Секстант

Секстант — это навигационный угломерный инструмент, предназначенный для измерения высоты небесных светил (Солнца, Луны, звёзд, планет) над горизонтом с целью определения географических координат наблюдателя. Также секстант может использоваться для измерения углов между видимыми ориентирами на местности. Относится к классу отражательных инструментов, принцип действия которых основан на одновременном наблюдении двух объектов через систему зеркал.

История

Предшественники

До появления секстанта для измерения высоты светил над горизонтом использовались более ранние астрономические инструменты: астролябия, квадрант, октант и градшток (посох Якова). Основным недостатком этих приборов была необходимость одновременного наблюдения двух объектов (светила и горизонта) невооружённым глазом, что приводило к значительным погрешностям, особенно при качке на корабле.

Изобретение октанта

Непосредственным предшественником секстанта является октант (от лат. octans — восьмая часть), шкала которого составляет 1/8 окружности (45°). Октант был изобретён независимо друг от друга английским математиком Джоном Хэдли и американским механиком Томасом Годфри в 1730–1731 годах. Ключевым нововведением стала система из двух зеркал: подвижного (алидадного) и неподвижного (горизонтного). Эта система позволяла совмещать в поле зрения наблюдателя изображение светила, отражённое от подвижного зеркала, и линию горизонта, видимую напрямую или через неподвижное зеркало. Принцип двойного отражения света обеспечивал удвоение угла поворота подвижного зеркала, что позволяло измерять углы до 90° при дуге прибора всего в 45°.

Появление секстанта

Секстант (от лат. sextans — шестая часть) со шкалой в 60° (1/6 окружности) появился в середине XVIII века. Его создание было вызвано необходимостью измерять углы, превышающие 90°, что требовалось для лунно-дистанционного метода определения долготы. Этот метод, разработанный в середине XVIII века, основывался на измерении углового расстояния между Луной и Солнцем или яркой звездой. Поскольку максимальное угловое расстояние Луны от Солнца может достигать 180°, а от звёзд — 90–120°, октант с его пределом в 90° был недостаточно удобен. Секстант, позволяющий измерять углы до 120°, стал стандартным навигационным инструментом на море.

Эволюция конструкции

На протяжении XVIII–XIX веков конструкция секстанта совершенствовалась. Появились металлические рамы вместо деревянных, улучшилась точность нанесения шкалы, были введены компенсаторы наклона горизонта (искусственный горизонт) для использования на суше или в условиях плохой видимости естественного горизонта. В XX веке секстанты оснащались оптическими трубами с переменным увеличением и светофильтрами. С развитием радионавигации и спутниковых систем (GPS, ГЛОНАСС) роль секстанта как основного навигационного инструмента снизилась, однако он остаётся обязательным резервным средством на морских судах и в авиации.

Устройство и принцип действия

Основные элементы

Типичный морской секстант состоит из следующих частей:

• Рама — жёсткая металлическая (латунная, алюминиевая или стальная) конструкция в форме сектора круга (обычно 60°). На раме нанесена градусная шкала (лимб).
• Подвижное (алидадное) зеркало — плоское зеркало, установленное на поворотной алидаде (рычаге). Отражает свет от светила на неподвижное зеркало.
• Неподвижное (горизонтное) зеркало — полупрозрачное зеркало, разделённое на две части: одна половина зеркальная, другая — прозрачная. Позволяет одновременно видеть отражение светила от подвижного зеркала и линию горизонта через прозрачную часть.
• Зрительная труба — оптическая система для наблюдения. Увеличивает изображение и облегчает наведение на цель.
• Светофильтры — набор окрашенных стёкол, устанавливаемых перед подвижным и неподвижным зеркалами для защиты глаз при наблюдении Солнца.
• Отсчётное устройство — механизм для точного считывания угла. В классических секстантах это нониус (верньер) или микрометрический винт с барабаном. В современных моделях — электронный дисплей.

Принцип измерения

Принцип работы основан на законе отражения света: угол падения равен углу отражения. При повороте подвижного зеркала на угол α, отражённый луч поворачивается на угол 2α. Таким образом, при повороте алидады на 60° измеряемый угол составляет 120°. Шкала на лимбе градуирована с учётом этого удвоения, поэтому наблюдатель считывает истинное значение угла.

Последовательность действий наблюдателя:

1. Наведение зрительной трубы на линию горизонта через прозрачную часть неподвижного зеркала.
2. Вращение алидады до тех пор, пока отражённое от подвижного зеркала изображение светила не совместится с линией горизонта в поле зрения.
3. Снятие отсчёта по шкале и нониусу (или электронному дисплею).

