Морской хронометр — это точный хронометр , который перевозится на судне и используется для определения положения судна с помощью астронавигации . Он используется для определения долготы путем сравнения среднего времени по Гринвичу (GMT) и времени в текущем местоположении, найденного из наблюдений за небесными телами. Когда он был впервые разработан в 18 веке, он был крупным техническим достижением, поскольку точное знание времени в течение длительного морского путешествия было жизненно важно для эффективной навигации , при отсутствии электронных или коммуникационных средств. Первый настоящий хронометр был делом жизни одного человека, Джона Харрисона , охватывающим 31 год постоянных экспериментов и испытаний, которые произвели революцию в морской (а затем и воздушной) навигации.
Термин «хронометр» был образован от греческих слов χρόνος ( chronos ) (что означает время) и meter (что означает мера). Книга «Physico-Theology» 1713 года английского священнослужителя и ученого Уильяма Дерхэма включает одно из самых ранних теоретических описаний морского хронометра. [1] В последнее время он стал чаще использоваться для описания часов, проверенных и сертифицированных на соответствие определенным стандартам точности.
Чтобы определить положение на поверхности Земли, необходимо и достаточно знать широту , долготу и высоту . Соображения высоты, естественно, можно игнорировать для судов, работающих на уровне моря . До середины 1750-х годов точная навигация в море вне видимости суши была нерешенной проблемой из-за сложности вычисления долготы. Навигаторы могли определять свою широту, измеряя угол солнца в полдень (т. е. когда оно достигало своей самой высокой точки на небе, или кульминации ) или, в Северном полушарии, измеряя угол Полярной звезды (Северной звезды) от горизонта (обычно во время сумерек ). Однако, чтобы найти свою долготу , им нужен был стандарт времени, который работал бы на борту корабля. Наблюдение за регулярными небесными движениями, например, метод Галилея , основанный на наблюдении за естественными спутниками Юпитера , обычно было невозможно в море из-за движения корабля. Метод лунных расстояний , первоначально предложенный Иоганнесом Вернером в 1514 году, развивался параллельно с морским хронометром. Голландский ученый Джемма Фризиус был первым, кто предложил использовать хронометр для определения долготы в 1530 году.
Цель хронометра — точно измерять время в известном фиксированном месте. Это особенно важно для навигации. Поскольку Земля вращается с постоянной предсказуемой скоростью, разницу во времени между хронометром и местным временем корабля можно использовать для расчета долготы корабля относительно нулевого меридиана (определяемого как 0°) (или другой начальной точки), если она известна достаточно точно, используя сферическую тригонометрию . Практическая небесная навигация обычно требует морского хронометра для измерения времени, секстанта для измерения углов, альманаха [2], дающего графики координат небесных объектов, набора таблиц приведения визирования для помощи в выполнении вычислений высоты и азимута , и карты региона. С таблицами приведения визирования единственными требуемыми вычислениями являются сложение и вычитание. Большинство людей могут освоить более простые процедуры небесной навигации после дня или двух обучения и практики, даже используя ручные методы расчета. Использование морского хронометра для определения долготы по хронометру позволяет навигаторам получать достаточно точное определение местоположения. [3] За каждые четыре секунды, в течение которых источник времени ошибается, положение восток-запад может быть смещено на величину чуть более одной морской мили, поскольку угловая скорость Земли зависит от широты. [4]
Создание часов, которые бы надежно работали в море, было трудным. До 20 века лучшими хранителями времени были маятниковые часы , но и качка корабля в море, и изменения силы тяжести Земли до 0,2% сделали простой маятник, работающий на основе гравитации, бесполезным как в теории, так и на практике.
