. Этот инструмент представляет собой четырёхгранный деревянный шток с перпендикулярно надевающимся на него и свободно двигающимся шток-реем. На штоке длиной порядка 80 см, наносились деления, а на концах бруска диоптры. На конце штока располагалась мушка для глаза. Таким образом, передвигая брусок по штоку и глядя в глазную мушку, можно было найти положение, в котором в верхнем диоптре видна звезда, а в нижнем — линия горизонта и определить высоту звезды.
Одновременно с астролябией в Европе начал использоваться морской квадрант для определения высот небесных светил над горизонтом в условиях судна. Прообраз квадранта был описан Клавдием Птолемеем во 2 веке. Квадрант — астрономический угломерный инструмент, служивший для измерения высоты небесных светил над горизонтом (или зенитного расстояния) и угловых расстояний между светилами. Он представлял собой пластину (лимб) в форме четверти круга с делениями для отсчёта углов от 0 до 90°, устанавливаемую в вертикальной плоскости. К оси, проходящей через центр круга и перпендикулярной к нему, крепилась одним концом линейка с визирами или зрительная труба, поворачивающаяся вдоль лимба. За начало отсчёта принималось направление отвеса, закреплённого в центре круга. Тогда продолжение направления линейки (или трубы) до дуги квадранта показывало зенитное расстояние светила.
В средневековых астрономических обсерваториях использовались большие стенные квадранты, неподвижно прикреплённые к каменным стенам здания. Увеличение размеров квадранта позволяло повысить точность измерений. Так, самыми крупными из стенных квадрантов были квадранты Аль Бируни (с радиусом 7,5 м), Насир ад-Дина Туси в Марагинской обсерватории (с радиусом 6,5 м). Радиус квадранта обсерватории Улугбека составлял 40,2 м. Значительные размеры этих квадрантов вызвали необходимость их уменьшения и совершенствования.
В 10 веке средневековый персидский учёный и мыслитель Аль-Бируни (Абу Райхан Мухаммад ибн Ахмад) первым выдвинул гипотезу о шарообразной форме Земли и гелиоцентрической модели нашей Системы. Он был автором более ста научных трудов по истории, географии, филологии, астрономии, математике, механике, геодезии, минералогии, фармакологии. Радиус квадранта, который в 995 году для наблюдений за Солнцем и планетами, сконструировал и построил учёный, составлял 7,5 метра и на протяжении 400 лет считался самым большим в мире. С его помощью Бируни проводил наблюдения с точностью до 2 минут.
Первыми квадрант на кораблях стали использовать португальцы. Для работы с квадрантом требовалось присутствие двух наблюдателей. Один совмещал визиры с направлением на Солнце или звезду, второй фиксировал положение отвеса. В 1594 году мореплавателем Джоном Дейвисом был изобретён квадрант, который позволял определять географическую широту через измерение высоты Солнца над горизонтом. В течении длительного времени астролябии и квадранты использовались одновременно. Но постепенно квадранты вытеснили из употребления морские астролябии.
В 1634 году французский физик, математик, астролог и астроном Жан-Батист Морен де Вильфранш одним из первых указал на возможность применение зрительных труб к измерениям, предложив присоединить к квадранту зрительную трубу. В 1667 году французский астроном Жан Пикар присоединил к квадранту подзорную трубу, а в 1669 году впервые выполнил градусное измерение инструментами со зрительными трубами и с использованием логарифмов при обработке измерений.
