Морской хронометр — это точные часы , которые находятся на корабле и используются для определения положения корабля с помощью астрономической навигации . Он используется для определения долготы путем сравнения среднего времени по Гринвичу (GMT) и времени в текущем местоположении, полученного на основе наблюдений небесных тел. Когда это впервые было разработано в 18 веке, это было крупным техническим достижением, поскольку точное знание времени во время длительного морского путешествия было жизненно важно для эффективной навигации при отсутствии электронных или коммуникационных средств. Первый настоящий хронометр стал делом всей жизни одного человека, Джона Харрисона , охватывающим 31 год упорных экспериментов и испытаний, которые произвели революцию в морской (а позже и в воздушной) навигации.
Термин хронометр произошел от греческих слов χρόνος ( хронос ) (что означает время) и метр (что означает мера). Книга «Физико-теология» английского священнослужителя и учёного Уильяма Дерхэма 1713 года включает одно из самых ранних теоретических описаний морского хронометра. [1] В последнее время его стали чаще использовать для описания часов, протестированных и сертифицированных на соответствие определенным стандартам точности.
Для определения положения на поверхности Земли необходимо и достаточно знать широту , долготу и высоту . Соображения относительно высоты, естественно, можно игнорировать для судов, работающих на уровне моря . До середины 1750-х годов точная навигация на море вне видимости суши была нерешенной проблемой из-за сложности расчета долготы. Навигаторы могли определять свою широту, измеряя угол наклона Солнца в полдень (т. е., когда оно достигало своей высшей точки на небе или кульминации ) или, в Северном полушарии, измеряя угол Полярной звезды (Полярной звезды) от горизонта ( обычно в сумерках ). Однако, чтобы определить долготу , им нужен был стандарт времени, который мог бы работать на борту корабля. Наблюдение регулярных небесных движений, такое как метод Галилея, основанный на наблюдении естественных спутников Юпитера , обычно было невозможно в море из-за движения корабля. Метод лунных расстояний , первоначально предложенный Иоганном Вернером в 1514 году, разрабатывался параллельно с морским хронометром. Голландский ученый Джемма Фризиус была первой, кто предложил использовать хронометр для определения долготы в 1530 году.
Целью хронометра является точное измерение времени в известном фиксированном месте. Это особенно важно для навигации. Поскольку Земля вращается с регулярной предсказуемой скоростью, разницу во времени между хронометром и местным временем корабля можно использовать для расчета долготы корабля относительно главного меридиана (определяемого как 0 °) (или другой отправной точки), если это точно. достаточно известно, используя сферическую тригонометрию . Практическая астронавигация обычно требует наличия морского хронометра для измерения времени, секстанта для измерения углов, альманаха [2] , дающего графики координат небесных объектов, набора таблиц прицеливания для выполнения вычислений высоты и азимута , а также карта региона. При использовании таблиц уменьшения прицела единственные необходимые вычисления — это сложение и вычитание. Большинство людей могут освоить более простые процедуры небесной навигации после одного или двух дней обучения и практики, даже используя ручные методы расчета. Использование морского хронометра для определения долготы с помощью хронометра позволяет мореплавателям получить достаточно точное определение местоположения. [3] Каждые четыре секунды, в течение которых источник времени дает ошибку, положение восток-запад может отклоняться чуть более чем на одну морскую милю, поскольку угловая скорость Земли зависит от широты. [4]
Создать часы, которые бы надежно работали в море, было непросто. До 20-го века лучшими хронометристами были маятниковые часы , но качка корабля в море и изменения гравитации Земли до 0,2% сделали простой маятник, основанный на гравитации, бесполезным как в теории, так и на практике.
