Секстант — это навигационный инструмент с двойным отражением , который измеряет угловое расстояние между двумя видимыми объектами. Основное применение секстанта — измерение угла между астрономическим объектом и горизонтом для целей астронавигации .
Оценка этого угла, высоты, известна как визирование или съемка объекта, или взятие прицела . Угол и время, когда он был измерен, можно использовать для расчета линии положения на морской или аэронавигационной карте — например, визирование Солнца в полдень или Полярной звезды ночью (в Северном полушарии) для оценки широты (с уменьшением прицела ). Визирование высоты ориентира может дать меру расстояния , и, удерживая секстант горизонтально, можно измерить углы между объектами для положения на карте . [1] Секстант также можно использовать для измерения лунного расстояния между Луной и другим небесным объектом (таким как звезда или планета) для определения среднего времени по Гринвичу и, следовательно, долготы .
Принцип действия прибора был впервые реализован около 1731 года Джоном Хэдли (1682–1744) и Томасом Годфри (1704–1749), но позднее он был обнаружен в неопубликованных трудах Исаака Ньютона (1643–1727).
В 1922 году португальский штурман и морской офицер Гаго Коутиньо модернизировал его для использования в воздухоплавании .
Как и квадрант Дэвиса , секстант позволяет измерять небесные объекты относительно горизонта, а не относительно инструмента. Это обеспечивает превосходную точность. Кроме того, в отличие от посоха, секстант позволяет проводить прямые наблюдения за звездами. Это позволяет использовать секстант ночью, когда посох использовать затруднительно. Для солнечных наблюдений фильтры позволяют проводить прямые наблюдения за Солнцем.
Поскольку измерение производится относительно горизонта, измерительный указатель представляет собой луч света, достигающий горизонта. Таким образом, измерение ограничено угловой точностью инструмента, а не синусоидальной ошибкой длины алидады , как в морской астролябии или подобном более старом инструменте.
Секстант не требует абсолютно устойчивого прицеливания, поскольку он измеряет относительный угол. Например, когда секстант используется на движущемся судне, изображение как горизонта, так и небесного объекта будет перемещаться в поле зрения. Однако относительное положение двух изображений останется постоянным, и пока пользователь может определить, когда небесный объект касается горизонта, точность измерения будет оставаться высокой по сравнению с величиной движения.
Секстант не зависит от электричества (в отличие от многих форм современной навигации) или каких-либо сигналов, контролируемых человеком (таких как GPS). По этим причинам он считается чрезвычайно практичным резервным навигационным инструментом для судов.
Рама секстанта имеет форму сектора, который составляет приблизительно 1 ⁄ 6 круга (60°), [2] отсюда его название ( sextāns, sextantis — латинское слово, означающее «одна шестая»). Используются (или использовались) как меньшие, так и большие инструменты: октант , квинтант (или пентант ) и (двойной отражающий) квадрант [3] охватывают сектора приблизительно 1 ⁄ 8 круга (45°), 1 ⁄ 5 круга (72°) и 1 ⁄ 4 круга (90°) соответственно. Все эти инструменты можно назвать «секстантами».
К раме прикреплены «горизонтальное зеркало», указательный рычаг , который перемещает указательное зеркало , прицельная труба, солнцезащитные козырьки, градуированная шкала и микрометрический барабанный калибр для точных измерений. Шкала должна быть градуирована так, чтобы отмеченные деления градуса регистрировали двойной угол, на который поворачивается указательный рычаг. Шкалы октанта, секстанта, квинтанта и квадранта градуированы от ниже нуля до 90°, 120°, 140° и 180° соответственно. Например, изображенный секстант имеет шкалу, градуированную от −10° до 142°, что по сути является квинтантом: рамка представляет собой сектор круга, стягивающего угол 76° в точке поворота указательного рычага.
Необходимость удвоенного отсчета шкалы следует из рассмотрения соотношений фиксированного луча (между зеркалами), предметного луча (от прицеливаемого объекта) и направления нормали, перпендикулярной к индексному зеркалу. Когда указательное плечо перемещается на угол, скажем, 20°, угол между фиксированным лучом и нормалью также увеличивается на 20°. Но угол падения равен углу отражения, поэтому угол между предметным лучом и нормалью также должен увеличиться на 20°. Угол между фиксированным лучом и предметным лучом должен, следовательно, увеличиться на 40°. Это случай, показанный на графике.
Сегодня на рынке представлено два типа зеркал горизонта. Оба типа дают хорошие результаты.