Искусственный горизонт

При отсутствии естественного горизонта (в тумане, на суше, в самолёте) используется искусственный горизонт. Это может быть:

• Уровенный пузырьковый горизонт — встроенный в прибор пузырьковый уровень, изображение которого проецируется в поле зрения.
• Ртутный горизонт — открытая ванночка с ртутью, дающая ровную отражающую поверхность. Используется в стационарных условиях.

Классификация

Секстанты классифицируются по нескольким признакам:

По назначению

• Морские (навигационные) — наиболее распространённый тип. Предназначены для работы на судах в условиях качки. Имеют прочную раму, защиту от коррозии, светофильтры.
• Авиационные — легче и компактнее морских. Часто оснащаются искусственным горизонтом и системой подсветки шкалы.
• Астрономические — высокоточные приборы для наземных астрономических наблюдений. Используются для определения координат небесных тел.
• Спортивные (туристические) — упрощённые модели из пластика, предназначенные для любительской навигации.

По типу отсчётного устройства

• Классические (механические) — с нониусом или микрометрическим винтом. Точность отсчёта — до 0,1 угловой минуты.
• Электронные (цифровые) — с датчиком угла и жидкокристаллическим дисплеем. Точность — до 0,01 угловой минуты.

Применение

Морская навигация

Основная сфера применения секстанта — определение места судна в море. Для этого измеряются высоты Солнца (в полдень — для определения широты) или нескольких звёзд (утром и вечером — для определения широты и долготы). Полученные данные обрабатываются с помощью навигационных таблиц (например, таблиц ВАС-58 или НО-249) и наносятся на карту. Секстант также используется для измерения горизонтальных углов между береговыми ориентирами с целью определения места судна по двум пеленгам.

Авиация

В авиации секстанты применялись для астронавигации на дальних маршрутах, особенно в полярных районах, где магнитные компасы ненадёжны. С развитием инерциальных и спутниковых навигационных систем роль секстанта в авиации значительно снизилась, но он остаётся в составе аварийного оборудования некоторых типов самолётов.

Геодезия и топография

Секстанты используются для полевых измерений углов при проведении топографических съёмок, особенно в условиях отсутствия видимости на другие ориентиры. Для повышения точности применяются специальные методики и искусственный горизонт.

Космонавтика

В программах пилотируемых космических полётов (например, «Аполлон», «Союз») секстанты использовались для астронавигации в качестве резервного метода определения ориентации корабля в пространстве по звёздам.

Точность и погрешности

Точность измерения секстантом зависит от квалификации наблюдателя, состояния моря, освещённости и качества самого прибора. При идеальных условиях (спокойное море, чёткий горизонт, опытный наблюдатель) погрешность измерения высоты светила составляет 0,1–0,3 угловой минуты. Это соответствует ошибке в определении места судна порядка 0,1–0,3 морской мили (185–555 метров).

Основные источники погрешностей:

• Инструментальные — неточность нанесения шкалы, непараллельность осей зеркал, деформация рамы.
• Личные — ошибка совмещения изображений, неточность снятия отсчёта.
• Внешние — рефракция (преломление света в атмосфере), наклон видимого горизонта (из-за кривизны Земли), качка судна.

Современное значение

Несмотря на повсеместное внедрение спутниковых навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС, Galileo), секстант продолжает использоваться в качестве резервного навигационного средства. Международная конвенция по охране человеческой жизни на море (SOLAS) требует, чтобы на всех морских судах валовой вместимостью 500 и более регистровых тонн имелся исправный секстант и обученный персонал, способный им пользоваться. Это связано с уязвимостью спутниковых систем (сбои, помехи, отключение) и необходимостью автономного определения места.

В России обучение работе с секстантом входит в обязательную программу подготовки штурманов морского и речного флота в учебных заведениях, таких как Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова.

Интересные факты

• Секстант является одним из немногих навигационных инструментов, конструкция которого практически не изменилась за 250 лет.
• В 1969 году экипаж «Аполлона-11» использовал секстант для навигации при полёте к Луне.
• В русском языке термин «секстант» иногда ошибочно употребляется для обозначения октанта, что связано с исторической путаницей в названиях.
• Самый большой в мире секстант (диаметр рамы около 2 метров) был изготовлен в 1840-х годах для Пулковской обсерватории и использовался для измерения положения звёзд.

Источники

• Баранов Ю. К., Гаврюк М. И., Логиновский В. А. и др. Навигация. — 3-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Лань, 1997.
• Ермолаев Г. Г. Морская лоция и навигация. — М.: Транспорт, 1982.
• Краткий справочник по морской навигации / Под ред. А. П. Ющенко. — М.: Воениздат, 1987.
• История изобретения секстанта // Журнал «Навигация и гидрография», № 12, 2001.
• Международная конвенция по охране человеческой жизни на море (SOLAS), глава V, правило 19.