Христиан Гюйгенс , после изобретения маятниковых часов в 1656 году, сделал 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 для регулирования вместо маятника использовалось балансовое колесо и спиральная пружина , открыв путь морским хронометрам и современным карманным часам. и наручные часы. Он получил патент на свое изобретение от Кольбера, но его часы в море оставались неточными. [7] Попытка Гюйгенса в 1675 году получить английский патент от Карла II побудила Роберта Гука , который утверждал, что за несколько лет до этого придумал часы с пружинным приводом, попытаться создать их и запатентовать. В 1675 году Гюйгенс и Гук доставили Чарльзу по два таких устройства, но ни одно из них не работало должным образом, и ни Гюйгенс, ни Гук не получили английского патента. Именно в ходе этой работы Гук сформулировал закон Гука . [8]
Первое опубликованное использование этого термина было в 1684 году в Arcanum Navarchicum , теоретической работе кильского профессора Маттиаса Васмута. За этим последовало дальнейшее теоретическое описание хронометра в работах, опубликованных английским учёным Уильямом Дерхэмом в 1713 году. В основной работе Дерхэма « Физико-теология», или демонстрации бытия и атрибутов Бога на основе его творений , также предлагалось использовать вакуумной герметизации для обеспечения большей точности работы часов. [9] Попытки создать 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 в книге Une Horloge inventée et executée par M. Sulli , но ни его модели, ни модели Такера не были способны противостоять качке моря и сохранять точное время в условиях корабля. [10]
В 1714 году британское правительство предложило премию за метод определения долготы на море, размер вознаграждения варьировался от 10 000 до 20 000 фунтов стерлингов (от 2 до 4 миллионов фунтов стерлингов в пересчете на 2024 год) в зависимости от точности. Джон Харрисон , плотник из Йоркшира, представил проект в 1730 году, а в 1735 году завершил часы на основе пары встречно колеблющихся балок с грузом, соединенных пружинами, на движение которых не влияла сила тяжести или движение корабля. Его первые два морских часа H1 и H2 (завершенные в 1741 году) использовали эту систему, но он понял, что они обладают фундаментальной чувствительностью к центробежной силе , а это означает, что они никогда не смогут быть достаточно точными в море. Конструкция его третьей машины, получившей обозначение H3, в 1759 году включала в себя новые круговые балансы и изобретение биметаллических ленточных и роликовых подшипников с сепаратором , изобретения, которые широко используются до сих пор. Однако круговые балансы H3 по-прежнему оказались слишком неточными, и в конце концов он отказался от больших машин. [12]
Харрисон решил проблемы точности с помощью своего гораздо меньшего по размеру хронометра H4 в 1761 году. H4 очень напоминал большие карманные часы диаметром пять дюймов (12 см). В 1761 году Харрисон представил H4 на приз в размере 20 000 фунтов стерлингов. В его конструкции использовалось быстроходное балансовое колесо, управляемое спиральной пружиной с температурной компенсацией. Эти функции использовались до тех пор, пока стабильные электронные генераторы не позволили производить очень точные портативные часы по доступной цене. В 1767 году Совет долготы опубликовал описание его работы в « Принципах хронометриста мистера Харрисона» . [13] Французская экспедиция под руководством Шарля-Франсуа-Сезара Ле Телье де Монмираля выполнила первое измерение долготы с использованием морских хронометров на борту «Авроры» в 1767 году . [14]
Во Франции в 1748 году Пьер Ле Руа изобрел стопорный спусковой механизм , характерный для современных хронометров. [15] В 1766 году он создал революционный хронометр, который включал стопорный спусковой механизм , баланс с температурной компенсацией и изохронную пружину баланса : [16] Харрисон показал возможность иметь надежный хронометр в море, но эти разработки Ле Руа Руперт Гулд считает его основой современного хронометра. [16] Инновации Ле Роя сделали хронометр гораздо более точным, чем ожидалось. [17]
Фердинанд Берту во Франции, а также Томас Мадж в Великобритании также успешно производили морские хронометристы. [15] Хотя ни один из них не был простым, они доказали, что конструкция Харрисона не была единственным решением проблемы. Наибольшие успехи в сторону практичности были достигнуты руками Томаса Эрншоу и Джона Арнольда , которые в 1780 году разработали и запатентовали упрощенные, отдельные, «пружинные» спусковые механизмы , [18] [19] переместили температурную компенсацию на баланс и улучшили конструкцию. и производство балансовых пружин . Такое сочетание инноваций служило основой морских хронометров вплоть до электронной эры.