Христиан Гюйгенс , после изобретения маятниковых часов в 1656 году, предпринял первую попытку создания морского хронометра в 1673 году во Франции при спонсорской поддержке Жана-Батиста Кольбера . [5] [6] В 1675 году Гюйгенс, получавший пенсию от Людовика XIV , изобрел хронометр, в котором вместо маятника использовались балансир и спиральная пружина для регулировки, что открыло путь к созданию морских хронометров и современных карманных и наручных часов. Он получил патент на свое изобретение от Кольбера, но его часы оставались неточными в море. [7] Попытка Гюйгенса в 1675 году получить английский патент от Карла II побудила Роберта Гука , который утверждал, что задумал пружинные часы несколькими годами ранее, попытаться изготовить их и запатентовать. В течение 1675 года Гюйгенс и Гук каждый из них доставили по два таких устройства Чарльзу, но ни одно из них не работало должным образом, и ни Гюйгенс, ни Гук не получили английский патент. Именно во время этой работы Гук сформулировал закон Гука . [8]
Первое опубликованное использование термина хронометр было в 1684 году в Arcanum Navarchicum , теоретической работе профессора Киля Маттиаса Васмута. За этим последовало дальнейшее теоретическое описание хронометра в работах, опубликованных английским ученым Уильямом Дерхэмом в 1713 году. Основная работа Дерхэма, Physico-theology, или демонстрация бытия и атрибутов Бога из его творений , также предлагала использование вакуумной герметизации для обеспечения большей точности работы часов. [9] Попытки построить работающий морской хронометр были начаты Джереми Такером в Англии в 1714 году и Генри Салли во Франции два года спустя. Салли опубликовал свою работу в 1726 году с Une Horloge inventée et executée par M. Sulli , но ни его, ни Такеровы модели не смогли противостоять морской качке и сохранять точное время в условиях корабля. [10]
В 1714 году британское правительство предложило премию за метод определения долготы в море, размер которой варьировался от 10 000 до 20 000 фунтов стерлингов (от 2 до 4 миллионов фунтов стерлингов в ценах 2024 года) в зависимости от точности. Джон Харрисон , плотник из Йоркшира, представил проект в 1730 году и в 1735 году завершил часы на основе пары встречно-колеблющихся утяжеленных балок, соединенных пружинами, движение которых не зависело от гравитации или движения корабля. Его первые два морских хронометра H1 и H2 (завершенные в 1741 году) использовали эту систему, но он понял, что они имеют фундаментальную чувствительность к центробежной силе , что означало, что они никогда не смогут быть достаточно точными в море. Строительство его третьей машины, обозначенной H3, в 1759 году включало новые круговые балансы и изобретение биметаллической полосы и роликовых подшипников с сепаратором , изобретения, которые до сих пор широко используются. Однако круговые весы H3 все еще оказались слишком неточными, и в конечном итоге он отказался от больших машин. [12]
Харрисон решил проблемы точности с помощью своего гораздо меньшего хронометра H4 в 1761 году. H4 выглядел как большие карманные часы диаметром пять дюймов (12 см). В 1761 году Харрисон представил H4 на премию за долготу в размере 20 000 фунтов стерлингов. Его конструкция использовала быстрое балансовое колесо, управляемое спиральной пружиной с температурной компенсацией. Эти функции использовались до тех пор, пока стабильные электронные осцилляторы не позволили производить очень точные портативные часы по доступной цене. В 1767 году Совет по долготе опубликовал описание его работы в «Принципах хронометриста г-на Харрисона» . [13] Французская экспедиция под руководством Шарля-Франсуа-Сезара Летелье де Монмираля выполнила первое измерение долготы с использованием морских хронометров на борту Aurore в 1767 году. [14]
Во Франции в 1748 году Пьер Ле Рой изобрел фиксаторный спусковой механизм, характерный для современных хронометров. [15] В 1766 году он создал революционный хронометр, который включал фиксаторный спусковой механизм , температурно-компенсированный баланс и изохронную пружину баланса : [16] Харрисон показал возможность иметь надежный хронометр в море, но эти разработки Ле Ройа, по мнению Руперта Гульда , стали основой современного хронометра. [16] Инновации Ле Ройа сделали хронометр гораздо более точным, чем ожидалось. [17]
Фердинанд Берту во Франции, а также Томас Мадж в Великобритании также успешно производили морские хронометры. [15] Хотя ни один из них не был простым, они доказали, что конструкция Харрисона не была единственным ответом на проблему. Наибольшие успехи в направлении практичности были достигнуты Томасом Эрншоу и Джоном Арнольдом , которые в 1780 году разработали и запатентовали упрощенные, отсоединенные, «пружинные» спусковые механизмы , [18] [19] перенесли температурную компенсацию на баланс и улучшили конструкцию и производство пружин баланса . Это сочетание инноваций служило основой морских хронометров вплоть до электронной эры.