Традиционные секстанты имеют полугоризонтное зеркало, которое делит поле зрения на две части. С одной стороны — вид на горизонт; с другой стороны — вид на небесный объект. Преимущество этого типа в том, что и горизонт, и небесный объект яркие и максимально четкие. Это превосходно ночью и в дымке, когда горизонт и/или наблюдаемая звезда могут быть трудноразличимы. Однако необходимо провести по небесному объекту, чтобы убедиться, что нижняя часть небесного объекта касается горизонта.
Секстанты всего горизонта используют полупосеребренное зеркало горизонта, чтобы обеспечить полный обзор горизонта. Это позволяет легко увидеть, когда нижняя часть небесного объекта касается горизонта. Поскольку большинство прицелов направлены на Солнце или Луну, а дымка редка без облачности, преимущества полугоризонтного зеркала при слабом освещении редко бывают важны на практике.
В обоих типах большие зеркала дают большее поле зрения, и таким образом облегчают поиск небесного объекта. Современные секстанты часто имеют зеркала размером 5 см или больше, в то время как секстанты 19-го века редко имели зеркало больше 2,5 см (один дюйм). Во многом это связано с тем, что точные плоские зеркала стали менее дорогими в производстве и посеребрении .
Искусственный горизонт полезен, когда горизонт невидим, как это происходит в тумане, в безлунные ночи, в штиль, при наблюдении через окно или на земле, окруженной деревьями или зданиями. Существует две распространённые конструкции искусственного горизонта. Искусственный горизонт может состоять просто из бассейна с водой, защищённого от ветра, что позволяет пользователю измерить расстояние между телом и его отражением и разделить на два. Другая конструкция позволяет монтировать заполненную жидкостью трубку с пузырьком непосредственно на секстанте.
Большинство секстантов также имеют фильтры для использования при наблюдении за Солнцем и уменьшения эффекта дымки. Фильтры обычно состоят из серии постепенно темнеющих стекол, которые могут использоваться по отдельности или в сочетании для уменьшения дымки и яркости Солнца. Однако также производятся секстанты с регулируемыми поляризационными фильтрами, где степень темноты регулируется путем поворота оправы фильтра.
Большинство секстантов монтируют монокуляр 1 или 3-кратного увеличения для наблюдения. Многие пользователи предпочитают простую визирную трубу, которая имеет более широкое, яркое поле зрения и которую легче использовать ночью. Некоторые штурманы монтируют усиливающий свет монокуляр, чтобы лучше видеть горизонт в безлунные ночи. Другие предпочитают использовать освещенный искусственный горизонт. [ необходима цитата ]
Профессиональные секстанты используют градусную меру с щелчком и червячную регулировку, которая показывает с точностью до минуты , 1/60 градуса . Большинство секстантов также включают в себя нониус на червячном циферблате, который показывает с точностью до 0,1 минуты. Поскольку 1 минута ошибки составляет около морской мили , наилучшая возможная точность небесной навигации составляет около 0,1 морской мили (190 м). В море приемлемы результаты в пределах нескольких морских миль, в пределах видимости. Высококвалифицированный и опытный штурман может определить местоположение с точностью около 0,25 морской мили (460 м). [4]
Изменение температуры может деформировать дугу, создавая неточности. Многие навигаторы покупают погодоустойчивые футляры, чтобы их секстант можно было разместить снаружи кабины, чтобы достичь равновесия с наружной температурой. Стандартные конструкции рамы (см. иллюстрацию) должны компенсировать дифференциальную угловую погрешность, вызванную изменениями температуры. Ручка отделена от дуги и рамы, чтобы тепло тела не деформировало раму. Секстанты для использования в тропиках часто окрашиваются в белый цвет, чтобы отражать солнечный свет и оставаться относительно прохладными. Высокоточные секстанты имеют инварную ( специальная сталь с низким коэффициентом расширения) раму и дугу. Некоторые научные секстанты были изготовлены из кварца или керамики с еще меньшим коэффициентом расширения. Во многих коммерческих секстантах используется латунь или алюминий с низким коэффициентом расширения. Латунь имеет более низкий коэффициент расширения, чем алюминий, но алюминиевые секстанты легче и менее утомительны в использовании. Некоторые говорят, что они более точны, потому что рука меньше дрожит. Секстанты с цельной латунной рамой менее подвержены колебаниям при сильном ветре или когда судно работает в штормовых условиях, но, как уже отмечалось, они значительно тяжелее. Также изготавливаются секстанты с алюминиевыми рамами и латунными дугами. По сути, секстант — это очень личное дело каждого мореплавателя, и они выберут ту модель, которая лучше всего подходит им.