Новая технология изначально была настолько дорогой, что не все корабли имели хронометры, о чем свидетельствует роковое последнее путешествие восточно-индийского корабля « Арнистон» , потерпевшего кораблекрушение и унесшего жизни 372 человек. [20] Однако к 1825 году Королевский флот начал регулярно снабжать свои суда хронометрами. [21]
Начиная с 1820 года Британская королевская обсерватория в Гринвиче тестировала морские хронометры в рамках программы испытаний, инициированной Адмиралтейством, или программы «конкурса хронометров», призванной стимулировать усовершенствование хронометров. В 1840 году новую серию испытаний в ином формате начал седьмой королевский астроном Джордж Бидделл Эйри . Эти судебные процессы продолжались практически 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 группе астрономических обсерваторий , расположенных в Западной Европе, для проведения оценки точности своих часов. Как только механические механизмы часов приобрели достаточную точность, чтобы обеспечить достаточно точную морскую навигацию, эти независимые оценки третьей стороны также превратились в так называемые «соревнования хронометристов» в астрономических обсерваториях, расположенных в Западной Европе. Обсерватория Невшатель , Женевская обсерватория , Обсерватория Безансона , Обсерватория Кью , Немецкая военно-морская обсерватория в Гамбурге и Обсерватория Гласхютте являются яркими примерами обсерваторий, которые сертифицировали точность механических часов. Режим испытаний обсерваторий обычно длился от 30 до 50 дней и содержал стандарты точности, которые были гораздо более строгими и сложными, чем современные стандарты, такие как стандарты, установленные Contrôle Officiel Suisse des Chronomètres (COSC) . Когда механизм проходил испытания в обсерватории, он становился сертифицированным хронометром обсерватории и получал от обсерватории Маршевый бюллетень, подтверждающий работоспособность механизма.
В то время на кораблях было обычным явлением наблюдать за шаром времени , например, в Королевской обсерватории в Гринвиче , чтобы проверить свои хронометры перед отправлением в долгое путешествие. Каждый день корабли ненадолго бросали якорь на реке Темзе в Гринвиче, ожидая, пока шар упадет в обсерватории ровно в 13:00. [24] Эта практика в некоторой степени способствовала последующему принятию среднего времени по Гринвичу в качестве международного стандарта. [25] (Шары времени стали ненужными примерно в 1920 году с появлением радиосигналов времени , которые сами по себе в значительной степени были заменены временем GPS .) Помимо установки времени перед отправлением в путешествие, корабельные хронометры также регулярно проверялись на точность во время путешествия. на море, проводя лунные [26] или солнечные наблюдения. [27] Обычно хронометр монтируется в защищенном месте под палубой, чтобы избежать повреждений и воздействия непогоды. Моряки использовали хронометр для установки так называемых карманных часов , которые носили на палубе для проведения астрономических наблюдений. Хотя хакерские часы гораздо менее точны (и менее дороги), чем хронометр, они будут удовлетворительными в течение короткого периода времени после их настройки (т. е. достаточно долго для проведения наблюдений).