Первоначально новая технология была настолько дорогой, что не все корабли имели хронометры, как показал роковой последний поход судна East Indiaman Arniston , потерпевшего кораблекрушение, в результате которого погибло 372 человека. [20] Однако к 1825 году Королевский флот начал регулярно снабжать свои суда хронометрами. [21]
Начиная с 1820 года, Британская королевская обсерватория в Гринвиче испытывала морские хронометры в инициированном Адмиралтейством испытании или программе «конкурса хронометров», призванной поощрять совершенствование хронометров. В 1840 году седьмой королевский астроном Джордж Бидделл Эйри начал новую серию испытаний в другом формате . Эти испытания продолжались в том же формате до начала Первой мировой войны в 1914 году, после чего они были приостановлены. Хотя формальные испытания прекратились, испытания хронометров для Королевского флота не прекратились. [22] [23]
Производители морских хронометров обратились к ряду астрономических обсерваторий , расположенных в Западной Европе, для проведения оценки точности своих часов. После того, как механические часовые механизмы достигли достаточной точности, чтобы обеспечить достаточно точную морскую навигацию, эти независимые оценки третьей стороны также превратились в то, что стало известно как «конкурсы хронометров» в астрономических обсерваториях, расположенных в Западной Европе. Обсерватория Невшатель , Женевская обсерватория , Обсерватория Безансон , Обсерватория Кью , Немецкая военно-морская обсерватория Гамбург и Обсерватория Гласхютте являются яркими примерами обсерваторий, которые сертифицировали точность механических часов. Режим тестирования обсерваторий обычно длился от 30 до 50 дней и содержал стандарты точности, которые были гораздо более строгими и сложными, чем современные стандарты, такие как установленные Contrôle Officiel Suisse des Chronomètres (COSC) . После прохождения обсерваторского испытания механизм получал сертификат обсерваторского хронометра и получал Bulletin de Marche от обсерватории, в котором описывались характеристики механизма.
В то время на кораблях было принято наблюдать за шаром времени , например, за тем, что находился в Королевской обсерватории в Гринвиче , чтобы проверить свои хронометры перед отправлением в дальнее плавание. Каждый день корабли ненадолго вставали на якорь на реке Темзе в Гринвиче, ожидая, когда шар в обсерватории упадет ровно в 13:00. [24] Эта практика в небольшой степени способствовала последующему принятию среднего времени по Гринвичу в качестве международного стандарта. [25] (Шары времени стали ненужными около 1920 года с введением радиосигналов времени , которые сами по себе были в значительной степени заменены временем GPS .) Помимо установки времени перед отправлением в плавание, судовые хронометры также регулярно проверялись на точность во время нахождения в море путем проведения лунных [26] или солнечных наблюдений. [27] При обычном использовании хронометр устанавливался в защищенном месте под палубой, чтобы избежать повреждений и воздействия стихий. Моряки использовали хронометр для установки так называемых часов-гаков , которые выносились на палубу для проведения астрономических наблюдений. Хотя часы-гаков были гораздо менее точными (и менее дорогими), чем хронометр, они были пригодны для использования в течение короткого периода времени после их установки (т. е. достаточно долго, чтобы провести наблюдения).
