Приплыли! История навигационного оборудования

9 августа 12:00

2064

12 минут на чтение

Истории о дерзких морских путешествиях с давних пор поражали воображение людей. Мало кто из авторов приключенческих романов обошёл стороной романтику волн и скрипящей мачты — вспомним хотя бы «Морского волка» Джека Лондона. Но то, что нам кажется приключениями, для штурмана тяжёлая работа, ведь одна ошибка в расчётах координат и курса может стоить всей команде жизни.

Небесные маяки

Лист из Codex Climaci Rescriptus, рукописи, в которой содержится часть каталога Гиппарха. Сам каталог, увы, утерян

Denysmonroe81 [СС BY-CA 3.0]

В древности мореплаватель, удалившийся от берега, мог ориентироваться только по Солнцу и звёздам. Но Солнце почти нигде и почти никогда не восходит строго на востоке, так что этот способ не годился для дальних плаваний, пока не были составлены подробные таблицы для всех широт и дней года. Гораздо надёжнее Полярная звезда: она лежит практически на линии оси вращения Земли и потому всегда показывает направление на север. В южном полушарии мореплаватели ориентировались по созвездию Южный Крест. К началу новой эры появился каталог с положениями 850 звёзд, составленный древнегреческим ученым Гиппархом, который известен также тем, что ввёл понятия долготы и широты и рассчитал первые таблицы движения Солнца и Луны. Однако трудно полагаться на небесные светила, когда небо может неделями быть затянуто облаками.

Покорить океаны позволили европейцам не столько манёвренные каравеллы, сколько компас, остающийся в истории мореплавания самым значимым изобретением. Компас стал неотъемлемым спутником мореплавателей.

Магнитный железняк был известен ещё древним грекам, задолго до начала нашей эры. Его находили вблизи города Магнезия, от которого магнит и получил название. Однако сделать магнитную стрелку первыми догадались китайцы. От них же пошло деление окружности на градусы. Изначально они делили горизонт на 365 делений по числу дней в году, а позже европейцы округлили число делений до 360.

Emad Victor SHENOUDA

Мореплавание начиналось с путешествий вблизи берега, не требовавших особого арсенала навигационных приборов. А вот знание признаков местности в таких походах очень ценилось. Сохранился документ 4 века н. э., где сообщается о небывалом мастерстве индийского лоцмана Супараги: «Он различал районы океана по цвету воды и характеру дна, по рыбам и птицам, по горам на берегу и другим признакам...» Понятно, что не все были такими наблюдательными, как Супарага, и в помощь мореплавателям уже в древние века сооружались маяки. Некоторые из них были просто-таки громадными. Александрийский маяк на острове Фарос, построенный в 290 г. до н.э., — одно из семи чудес древнего мира. Он, возможно, достигал высоты 160 метров, что примерно соответствует высоте здания Министерства иностранных дел в Москве.

В Европу компас попал, видимо, через арабских торговцев, плававших в Китай. В качестве стрелки сначала стали использовать намагниченную швейную иголку: её втыкали в кусочек пробки, который опускали в воду. Но вскоре европейцы начали делать сухие компасы, где стрелка свободно вращалась, опираясь на вертикальный стержень. Китайцы же ещё пять столетий, до XVII века, продолжали использовать «отсталые» водяные компасы.

Важнейшее усовершенствование компаса приписывается Джероламо Кардано, фамилия которого хорошо известна каждому автослесарю. Его именем назван не только карданный вал, используемый в заднеприводных автомобилях, но и карданов подвес — система колец, которая обеспечивает горизонтальное положение предмета, закреплённого в центре, даже в сильнейшую качку. Применение оно нашло в мореплавании — для стабилизации компаса, а с XVIII века — и пружинного хронометра.