Хотя методы промышленного производства начали революционизировать часовое производство в середине XIX века, производство хронометров гораздо дольше оставалось ремесленным, и в нем доминировали британские и швейцарские производители. На рубеже 20-го века швейцарские производители, такие как Ulysse Nardin, добились больших успехов в внедрении современных методов производства и использовании полностью взаимозаменяемых деталей, но только с началом Второй мировой войны часовая компания Hamilton в США усовершенствовала свои часы. Процесс массового производства , который позволил компании с 1942 года производить тысячи хронометров Hamilton Model 21 и Model 22 для подразделений военного и торгового флота США , а также других сил союзников во время Второй мировой войны. Морской хронометр Hamilton 21 имел предохранитель с цепным приводом , а его секундная стрелка перемещалась с шагом 1/2 секунды в течение 60 секунд, отмеченных дополнительным циферблатом. В Германии, где морские хронометры были импортированы или использовались иностранные ключевые компоненты, в сотрудничестве с компаниями Wempe Chronometerwerke и A. Lange & Söhne был разработан Drei-Pfeiler Werk Einheitschronometer (унифицированный хронометр с трехколонным механизмом), чтобы сделать возможным более эффективное производство. . Разработка точного и недорогого эйнхайтхронометра была инициативой немецкого военно-морского командования и министерства авиации в 1939 году. Серийное производство началось в 1942 году. Все детали были произведены в Германии и взаимозаменяемы. [28] В ходе Второй мировой войны были применены модификации, которые стали необходимыми, когда сырья стало не хватать, и работа была обязательной, а иногда и добровольно распределялась между различными немецкими производителями для ускорения производства. Производство немецких хронометров унифицированного дизайна с их гармонизированными компонентами продолжалось еще долгое время после Второй мировой войны в Германии и Советском Союзе, которые конфисковали оригинальные технические чертежи Einheitchronometer и в 1949 году открыли в Москве производственную линию, на которой были произведены первые советские хронометры MX6. содержащие механизмы немецкого производства. [29] С 1952 года по 1997 год хронометры MX6 с небольшими изменениями, разработанными НИИ ЧАСПРОМ (НИИ Часпром — часовой институт советской эпохи), производились из компонентов, произведенных в Советском Союзе. [30] Немецкий эйнхайтхронометр .в конечном итоге стал механическим морским хронометристом, выпускаемым в самых больших объемах - около 58 000 единиц. Из них менее 3000 было произведено во время Второй мировой войны, около 5000 после войны в Западной и Восточной Германии и около 50 000 в Советском Союзе, а затем и в постсоветской России. [31] Во время и после Второй мировой войны было произведено около 13 000 морских хронометров Hamilton 21. Несмотря на успех Einheitchronometer и Hamilton, хронометры, изготовленные по старинке, никогда не исчезали с рынка в эпоху механических хронометров. Thomas Mercer Chronometers была среди компаний, которые продолжали их производить.
Судовые морские хронометры являются самыми точными портативными механическими часами, когда-либо производившимися, и в статических условиях их превосходили только непереносные прецизионные маятниковые часы для обсерваторий. Они служили наряду с секстантом для определения местоположения кораблей в море. Мореходные страны вложили значительные средства в разработку этих точных инструментов, поскольку определение местоположения на море давало решающее военно-морское преимущество. Без их точности и точности навигационных навыков, обеспечиваемых морскими хронометрами, можно утверждать, что господство Королевского военно-морского флота и, как следствие , Британской империи не могло бы произойти столь подавляюще; Формирование империи путем войн и завоеваний зарубежных колоний происходило в период, когда британские корабли имели надежную навигацию благодаря хронометру, а их португальские, голландские и французские противники - нет. [32] Например: французы прочно обосновались в Индии и других местах до Британии, но потерпели поражение от военно-морских сил в Семилетней войне .