В конце 17 века появился более точный прибор – октант, который сменил квадрант Дейвиса. Принцип действия октанта (отражательного квадранта) был предложен английским математиком, механиком и астрономом Исааком Ньютоном ориентировочно в 1699 году. Подробное описание прибора он передал английскому астроному и геофизику Эдмонду Галлею, но оно было опубликовано им только после его смерти в 1742 году. Это помешало И. Ньютону получить признание за изобретение. Октант представлял собой отражающий прибор, используемый в навигации. Он был изобретён в 1730 — 1731 гг. на основании принципа измерения высоты Солнца или других небесных объектов над горизонтом в море. Его изобретателями были англичанин Джон Хэдли в Лондоне и американец Томас Годфри в США. Томас Годфри завершил разработку своего октанта в 1730 году, и точность прибора была проверена капитаном и первым помощником судна «Трумэн» во время плавания в Вест-Индию и на Ньюфаундленд. Октант, изобретённый Джоном Хэдли, был впервые представлен в 1731 году в Лондонском королевском обществе. Он был изготовлен из латуни и сначала назывался квадрантом Хэдли. Октанты Томаса Годфри и Джона Хэдли были разработаны ими независимо друг от друга.
Принцип действия октанта основан на использовании зеркал, позволяющих одновременно видеть в одном поле зрения оба объекта (например, Солнце и линию горизонта), между которыми измеряется угол. Входящие в конструкцию зеркала позволяют при шкале в 45° измерять углы до 90°. Октант широко применялся до конца 19 века наряду с секстантом, но был постепенно вытеснен последним.
Октант Джона Хэдли имел корпус из эбенового дерева со шкалой из слоновой кости, нониусом и табличкой с подписью. Указательный рычаг и опоры зеркала были сделаны из латуни. Вместо визирного телескопа в октанте использовалась визирная пластинка. Нониус — это вспомогательная шкала, устанавливаемая на различных измерительных приборах и инструментах, служащая для более точного определения количества долей делений основной шкалы
Вклад в мореплавание Джона Хэдли и Томаса Годфри был значительным, несмотря на то, что один был математиком, а второй изобретателем. Октант, созданный ими, не претерпел практически никаких изменений до нашего времени. Форма, принцип работы остались неизменными. Так как октант мог измерять углы до ограничения в 90°, в конце XVIII века его вытеснили секстаны.
В XVIII веке появляется один из самых известных навигационных приборов — секстан, наследник градштока. В секстане центральный диоптр заменен зеркалом, которое позволяет визировать сразу два предмета, расположенных по разным направлениям. Например, горизонт и Солнце (звезду). Секстан благодаря большей точности измерений более 200 лет назад вытеснил на судах другие угломерные инструменты и продолжает службу на кораблях и судах в качестве основного ручного прибора при отсутствии или прекращении действия радионавигационных систем.
Секстан – навигационный прибор для измерения углов между объектами. Представляет собой октант со шкалой, увеличенной до 60° (1/6 окружности), что позволяет измерять углы, превышающие 90°. Как правило, секстаном измеряют углы между небесными объектами и горизонтом (что необходимо для определения географических координат точки наблюдения) и горизонтальные углы между объектами на местности. В основе устройства секстана – два зеркала, позволяющие одновременно видеть в одном поле зрения два объекта (например, Солнце и линию горизонта), и круговая шкала для определения угла между зеркалами. В отсутствие видимого горизонта его положение может определяться при помощи уровня или отвеса. Его изобретение приписывается Исааку Ньютону.
Он состоит из двух зеркал: указательного и неподвижного наполовину прозрачного зеркала горизонта, а также измерительной линейки и указательной трубы. Для измерений секстант настраивают таким образом, чтобы его зрительная труба была направлена на линию горизонта. Свет от небесного объекта (звезды или солнца) отражается от указательного зеркала и падает на неподвижное зеркало горизонта. Угол наклона указательного зеркала, отсчитываемый по указательной линейки и есть и есть высота стояния небесного тела. Зная точное местное время по специальному астрономическому справочнику можно определить широту и долготу места нахождения наблюдателя. Секстан имел указательную линейку с сектором в 60 градусов, а более компактный октант – только 30 и у него отсутствует зрительная труба, так как вместо нее применяется простой визир. Во всем остальном эти приборы совершенно одинаковы.