Хотя промышленные методы производства начали революционизировать часовое дело в середине 19-го века, производство хронометров оставалось ремесленным гораздо дольше и доминировало британскими и швейцарскими производителями. На рубеже 20-го века швейцарские производители, такие как Ulysse Nardin, добились больших успехов в деле внедрения современных методов производства и использования полностью взаимозаменяемых деталей, но только с началом Второй мировой войны Hamilton Watch Company в Соединенных Штатах усовершенствовала процесс массового производства , что позволило ей производить тысячи своих хронометров Hamilton Model 21 и Model 22 с 1942 года для подразделений армии и торгового флота Соединенных Штатов , а также других союзных войск во время Второй мировой войны. Hamilton 21 Marine Chronometer имел цепной привод , а его секундная стрелка продвигалась с шагом в 1 ⁄ 2 секунды по 60-секундному вспомогательному циферблату, отмеченному цифрой 60 секунд. В Германии, где морские хронометры импортировались или использовались иностранные ключевые компоненты, Drei-Pfeiler Werk Einheitschronometer (трехколонный унифицированный хронометр) был разработан в сотрудничестве между компаниями Wempe Chronometerwerke и A. Lange & Söhne для повышения эффективности производства. Разработка точного и недорогого Einheitschronometer была инициативой немецкого военно-морского командования и министерства авиации в 1939 году . Серийное производство началось в 1942 году. Все детали были сделаны в Германии и взаимозаменяемы. [28] В ходе Второй мировой войны были применены модификации, которые стали необходимы, когда сырье стало дефицитным, и работа была обязательной, а иногда и добровольно разделенной между различными немецкими производителями для ускорения производства. Производство немецких хронометров унифицированного дизайна с их гармонизированными компонентами продолжалось еще долго после Второй мировой войны в Германии и Советском Союзе, которые конфисковали оригинальные технические чертежи Einheitschronometer и создали производственную линию в Москве в 1949 году, которая выпустила первые советские хронометры MX6, содержащие механизмы немецкого производства. [29] С 1952 года и до 1997 года хронометры MX6 с небольшими изменениями, разработанными НИИ ЧАСПРОМ (НИИ Часпром — Часовой институт советской эпохи), производились из компонентов, полностью произведенных в Советском Союзе. [30] Немецкий EinheitschronometerВ конечном итоге механический морской хронометр был произведен в наибольшем объеме, было произведено около 58 000 единиц. Из них менее 3 000 были произведены во время Второй мировой войны, около 5 000 после войны в Западной и Восточной Германии и около 50 000 в Советском Союзе и позже в постсоветской России. [31] Из Hamilton 21 Marine Chronometer во время и после Второй мировой войны было произведено около 13 000 единиц. Несмотря на Einheitschronometer и успех Hamilton, хронометры, изготовленные по старому способу, никогда не исчезали с рынка в эпоху механических хронометров. Thomas Mercer Chronometers была среди компаний, которые продолжали их производить.
Морские хронометры для кораблей являются самыми точными портативными механическими часами, когда-либо созданными, и в статической среде их превзошли только непереносимые точные маятниковые часы для обсерваторий. Они служили, наряду с секстантом, для определения местоположения кораблей в море. Мореплаватели вложили большие средства в разработку этих точных инструментов, поскольку точное определение местоположения в море давало решающее военно-морское преимущество. Без их точности и точности навигационных подвигов, которые позволили морские хронометры, можно утверждать, что господство Королевского флота , и, как следствие, Британской империи , могло бы не произойти столь подавляющим образом; формирование империи путем войн и завоеваний колоний за границей произошло в период, когда британские суда имели надежную навигацию благодаря хронометру, в то время как их португальские, голландские и французские противники не имели. [32] Например: французы были хорошо обосновались в Индии и других местах до Британии, но были побеждены военно-морскими силами в Семилетней войне .
Оценка и обслуживание морских хронометров считались важными вплоть до 20-го века, так как после Первой мировой войны работа отдела хронометров Британской королевской обсерватории в основном ограничивалась оценкой хронометров и часов, которыми уже владело Адмиралтейство, и проведением приемочных испытаний. [33] [34] В 1937 году отдел времени впервые создал мастерскую для ремонта и регулировки хронометров и часов, выпущенных британскими вооруженными силами. Ранее эти виды технического обслуживания передавались на аутсорсинг коммерческим мастерским. [35]
Начиная примерно с 1960-х годов механические морские хронометры с пружинным фиксатором постепенно заменялись и вытеснялись хронометрами, основанными на электротехнических методах и технологиях. [36] В 1985 году Министерство обороны Великобритании объявило тендер на утилизацию своих механических морских хронометров Hamilton Model 21. ВМС США использовали свои морские хронометры Hamilton Model 21 в качестве резервных копий для гиперболической радионавигационной системы Loran-C до 1988 года, когда глобальная навигационная спутниковая система GPS была признана надежной. В конце 20-го века производство механических морских хронометров сократилось до такой степени, что лишь немногие из них изготавливались по специальному заказу Первым московским часовым заводом «Киров» ( «Полет» ) в России, Wempe в Германии и Mercer в Англии. [37]
Самая полная международная коллекция морских хронометров, включая модели H1–H4 Харрисона, находится в Королевской обсерватории Гринвича в Лондоне , Великобритания.