Оценка и обслуживание морских хронометров считались важными еще в 20 веке, поскольку после Первой мировой войны работа Отдела хронометров Британской королевской обсерватории стала в основном ограничиваться оценкой хронометров и часов, которые уже принадлежали Адмиралтейству, и проведением приемочных испытаний. [33] [34] В 1937 году Департаментом времени впервые была создана мастерская по ремонту и настройке выпущенных британскими вооруженными силами хронометров и часов. Ранее эти работы по техническому обслуживанию передавались коммерческим мастерским. [35]
Примерно с 1960-х годов морские хронометры с механической пружинной фиксацией постепенно заменялись хронометрами, основанными на электротехнических методах и технологиях. [36] В 1985 году Министерство обороны Великобритании объявило тендер на продажу своих механических морских хронометров Hamilton Model 21. ВМС США использовали свои морские хронометры Hamilton Model 21 в качестве резервной копии 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 некоторые из них производились по специальному заказу Первым Московским часовым заводом «Киров» (« Полёт ») в России, Вемпе в Германии и Мерсером в Англии. . [37]
Самая полная международная коллекция морских хронометров, включая модели Харрисона от H1 до H4, находится в Гринвичской королевской обсерватории в Лондоне , Великобритания.
Решающей проблемой было найти резонатор, на который не влияли бы изменяющиеся условия, с которыми сталкивается корабль в море. Балансовое колесо , запряженное в пружину, решало большую часть проблем, связанных с движением корабля. К сожалению, эластичность большинства материалов пружин баланса меняется в зависимости от температуры. Чтобы компенсировать постоянно меняющуюся силу пружины, в большинстве балансов хронометров использовались биметаллические полоски для перемещения небольших грузов к центру колебаний и от него, таким образом изменяя период баланса в соответствии с изменяющейся силой пружины. Проблема балансовой пружины была решена с помощью сплава никеля и стали, названного Элинвар из-за его неизменной эластичности при нормальных температурах. Изобретателем был Шарль Эдуард Гийом , получивший в 1920 году Нобелевскую премию по физике в знак признания его металлургической работы.
Спусковой механизм служит двум целям. Во-первых, это позволяет поезду двигаться дробно и фиксировать колебания весов. В то же время он поставляет незначительное количество энергии для компенсации крошечных потерь от трения, поддерживая тем самым импульс колеблющегося баланса. Спусковой механизм — это та часть, которая тикает. Поскольку естественный резонанс колеблющегося баланса является сердцем хронометра, спусковые механизмы хронометра сконструированы таким образом, чтобы как можно меньше влиять на баланс. Существует множество конструкций спускового механизма с постоянной силой и с отдельным спуском, но наиболее распространенными являются пружинный фиксатор и поворотный фиксатор. В обоих случаях небольшой фиксатор блокирует спусковое колесо и позволяет балансу свободно качаться, за исключением короткого момента в центре колебаний, когда оно менее всего подвержено внешним воздействиям. В центре колебаний ролик балансира на мгновение смещает фиксатор, пропуская один зуб анкерного колеса. Зуб спускового колеса затем передает свою энергию второму ролику балансира. Поскольку спусковое колесо вращается только в одном направлении, баланс получает импульс только в одном направлении. При возвратном колебании проходящая пружина на кончике фиксатора позволяет разблокирующему ролику на рейке перемещаться без смещения фиксатора. Самым слабым звеном любого механического хронометриста является смазка спуска. Когда масло загустевает из-за возраста или температуры или рассеивается из-за влажности или испарения, скорость изменится, иногда резко, поскольку движение баланса уменьшается из-за более высокого трения в спусковом механизме. Спусковой механизм с фиксацией имеет большое преимущество перед другими спусковыми механизмами, поскольку не требует смазки. Импульс от спускового колеса к импульсному ролику практически равномерный, что означает незначительное скольжение, требующее смазки. Спусковые колеса хронометра и проходные пружины обычно изготавливаются из золота из-за меньшего трения скольжения металла по латуни и стали.
Хронометры часто включали в себя другие инновации для повышения их эффективности и точности. Твердые камни, такие как рубин и сапфир, часто использовались в качестве опор для драгоценных камней , чтобы уменьшить трение и износ шарниров и спускового механизма. Алмаз часто использовался в качестве камня для нижнего шарнира рейки баланса, чтобы предотвратить износ от многих лет тяжелого баланса, вращающегося на маленьком конце оси. До конца производства механических хронометров в третьей четверти 20-го века производители продолжали экспериментировать с такими вещами, как шарикоподшипники и хромированные оси.