В секстанте используется принцип совмещения изображений двух объектов по двойному отражению одного из них. Высоты светил измеряются при помощи парных зеркал и двойного отражения. Этот принцип был изобретён Исааком Ньютоном в 1699 году, но не был опубликован. Кроме этого для определения координат судна можно измерять секстантом горизонтальные углы в плоскости горизонта между направлениями на разные береговые объекты.
После обработки измеренных высот светил с использованием секстана определяются координаты широты и долготы точки наблюдения, причем с довольно высокой точностью.
Октант продолжали производить вплоть до XIX века, хотя он был менее точным и более дешёвым инструментом. Более низкая цена октанта, в том числе версий без телескопа, делала его практичным инструментом для торговых и рыболовных судов. Одной из распространенных практик среди мореплавателей вплоть до конца девятнадцатого века было использование как секстанта, так и октанта. Секстант использовался с большой осторожностью, в то время как октант использовался для ежедневных измерений высоты Солнца в меридиональном направлении. Это защитило очень точный и более дорогой секстант при использовании более доступного октанта там, где он работает хорошо.
В России об изобретении секстана сначала узнали в академических кругах. В 1751 году Х.Г. Краценштейн упомянул об инструменте, рассуждая о способе измерения скорости морского течения и рассказывая о собственном методе определения долготы. Там же он дал оценку новшеству: «Гадлей весьма остроумно выдумал такой инструмент, которым брать можно высоты и на корабле, колеблемом великим волнением, так же способно и справедливо, как и на твёрдой земле. В мореплавании упражняющимся довольно известно, что чрез сие здравие и жизнь человеческая соблюдается».
М.В. Ломоносов пытался наладить изготовление секстантов в Инструментальных палатах академии наук и усовершенствовать конструкцию. Основной недостаток он видел в трудности определения высоты места вследствие качки корабля, разного преломления лучей (рефракции) и невозможности пользоваться им при плохой видимости горизонта. В качестве решения он предлагал секстант с искусственным горизонтом. В другом варианте — установку перед зеркалами цветных стёкол-светофильтров — чёрного для наблюдения солнца и зелёного для наблюдения за горизонтом. Чтобы наблюдатель не допускал погрешностей вследствие качки корабля, учёный предлагал оборудовать корабельную обсерваторию, которая позволяла бы сохранять постоянное положение при наблюдениях.
О том, что секстант к середине XVIII века ещё не вполне прочно вошёл в практику европейской навигации, свидетельствует тот факт, что для этого прибора не оказалось места в иллюстративных материалах к статье «Навигация» «Энциклопедии, или Толкового словаря наук, искусств и ремёсел» Д. Дидро и Ж. д’Аламбера. Хотя понятие «секстан» присутствует в соответствующем разделе, даётся объяснение, что это лишь астрономический инструмент. Аналогичное отношение к морскому техническому новаторству отразилось и в русских печатных изданиях. К примеру, в 1790 году в центре гравированного «Математического инструментального календаря» художник поместил изображение человека с глобусом и квадрантом Дэвиса, отдав ему предпочтение перед более поздним изобретением.
11 апреля 1757 года «Гадлеев квадрант» был официально представлен членам Адмиралтейств-коллегии в Петербурге. Вместе с руководством по использованию его отправил в Северную столицу русский посол в Великобритании князь А.М. Голицын. По доставке «новоизобретённый инструмент» был передан директору Морского шляхетного кадетского корпуса капитану А.И. Нагаеву и корпусному профессору математики (приглашённому из Лондона) Ньюбери (Невберию) для испытания. Руководство по использованию прибора было поручено перевести на русский язык учителю Морского шляхетного кадетского корпуса Кривову. Именно он доложил Адмиралтейств-коллегии об изложенных в книге Дж. Хадли принципах устройства и работы инструмента, его преимуществах перед другими зарубежными аналогами.
