Октант: История и принцип работы навигационного прибора.

Введение

Измерительный прибор, используемый преимущественно в навигации; тип отражающего инструмента.

Октант, также называемый отражающим квадрантом, – это отражающий инструмент, применяемый в навигации.

Этимология

Название октанта происходит от латинского слова *octans*, означающего восьмую часть круга, поскольку дуга инструмента составляет одну восьмую окружности. Отражающий квадрант получил своё название из-за использования в приборе зеркал для отражения луча света к наблюдателю, что позволяет удвоить измеряемый угол. Это даёт возможность инструменту измерять четверть окружности (квадрант), используя лишь одну восьмую оборота.

Отражающий квадрант Ньютона

Отражающий квадрант Исаака Ньютона был изобретен около 1699 года. Подробное описание инструмента было передано Эдмонду Галлею, но опубликовано лишь после смерти Галлея в 1742 году. Неизвестно, почему Галлей не опубликовал эту информацию при жизни, поскольку это лишило Ньютона признания за изобретение, которое обычно приписывают Джону Хэдли и Томасу Годфри. Одна копия этого инструмента была изготовлена Томасом Хитом (мастером-инструментальщиком) и, возможно, демонстрировалась в витрине его магазина до публикации Королевским обществом в 1742 году. В инструменте Ньютона использовались два зеркала, но их расположение несколько отличалось от расположения зеркал в современных октантах и секстантах. Конфигурация прибора показана на диаграмме справа. Дуга прибора в 45° (PQ) была разделена на 90 частей по полградуса каждая. Каждая такая часть, в свою очередь, делилась на 60 частей, а каждая из них – на шестые доли. В результате дуга была градуирована в градусах, минутах и шестых долях минуты (10 секундах). Таким образом, прибор позволял проводить интерполяцию показаний с точностью до 5 секунд дуги. Такая высокая точность градуировки была возможна благодаря большим размерам прибора – один только зрительный телескоп имел длину от трех до четырех футов. Зрительный телескоп (AB) длиной три или четыре фута был закреплен вдоль одной из сторон прибора. Горизонтальное зеркало было установлено под углом 45° перед объективом телескопа (G). Это зеркало было достаточно маленьким, чтобы наблюдатель мог видеть изображение в зеркале с одной стороны и непосредственно перед собой – с другой. На подвижном рычаге (CD) находилось индексное зеркало (H), также установленное под углом 45° к краю рычага. Отражающие поверхности двух зеркал были ориентированы примерно друг к другу, так что изображение, видимое в первом зеркале, являлось отражением от второго. При параллельном расположении зеркал индекс показывает 0°. Вид через телескоп направлен прямо вперед, а вид из зеркала G показывает то же изображение, отраженное от зеркала H (см. подробный рисунок справа). При перемещении подвижного рычага от нуля к большему значению индексное зеркало отражает изображение, находящееся в направлении, отклоняющемся от прямой линии визирования. По мере увеличения хода подвижного рычага линия визирования индексного зеркала смещается к точке S (вправо на детальном изображении). Это указывает на небольшой недостаток данной зеркальной системы. Горизонтальное зеркало будет заслонять вид индексного зеркала при углах, близких к 90°. Длина зрительного телескопа кажется необычной, учитывая небольшие размеры телескопов на современных приборах. Вероятно, это был выбор Ньютона, направленный на уменьшение хроматических аберраций. Телескопы с малой фокусной длиной, до разработки ахроматических линз, давали неприемлемо высокую степень аберрации, которая могла влиять на восприятие положения звезды. Решением была большая фокусная длина, и этот телескоп, вероятно, имел как объектив, так и окуляр с большой фокусной длиной. Это уменьшило бы аберрации без чрезмерного увеличения.

Isaac Newton's reflecting quadrant was invented around 1699. A detailed description of the instrument was given to Edmond Halley, but the description was not published until after Halley's death in 1742. It is not known why Halley did not publish the information during his life, as this prevented Newton from getting the credit for the invention that is generally given to John Hadley and Thomas Godfrey. One copy of this instrument was constructed by Thomas Heath (instrument maker) and may have been shown in Heath's shop window prior to its being published by the Royal Society in 1742. Newton's instrument used two mirrors, but they were used in an arrangement somewhat different from the two mirrors found in modern octants and sextants. The diagram on the right shows the configuration of the instrument. The 45° arc of the instrument (PQ), was graduated with 90 divisions of a half degree each. Each such division was subdivided into 60 parts and each part further divided into sixths. This results in the arc being marked in degrees, minutes and sixths of a minute (10 seconds). Thus the instrument could have readings interpolated to 5 seconds of arc. This fineness of graduation is only possible due to the large size of the instrument the sighting telescope alone was three to four feet long. A sighting telescope (AB), three or four feet long, was mounted along one side of the instrument. A horizon mirror was fixed at a 45° angle in front of the telescope's objective lens (G). This mirror was small enough to allow the observer to see the image in the mirror on one side and to see directly ahead on the other. The index arm (CD) held an index mirror (H), also at 45° to the edge of the index arm. The reflective sides of the two mirrors nominally faced each other, so that the image seen in the first mirror is that reflected from the second. With the two mirrors parallel, the index reads 0°. The view through the telescope sees directly ahead on one side and the view from the mirror G sees the same image reflected from mirror H (see detail drawing to the right). When the index arm is moved from zero to a large value, the index mirror reflects an image that is in a direction away from the direct line of sight. As the index arm movement increases, the line of sight for the index mirror moves toward S (to the right in the detail image). This shows a slight deficiency with this mirror arrangement. The horizon mirror will block the view of the index mirror at angles approaching 90°. The length of the sighting telescope seems remarkable, given the small size of the telescopes on modern instruments. This was likely Newton's choice of a way to reduce chromatic aberrations. Short–focal length telescopes, prior to the development of achromatic lenses, produced an objectionable degree of aberration, so much so that it could affect the perception of a star's position. Long focal lengths were the solution, and this telescope would likely have had both a long–focal length objective lens and a long–focal length eyepiece. This would decrease aberrations without excessive magnification.