А всё-таки она отклоняется

Дорожный компас и солнечные часы XVIII века

[CC BY-CA 1.0]

Христофор Колумб во время своего знаменитого плавания 1492 года открыл явления магнитного склонения. Он обнаружил, что стрелка компаса иногда указывает не на Полярную звезду, а отклоняется на несколько градусов к западу или к востоку. Наблюдения последующих столетий показали, что склонение меняется и от места к месту, и в одной и той же точке с течением времени. Особенно сильно это проявляется в полярных широтах, ведь магнитные полюса не совпадают с географическими и находятся в постоянном движении. Так, за 100 лет магнитное склонение в районе Лондона изменилось на 35 градусов: с 11 восточного до 24 западного. Ученые до сих пор не могут с полной уверенностью объяснить, почему магнитное поле земли неравномерно и изменчиво. Большинство из них склоняется к гипотезе о том, что это связано с течениями магмы в недрах Земли.

Со временем появились карты, по которым можно было довольно точно определить склонение в той или иной точке, но никакие карты не могли решить другую проблему: уже Джон Кабот, современник Колумба, заметил, что стрелка компаса «врёт», если вблизи есть железные предметы. В XIX веке, когда появились линейные корабли с корпусами из стали, это свойство из проблемы превратилось в бедствие. На таких кораблях стрелка отклонялась от направления север-юг то так, то эдак. Обычный компас в подобных условиях был бесполезной побрякушкой. Способ борьбы с явлением, названным девиацией, нашли довольно быстро: чтобы погасить девиацию, нужно поместить вокруг компаса так называемые «компенсационные магниты», представляющие собой массивные куски железа, например, чугунные чушки или ящики с гвоздями. Принцип борьбы с девиацией магнитного компаса не изменился до наших дней, зато появился принципиально иной тип компаса, который сделал ненужными борьбу с девиацией и постоянные поправки на склонение.

Новое устройство получило название гирокомпаса, и основано оно на свойстве гироскопа — массивного вращающегося тела — сохранять направление своей оси, несмотря на внешние воздействия. Чтобы представить в общих чертах, что такое гироскоп, вспомните юлу, с которой вы играли в детстве. Гирокомпас — устройство более сложное, чем просто гироскоп. Его работа завязана на вращение Земли, и он всегда указывает на географический полюс планеты. Корабельные гирокомпасы XX века — массивные устройства: один только ротор в них может весить 25 кг. Атомные крейсеры и подводные лодки второй половины века стали снабжаться ещё более сложным оборудованием — так называемыми инерциальными системами, которые вычисляют направление и скорость судна, исходя из постоянно меняющихся ускорений, и отличаются высокой точностью.

Узелок завяжется...

В отличие от компьютерных лагов, бороться с таким лагом не нужно

Lokilech [CC BY-CA 3.0]

Древние римляне были ушлыми ребятами, когда дело касалось всякого рода изобретений. К примеру, они опускали за борт колесо, соединённое с механизмом, который при каждом полном обороте отстреливал камушек в счётную кружку, а время замеряли по водным часам (кстати, именно от использования водных часов пошло выражение «время истекло»). Какой скорости (в римских милях) соответствует то или иное число камушков, определяли, что называется, эмпирически, то есть из опыта — по наблюдениям с берега.

Пала Римская империя, а тёмная Европа не смогла сохранить знание. И главным инструментом штурмана на несколько столетий стал его острый глаз. Наконец, в XVII веке появилось устройство, названное ручным лагом. Он состоял из свободно вращающейся катушки, намотанного на неё троса (лаглиня) с узлами на равных расстояниях и деревянной дощечкой на конце, которая получила название сектор, поскольку представляла собой как бы четвертинку круга. Благодаря такой форме дощечка с грузилом, погружаясь, принимала вертикальное положение. Получался отличный поплавок, который, упав в воду, оставался стоять на месте, в то время как корабль двигался. Чем быстрее двигался корабль, тем больше верёвки успевало смотаться с катушки за полминуты. Узлы на верёвке были навязаны через каждые 50 футов, что равнялось 1/120 мили, времени всегда засекалось 30 секунд, то есть 1/120 часа. Посчитав, сколько узлов сошло с катушки, нетрудно определить скорость. Отсюда и пошла используемая доныне мера скорости «узел», равная одной морской миле в час.