Часы обычно были защищены от непогоды и хранились под палубой в фиксированном положении в традиционном ящике, подвешенном на подвесах (набор колец, соединенных подшипниками). Это удерживает хронометр изолированным в горизонтальном положении «циферблата вверх», чтобы компенсировать наклон (качание) корабля, вызывающий ошибки синхронизации на балансовом колесе .
Морские хронометры всегда имеют поддерживающий источник питания , который поддерживает работу хронометра во время его завода, а также индикатор запаса хода , показывающий, как долго хронометр будет работать без завода.
Эти технические условия обычно обеспечивают точность измерения времени в механических морских хронометрах с точностью до 0,5 секунды в день. [38] [39]
В строгом часовом отношении «рейтинг» хронометра означает, что до ввода прибора в эксплуатацию средняя скорость прироста или убытка в день отслеживается и фиксируется в рейтинговом сертификате, который прилагается к прибору. Эта дневная норма используется в полевых условиях для корректировки времени, указываемого прибором, для получения точных показаний времени. Даже самый лучший хронометр с тончайшей температурной компенсацией и т. д. демонстрирует два типа ошибок: (1) случайную и (2) постоянную. Качество конструкции и изготовления прибора позволяет избежать случайных ошибок. В принципе, непротиворечивые ошибки должны поддаваться устранению корректировкой, но на практике не удается произвести корректировку настолько точно, чтобы эта ошибка была полностью устранена, поэтому используется метод рейтингования. Скорость также будет меняться во время работы прибора, например, из-за загустения масла, поэтому во время длительных экспедиций скорость инструмента будет периодически сверяться с точным временем, определенным 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 ГНСС-устройства 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 судовым самоуправляемым устройствам и картплоттерам с использованием интерфейса NMEA 0183 , а также может повысить безопасность судоходства за счет включения систем автоматической идентификации (AIS).
Даже имея эти удобные технологические инструменты XXI века, современные практические навигаторы обычно используют астрономическую навигацию с использованием электрических источников времени в сочетании со спутниковой навигацией. [40] Небольшие портативные компьютеры, ноутбуки, навигационные калькуляторы и даже научные калькуляторы позволяют современным мореплавателям «уменьшать» секстантные прицелы за считанные минуты, автоматизируя все этапы вычислений и/или поиска данных. [41] Использование нескольких независимых методов определения местоположения, не полагаясь исключительно на подверженные сбоям электронные системы, помогает навигатору обнаруживать ошибки. Профессиональные моряки по-прежнему должны владеть традиционным пилотированием и астрономической навигацией, что требует использования точно отрегулированного и номинального автономного или периодически внешнего хронометра с коррекцией по сигналу времени. [42] Эти способности по-прежнему являются обязательными для получения некоторых международных сертификатов моряков , таких как вахтенный офицер, капитан и старший помощник капитана, [43] [44] и дополняют оффшорных яхтмастеров на частных круизных яхтах дальнего следования. [45]
Современные морские хронометры могут быть основаны на кварцевых часах , которые периодически корректируются по спутниковым сигналам времени или по радиосигналам времени (см. Радиочасы ). Эти кварцевые хронометры не всегда являются самыми точными кварцевыми часами, когда сигнал не поступает, и их сигналы могут быть потеряны или заблокированы. Однако даже в наручных часах существуют автономные кварцевые механизмы, точность которых составляет от 5 до 20 секунд в год. [46] По крайней мере, один кварцевый хронометр, предназначенный для продвинутой навигации, использует несколько кристаллов кварца, которые корректируются компьютером с использованием среднего значения в дополнение к поправкам сигнала времени GPS . [47] [48]
Хронометры регулярно не поставлялись в Королевский флот примерно до 1825 года.