Ключевой проблемой было найти резонатор, который оставался бы невосприимчивым к изменяющимся условиям, с которыми сталкивается корабль в море. Балансировочное колесо , запряженное пружиной, решило большинство проблем, связанных с движением корабля. К сожалению, эластичность большинства материалов пружин баланса изменяется в зависимости от температуры. Чтобы компенсировать постоянно меняющуюся силу пружины, большинство балансов хронометров использовали биметаллические полоски для перемещения небольших грузов к центру колебаний и от него, тем самым изменяя период баланса в соответствии с изменяющейся силой пружины. Проблема пружины баланса была решена с помощью сплава никеля и стали, названного Элинваром за его неизменную эластичность при нормальных температурах. Изобретателем был Шарль Эдуард Гийом , который получил Нобелевскую премию по физике 1920 года в знак признания его металлургической работы.
Спусковой механизм служит двум целям. Во-первых, он позволяет поезду продвигаться дробно и регистрировать колебания баланса. В то же время он поставляет мельчайшие количества энергии для компенсации крошечных потерь от трения, тем самым поддерживая импульс колеблющегося баланса. Спусковой механизм — это та часть, которая тикает. Поскольку естественный резонанс колеблющегося баланса служит сердцем хронометра, спусковые механизмы хронометра спроектированы так, чтобы как можно меньше вмешиваться в баланс. Существует множество конструкций спуска с постоянной силой и отдельно стоящим спуском, но наиболее распространенными являются пружинный фиксатор и поворотный фиксатор. В обоих случаях небольшой фиксатор блокирует спусковое колесо и позволяет балансу качаться полностью без помех, за исключением короткого момента в центре колебания, когда он наименее восприимчив к внешним воздействиям. В центре колебания ролик на оси баланса на мгновение смещает фиксатор, позволяя пройти одному зубцу спускового колеса. Затем зуб спускового колеса передает свою энергию второму ролику на оси баланса. Поскольку спусковое колесо вращается только в одном направлении, баланс получает импульс только в одном направлении. При возвратном колебании проходящая пружина на кончике фиксатора позволяет разблокировочному ролику на рейке двигаться, не смещая фиксатор. Самым слабым звеном любого механического хронометра является смазка спуска. Когда масло загустевает из-за возраста или температуры или рассеивается из-за влажности или испарения, скорость будет меняться, иногда резко, поскольку движение баланса уменьшается из-за большего трения в спусковом механизме. Спусковой механизм с фиксатором имеет сильное преимущество перед другими спусковыми механизмами, поскольку ему не нужна смазка. Импульс от спускового колеса к импульсному ролику почти мертвый, что означает небольшое скользящее действие, требующее смазки. Спусковые колеса хронометра и проходящие пружины обычно изготавливаются из золота из-за более низкого трения скольжения металла по сравнению с латунью и сталью.
Хронометры часто включали другие инновации для повышения их эффективности и точности. Твердые камни, такие как рубин и сапфир, часто использовались в качестве ювелирных подшипников для уменьшения трения и износа стержней и спуска. Алмаз часто использовался в качестве камня-заглавия для нижнего стержня баланса, чтобы предотвратить износ от многих лет тяжелого баланса, вращающегося на малом конце стержня. До конца производства механических хронометров в третьей четверти 20-го века производители продолжали экспериментировать с такими вещами, как шарикоподшипники и хромированные стержни.