Пост гидроакустика на подводной лодке

Mike1979 Russia [CC BY-CA 3.0]

Все лаги со времён Рима и до середины XX века имели один существенный недостаток: они мерили скорость судна относительно воды и не учитывали сноса судна от ветра или течения. Ситуацию изменило создание гидроакустического лага, или гидролокатора, в 1970-е годы. Устройство определяет скорость судна относительно морского дна, излучая импульсы определённой частоты и принимая отражённый сигнал. По сдвигу частоты на основе эффекта Допплера автоматически вычисляется скорость судна. К сожалению, и этот способ далёк от совершенства: на глубинах более 300 метров работа гидролокатора становится неустойчивой, поскольку сигналы отражаются не только ото дна, но и от границы между слоями воды с разной температурой и плотностью, что создает помехи.

О возможности мерить скорость судна, используя вертушку, писал ещё Леонардо да Винчи, но первые такие устройства стали появляться только в начале XVIII века. По-настоящему широкое распространение получил только гакабортный лаг, изобретённый англичанином Томасом Уокером в 1878 году. Этот лаг устанавливался на гакаборте судна (верхней части кормы), за борт на всю длину спускался трос с вертушкой на конце, вертушка начинала вращаться от движения, трос передавал вращение на счётчик оборотов, и для снятия показаний не нужно было вытаскивать лаг из воды. Гакабортный лаг показывал число пройденных миль с точностью до 1/6 и пищал через каждый такой промежуток, чтобы по сигналам можно было отмечать время на часах и рассчитывать скорость.

В 1936 году появился гидродинамический лаг — Г-образная труба, опущенная за борт отверстием навстречу потоку воды. Чем быстрее двигалось судно, тем больше было давление воды в трубе, а по давлению автоматически определялись скорость и пройденное расстояние.

Семь футов под килем

Моряки измеряют глубину с помощью лота в XIX веке

Леон Морель-Фатио

Устройство для измерения глубины — лот — самое древнее навигационное средство. О нем упоминает ещё Геродот. Немудрёный механизм, состоявший из груза, привязанного к верёвке, — лотлиню — позволял определять глубину под днищем, чтобы обходить мели, а по грунту, прилипшему к грузу, судить о положении судна (например, илистый грунт — свидетельство близости реки).

Вплоть до Нового времени при плавании в неглубоких морях ручной лот служил часто единственным навигационным средством. На карте венецианского монаха Фра Мауро 1458 года есть запись о Северном и Балтийском морях: «На этих морях плавают без карты и компаса, а при помощи лота».

Несколько футов чистой воды под килем считались вполне достаточной гарантией безопасности. Пожелание «семи футов под килем» (чуть больше двух метров), зародившееся, видимо, в начале XVI века, во времена Магеллана, стало добрым напутствием каждому моряку.

Наглядная иллюстрация работы эхолота

Обычные лоты становились бесполезны на скоростях больше пяти узлов, поскольку матросу-лотовому не удавалось засечь момент, когда лотлинь принимал вертикальное положение. И, разумеется, обычные лоты не годились для измерения океанических глубин, и дело не только в том, что верёвки не напасешься, но и в повышенном давлении в толще воды и подводных течениях — не удается заметить момент, когда гиря касается дна.

Попытки решить вторую проблему стали более или менее успешными в XIX веке, когда появились лот с потерянным грузом (при касании дна основной груз отцеплялся, что мог почувствовать лотовой) и спусковой станок с автоматическим стопором, который реагировал на такое изменение в натяжении лотлиня, какое не смог бы ощутить человек.

Но кардинально проблема была решена только в 1920-е, когда стали применять лоты, работающие по принципу эхолокации. Эхолоты посылают ультразвуковые волны вертикально вниз и отсчитывают время до получения отражённого сигнала. Скорость распространения акустических волн в определённой среде известна, так что автоматически рассчитать глубину несложно.

Что говорят звёзды

Персидская астролябия XVIII века

Andrew Dunn [CC BY-CA 2.0]

Стрелка компаса отклоняется то туда, то сюда, а лаг ничего не говорит о движении самой воды. В результате через несколько дней плавания корабль будет уже совсем не там, куда должен прибыть по расчётам, а это может стоить команде жизни.