По результатам экспертизы прибор был признан слишком сложным, хрупким и дорогим. Согласно протоколам заседаний Адмиралтейств-коллегии от 11—15 апреля 1757 года «…оной квадрант сделан с тремя прикреплёнными к нему стёклами и многими медными бляхами и шурупами, из которых каждой штучке, так привёрнутой, должно быть квадранту всегда, как которую тот мастер, которой его делал, привернул, немедленно для получения чрез то аккуратных солнца высот, когда ж которая из них штучка ослабнет или стекло из своего места тронется, тогда вся аккуратность квадранта пропадёт, которую хотя той книжки автор Гадлей учит без мастера, знающего тот квадрант, делать и исправлять, будет не токмо трудно, но и безнадёжно, он же и ценою прежде употребляемого квадранта превосходит многим». Ввиду таких выводов было решено не выписывать больше из Англии секстантов, уже присланный оставить при Адмиралтейств-коллегии, заплатив мастеру требуемую сумму.
В свою очередь, профессор Ньюбери в рапорте от 10 октября 1756 года довёл до сведения коллегии своё мнение: «Когда спрашивал многих англичан мореходцев о преимуществах сего нового Гадлеева квадранта, то получил от них подтверждение, что он к усмотрению высот светил над горизонтом находится полнее прежде употребляемых». Однако, по заключению профессора, его собственные опыты не позволили производить более точные измерения по сравнению с уже привычными инструментами (вполне возможно, по причине отсутствия личной навигационной практики.
В 1760 году в протоколах заседаний российского военно-морского руководства появилась запись: «Государственная Адмиралтейская коллегия усмотрела ныне недостаток во флоте штурманских инструментов». Вспомнили о проведённых испытаниях английской новинки. Повторно оговорив, что секстантов больше покупать не следует, 3 марта 1760 года А.М. Голицыну было направлено предписание: «Чтоб благоволили возыметь старание о покупке так дёшево, как получить можно исправного мастерства и доброй инвенции следующих званий, а именно: квадрантов ординарных, гантерс-скал, секторов, медных транспортиров, ноктурналов и циркулей треножных, каждого звания».
А.М. Голицын в ответном письме от 2 мая 1760 года сообщал Адмиралтейств-коллегии, что привычные квадранты Дэвиса уже вышли из употребления, поэтому он скорректировал заказ по своему усмотрению: «…в рассуждении сказанного мне касательно употребления показанных тех квадрантов, которые я для образца в Государственную Адмиралтейскую коллегию назад тому уже два года имел честь послать и которые действительно гадлеевого мастерства, единственно употребляются как в англинском, так французском, гишпанском и прочих флотах, для которых здешния мастера все инструменты доставляют; ибо с чисто поделённым квадрантом на море можно делать обсервации с болшею точностию, а для лутчего в том успеха я рассудил за полезно послать из сих последних по крайней мере некоторую часть, прочие же ординарные квадранты дависового мастерства и ныне здесь не в употреблении, столь наипаче, что вместо 4 гиней за каждой пред сим вышеобъявленной посланной на образец квадрант, стоящей в рассуждении украшения слоновою костью и чёрным деревом оныя, то есть ныне отправленные для простого употребления не покупаются как только 36 шиллингов и как в отправлении оных инструментов находится всего 50 квадрантов, а именно половина дависового, а другая гадлеева мастерства».
В России в 1857 году с образованием Морской астрономической обсерватории в Кронштадте начали проводиться исследования, проверка и выдача на суда мореходных астрономических и метеорологических инструментов, определение времени и ежедневного показа момента полдня, анализ и оценка астрономических наблюдений, выполненных моряками за время плаваний. В результате выполненных исследований было принято решение о необходимости наличия секстанов на всех кораблях и судах. С созданием в 1857 году Мастерской мореходных инструментов А. Самойлова при Адмиралтейских Ижорских заводах в Санкт-Петербурге началось изготовление секстанов, в том числе навигационных двойных. В 1913 году их производство стало массовым. В 1917 году оно было временно прекращено из-за революционных событий. В 1924 году их производств было возобновлено в СССР.