Авиационные секстанты в настоящее время сняты с производства, но имели специальные функции. Большинство имели искусственные горизонты, позволяющие производить прицеливание через плоское верхнее окно. Некоторые также имели механические усреднители, чтобы делать сотни измерений за прицеливание для компенсации случайных ускорений в жидкости искусственного горизонта. Старые авиационные секстанты имели два визуальных пути, один стандартный, а другой разработанный для использования в самолетах с открытой кабиной, что позволяло смотреть прямо через секстант на коленях. Более современные авиационные секстанты были перископическими с небольшой проекцией над фюзеляжем . С ними штурман предварительно вычислял свое зрение, а затем отмечал разницу между наблюдаемой и прогнозируемой высотой тела, чтобы определить свое положение.
Визия (или измерение ) угла между Солнцем , звездой или планетой и горизонтом выполняется с помощью «звездного телескопа », прикрепленного к секстанту, с использованием видимого горизонта. На судне в море даже в туманные дни визирование может быть выполнено с небольшой высоты над водой, чтобы получить более определенный, лучший горизонт. Навигаторы держат секстант за ручку в правой руке, избегая касания дуги пальцами. [5]
Для прицела на Солнце используется фильтр для устранения бликов , например, «тени», закрывающие как индексное зеркало, так и зеркало горизонта, предназначенные для предотвращения повреждения глаз. Первоначально, с индексной линейкой, установленной на ноль, и тенями, закрывающими оба зеркала, секстант направляется на Солнце, пока он не будет виден на обоих зеркалах через телескоп, затем опускается вертикально, пока часть горизонта, расположенная непосредственно под ним, не будет видна на обоих зеркалах. Необходимо откинуть назад теневой экран зеркала горизонта, чтобы можно было более четко видеть горизонт на нем. Освобождая индексную линейку (либо отпустив зажимной винт, либо на современных приборах с помощью кнопки быстрого освобождения), и перемещая ее в сторону более высоких значений шкалы, в конечном итоге изображение Солнца снова появится на индексном зеркале и может быть выровнено примерно на уровне горизонта на зеркале горизонта. Затем винт точной настройки на конце индексной линейки поворачивается до тех пор, пока нижняя кривая ( нижний край ) Солнца не коснется горизонта. « Покачивание » секстанта вокруг оси телескопа гарантирует, что показания будут получены при вертикальном положении инструмента. Затем угол прицела считывается со шкалы на дуге, используя микрометр или шкалу нониуса, входящую в комплект. Точное время прицела также должно быть отмечено одновременно, и зафиксирована высота глаза над уровнем моря. [5]
Альтернативный метод заключается в оценке текущей высоты (угла) Солнца по навигационным таблицам, затем установке индексной линейки на этот угол на дуге, применении подходящих оттенков только к индексному зеркалу и направлении инструмента прямо на горизонт, проводя им из стороны в сторону до тех пор, пока в телескопе не будет видна вспышка солнечных лучей. Затем выполняется тонкая настройка, как указано выше. Этот метод вряд ли будет успешным для наблюдения звезд и планет. [5]
Наблюдения за звездами и планетами обычно производятся во время морских сумерек на рассвете или в сумерках , когда видны как небесные тела, так и морской горизонт. Нет необходимости использовать тени или различать нижнюю часть, поскольку тело выглядит как простая точка в телескопе. Луну можно увидеть, но она, кажется, движется очень быстро, имеет разные размеры в разное время, и иногда из-за ее фазы можно различить только нижнюю или верхнюю часть . [5]
После того, как прицел сделан, он сводится к положению, рассматривая несколько математических процедур. Простейшая редукция прицела — нарисовать круг равной высоты увиденного небесного объекта на глобусе. Пересечение этого круга с траекторией счисления или другим прицеливанием дает более точное местоположение.
Секстанты могут быть использованы очень точно для измерения других видимых углов, например, между одним небесным телом и другим и между ориентирами на берегу. При использовании в горизонтальном положении секстант может измерять видимый угол между двумя ориентирами, такими как маяк и шпиль церкви , который затем может быть использован для определения расстояния от или до моря (при условии, что расстояние между двумя ориентирами известно). При использовании в вертикальном положении измерение угла между фонарем маяка известной высоты и уровнем моря у его основания также может быть использовано для определения расстояния от. [5]
Из-за чувствительности прибора зеркала легко сбить с регулировки. По этой причине секстант следует часто проверять на наличие ошибок и соответствующим образом настраивать.
Навигатор может исправить четыре ошибки, которые следует устранить в следующем порядке.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