Уточнять координаты, когда виден берег с известными ориентирами, несложно, и этот способ применяли с древних времён: с помощью угломерного устройства берётся пеленг на два-три объекта. Пеленг — это то же, что азимут, то есть угол между направлением на север и на объект. По двум пеленгам вычисляется угол между объектами. Зная расстояние между объектами на берегу, можно вычислить, где находится корабль.

Тяжелее приходится в открытом море. Здесь приходится мерить углы между горизонтом и Солнцем или между звёздами.

Сферическая астролябия

[CC BY-CA 2.0]

Первым навигационным инструментом для этих целей, который нашёл широкое применение в мореходстве, стала астролябия. Она была известна ещё в античности, европейцы же узнали о ней в позднее средневековье от арабов, которые оказались бережными хранителями античных познаний. Навигационная астролябия отличалась о той, которую использовали звездочёты, более простым устройством: к ней не прилагалось дисков со звёздными картами. Она представляла собой диск с кольцом для подвешивания, с градусными делениями по окружности и с осью в центре, на которую была надета алидада — что-то вроде прицела: рейка, на концах которой торчат планки с прорезями. Если приложить глаз к одному концу алидады, а другой повернуть так, чтобы в прорезях стало видно какое-нибудь светило, то остается замерить угол между алидадой и горизонтальной поверхностью, чтобы узнать, как высоко светило висит над горизонтом. Именно для измерения угла и предназначен диск астролябии: когда один человек наводил «прицел» на светило, другой засекал угол по меткам на диске. Астролябию подвешивали, чтобы она под действием силы тяжести не меняла своего наклона даже во время качки. Точность измерений была тем больше, чем больше была окружность и, соответственно, градусные деления. Поэтому диски астролябий тяжёлые и большие.

У астролябии было два недостатка. Во-первых, её точность была недостаточна: ошибка при определении широты могла составлять несколько градусов, а один градус широты — это более 100 километров. Во-вторых, наблюдателю приходилось смотреть непосредственно на небесные светила, что в случае с Солнцем весьма болезненно.

Памятник Флавио Джойе в Амальфи

[CC BY-CA 2.5]

Итальянец Флавио Джойя сделал отсчёт показаний компаса намного удобнее, создав компасную картушку (деления, нанесённые на диске компаса). С тех пор направление стали отсчитывать румбами. Итальянцы ввели деление окружности на 32 румба. Слово пошло от греческого rhombos, означавшего три различных понятия: юла, круговое движение и геометрическую фигуру ромб. В то время Голландия была передовой морской державой, она раньше других поставила на широкую ногу использование румбовой системы, и долгое время румбы назывались голландскими словами Ost (восток), Sud (юг), West (запад) и Nord (север). Так, румб NNO читался как норд-норд-ост и означал северо-северо-восток. В конце 20-го века буква O в обозначениях румбов была заменена на E (английское east).

Обе проблемы решило изобретение секстанта. Прибор был назван так потому, что его шкала составляла 60 градусов — шестую часть окружности. Секстант позволяет наблюдать не само светило, а его отражение. Он снабжён комплектом затемнённых стёклышек, которые можно выставить перед зеркальцем, чтобы уменьшить яркость. Это само по себе увеличивает точность, ведь наблюдатель может смотреть на затемнённое отражение сколько угодно, а потому выставить прицел ровно по самому краю Солнца несложно. Точности добавляет специальный винт, вращением которого можно сдвигать шкалу прибора на мизерные расстояния, чего не сделаешь голыми руками. В результате точность измерений составляет 10 секунд, то есть 1/360 часть градуса. Но главное новшество, благодаря которому секстант востребован до сих пор, это принцип совмещения отражений. Искомый угол на шкале достигается, когда наблюдатель видит в окуляр, как линия горизонта перед ним оказывается на одном уровне с краешком солнца, отражённого через два зеркальца. Одно из зеркал неподвижно и находится прямо перед объективом наблюдательной трубы, а второе меняет свой угол, когда наблюдатель двигает градусную шкалу. В какой-то момент угол становится таким, что отражение светила с подвижного зеркальца попадает на неподвижное, и тогда «цель захвачена».