Часы обычно были защищены от стихии и хранились под палубой в фиксированном положении в традиционном ящике, подвешенном на карданном подвесе (набор колец, соединенных подшипниками). Это удерживало хронометр в изолированном горизонтальном положении «циферблатом вверх», чтобы компенсировать наклонные (качательные) движения корабля, вызывающие ошибки синхронизации на балансировочном колесе .
Морские хронометры всегда оснащены устройством поддержания хода , которое поддерживает ход хронометра во время его завода, а также индикатором запаса хода , показывающим, как долго хронометр будет продолжать работать без завода.
Эти технические положения обычно обеспечивают точность измерения времени в механических морских хронометрах в пределах 0,5 секунды в сутки. [38] [39]
В строго часовых терминах «рейтинг» хронометра означает, что до ввода инструмента в эксплуатацию средняя скорость прибавления или отставания в день наблюдается и записывается в сертификате рейтинга, который прилагается к инструменту. Эта ежедневная скорость используется в полевых условиях для корректировки времени, показываемого инструментом, чтобы получить точное показание времени. Даже самый лучший хронометр с самой точной температурной компенсацией и т. д. демонстрирует два типа ошибок: (1) случайные и (2) постоянные. Качество конструкции и изготовления инструмента позволяет поддерживать случайные ошибки небольшими. В принципе, постоянные ошибки должны поддаваться устранению путем регулировки, но на практике невозможно выполнить регулировку настолько точно, чтобы эта ошибка была полностью устранена, поэтому используется метод рейтинга. Скорость также будет меняться во время эксплуатации инструмента из-за, например, загустения масла, поэтому в длительных экспедициях скорость инструмента будет периодически проверяться по точному времени, определенному астрономическими наблюдениями.
С 1990-х годов лодки и корабли могут использовать несколько глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS) для навигации по всем озерам, морям и океанам мира. Морские устройства GNSS включают функции, полезные на воде, такие как функции «человек за бортом» (MOB) , которые позволяют мгновенно отмечать место, где человек упал за борт, что упрощает спасательные работы. GNSS может быть подключена к самоуправляемому рулевому механизму судна и картплоттерам с помощью интерфейса NMEA 0183 , а также может повысить безопасность судоходства за счет включения автоматических идентификационных систем (AIS).
Даже с этими удобными технологическими инструментами 21-го века современные практические штурманы обычно используют астронавигацию, используя электрические источники времени в сочетании со спутниковой навигацией. [40] Небольшие карманные компьютеры, ноутбуки, навигационные калькуляторы и даже научные калькуляторы позволяют современным штурманам «сокращать» секстантные прицелы за считанные минуты, автоматизируя все этапы расчета и/или поиска данных. [41] Использование нескольких независимых методов определения местоположения без опоры исключительно на подверженные сбоям электронные системы помогает штурману обнаруживать ошибки. Профессиональным морякам по-прежнему необходимо владеть традиционным пилотированием и астронавигацией, что требует использования точно настроенного и оцененного автономного или периодически корректируемого по внешнему сигналу времени хронометра. [42] Эти способности по-прежнему являются обязательными для некоторых международных сертификатов моряков , таких как офицер, ответственный за навигационную вахту, и капитан и старший помощник капитана, [43] [44] и дополняет морских яхтсменов на частных круизных яхтах дальнего плавания. [45]
Современные морские хронометры могут быть основаны на кварцевых часах , которые периодически корректируются с помощью спутниковых сигналов времени или радиосигналов времени (см. радиочасы ). Эти кварцевые хронометры не всегда являются самыми точными кварцевыми часами, когда сигнал не принимается, и их сигналы могут быть потеряны или заблокированы. Однако существуют автономные кварцевые механизмы, даже в наручных часах, которые имеют точность в пределах 5 или 20 секунд в год. [46] По крайней мере один кварцевый хронометр, созданный для передовой навигации, использует несколько кварцевых кристаллов, которые корректируются компьютером с использованием среднего значения, в дополнение к поправкам сигнала времени GPS . [47] [48]
Хронометры не поставлялись регулярно в Королевский флот примерно до 1825 года.