Первый инструмент для измерения угловой высоты Солнца появился ещё в древнем Египте. Называется он гномон и представляет собой колышек известной длины, строго вертикально воткнутый в землю. В разное время дня отмечалась длина тени, которую отбрасывал колышек, бралась самая короткая, и по двум сторонам треугольника — длине колышка и длине тени — по тригонометрическим формулам вычислялись углы треугольника, один из которых равнялся высоте Солнца над горизонтом. А высоты Солнца в полдень в известную дату достаточно, чтобы рассчитать широту. На море метод, к сожалению, неприменим из-за качки…

С точностью до секунды

Надо сказать, что у изобретателей в XVII—XIX веках был огромный стимул придумывать точные навигационные приборы. Морские державы страдали от неточности измерений. Например, испанским галеонам, гружёным золотом, не всегда удавалось встретиться с вооружённым конвоем, посланным навстречу, и их часто грабили пираты. Поэтому правители Голландии, Испании, Франции, Англии учреждали баснословные премии за изобретение точных приборов. Так, в 1714 году английская королева Анна установила премию в 20 тысяч фунтов (несколько миллионов евро по современным меркам) тому, кто найдёт способ определять долготу с точностью до полградуса. Единственным, кто получил её в полном объёме, правда, не всю сразу, стал простой часовой мастер Джон Гаррисон.

Второй вариант морских часов Гаррисона

Jonathan Cardy [CC BY-CA 3.0]

Он собрал пружинный хронометр, который, в отличие от маятниковых часов, сбивавшихся при качке, «уходил» за несколько месяцев всего на пару минут. С хронометром можно было даже в многолетнем кругосветном путешествии всегда знать время по Гринвичу (нулевому меридиану, установленному по городу Гринвич вблизи Лондона). Теперь, чтобы вычислить долготу, нужно было по секстанту определить, когда солнце в наивысшей точке, а по хронометру засечь этот момент. А дальше — примитивная арифметика. Ведь Земля делает полный оборот вокруг оси за 24 часа, а значит, 15 градусов за один час. И если, например, в Гринвиче только два часа ночи, а у нас в открытом океане, по солнцу, уже полдень, значит, у нас он на десять часов раньше, чем в Гринвиче, то есть мы на 150 градусах восточной долготы — где-то в Тихом океане, болтаемся между Камчаткой и Соломоновыми островами.

Глобальность во всём

К концу второго тысячелетия мир изменился до неузнаваемости, в том числе для навигаторов. В первую очередь благодарить за это надо военных. Точное наведение ядерных баллистических ракет — дело серьёзное, поэтому сверхдержавы в разгар холодной войны решили создать систему, которая давала бы точные координаты любого приёмника на поверхности планеты независимо от времени дня и даже в случае уничтожения наземных радиомаяков. Для достижения этой цели необходимо было иметь около двух десятков спутников на орбите с приёмником-передатчиком и сверхточными атомными часами, мощные компьютерные центры на Земле для выполнения огромных вычислений в реальном времени и, собственно, приёмник у вас на ладони, которому нужен контакт хотя бы с четырьмя спутниками одновременно. Всё это вместе получило название Система глобального позиционирования (GPS), а американская система NAVSTAR оказалась в девяностые годы единственной действующей, поскольку советская система ГЛОНАСС, почти завершённая, быстро пришла в негодность после распада СССР. В 2000-х восстановление ГЛОНАСС стало приоритетной задачей государства, и сейчас он работает.

Однако большинство автомобилистов, моряков и лётчиков всё же использует GPS. GPS позволяет моряку определять свои координаты и скорость с высокой точностью, а также видеть пройденный маршрут и прокладывать курс прямо на экране приёмника.

Спутник GPS в музее авиации и космонавтики Сан-Диего

Scott Ehardt