Изобретатели октана

Около 1730 года октант независимо друг от друга разработали два человека: Джон Хэдли (1682–1744), английский математик, и Томас Годфри (1704–1749), мастер по изготовлению стекла из Филадельфии. Хотя оба имеют законное и равное право на изобретение, Хэдли обычно получает больше признания. Это отражает центральную роль, которую Лондон и Королевское общество играли в истории научных инструментов в восемнадцатом веке. Еще двумя создателями октантов в этот период были Калеб Смит, английский страховой брокер, проявлявший большой интерес к астрономии (в 1734 году), и Жан-Поль Фухи, профессор математики и астроном во Франции (в 1732 году).

Версии Хэдли

Хэдли создал две версии отражающего квадранта. Только вторая из них хорошо известна и представляет собой привычный октант.

Хэдли отражает квадрант

Первый отражающий квадрант Хэдли представлял собой простое устройство с рамкой, охватывающей дугу в 45°. На изображении справа, из статьи Хэдли, опубликованной в "Философских трудах Королевского общества",

Астроскоп Смита

Калеб Смит, английский страховой брокер, проявлявший большой интерес к астрономии, создал октант в 1734 году. Он назвал его Астроскопом или Морским Квадрантом. В нем использовалась фиксированная призма в дополнение к зеркалу индекса для обеспечения отражающих элементов. Призмы давали преимущества перед зеркалами в эпоху, когда полированные металлические зеркала были некачественными, а нанесение серебра на зеркало и производство стекла с плоскими, параллельными поверхностями было затруднительно. На рисунке справа элемент горизонта (B) мог быть зеркалом или призмой. На указательной руке зеркало индекса (A) вращалось вместе с ней. На раму (C) был установлен визирный телескоп. Индекс не использовал нониус или другое устройство на шкале (D). Смит называл указательную руку инструмента «лейблом», по аналогии с Элтоном для его морского квадранта. Октаны производились в больших количествах. Из дерева и слоновой кости их относительно низкая цена по сравнению с полностью латунными секстантами делала их популярным инструментом. Конструкция была стандартизирована, многие производители использовали идентичный стиль рамы и компоненты. Разные мастерские могли изготавливать различные компоненты, при этом плотники специализировались на рамах, а другие – на латунных деталях. Например, Spencer, Browning and Rust, производитель научных инструментов в Англии с 1787 по 1840 год (работавший как Spencer, Browning and Co. после 1840 года), использовал делительную машину Рамсдена для производства градуированных шкал из слоновой кости. Они широко использовались другими, и инициалы SBR можно было найти на октантах многих других производителей. Примеры этих очень похожих октантов представлены на фотографиях в этой статье. Изображение вверху по сути является тем же инструментом, что и на детальных фотографиях. Однако они принадлежат двум разным производителям инструментов: верхний помечен как Crichton – Лондон, Продано J Berry Aberdeen, а детальные изображения – инструмент от Spencer, Browning & Co. London. Единственное очевидное различие – наличие световых фильтров горизонта на октанте Crichton, которых нет на другом. Эти октанты были доступны с множеством опций. Базовый октант с делениями непосредственно на деревянной раме был самым дешевым. Они обходились без телескопического прицела, используя вместо него одно- или двухщелевую визирную планку. Шкалы из слоновой кости повышали цену, как и использование латунной указательной руки или нониуса.

Caleb Smith, an English insurance broker with a strong interest in astronomy, had created an octant in 1734. He called it an Astroscope or Sea Quadrant. His used a fixed prism in addition to an index mirror to provide reflective elements. Prisms provide advantages over mirrors in an era when polished speculum metal mirrors were inferior and both the silvering of a mirror and the production of glass with flat, parallel surfaces was difficult. In the drawing to the right, the horizon element (B) could be a mirror or a prism. On the index arm, the index mirror (A) rotated with the arm. A sighting telescope was mounted on the frame (C). The index did not use a vernier or other device at the scale (D). Smith called the instrument's index arm a label, in the manner of Elton for his mariner's quadrant. Octants were produced in large numbers. In wood and ivory, their relatively low price compared to an all brass sextant made them a popular instrument. The design was standardized with many manufacturers using the identical frame style and components. Different shops could make different components, with woodworkers specializing in frames and others in the brass components. For example, Spencer, Browning and Rust, a manufacturer of scientific instruments in England from 1787 to 1840 (operating as Spencer, Browning and Co. after 1840) used a Ramsden dividing engine to produce graduated scales in ivory. These were widely used by others and the SBR initials could be found on octants from many other manufacturers. Examples of these very similar octants are in the photos in this article. The image at the top is essentially the same instrument as the one in the detail photos. However, they are from two different instrument makers the upper is labelled Crichton London, Sold by J Berry Aberdeen while the detail images are of an instrument from Spencer, Browning & Co. London. The only obvious difference is the presence of horizon shades on the Crichton octant that are not on the other. These octants were available with many options. A basic octant with graduations directly on the wood frame were least expensive. These dispensed with a telescopic sight, using a single or double holed sighting pinnula instead. Ivory scales would increase the price, as would the use of a brass index arm or a vernier.

Уход октана

В 1767 году в первом издании "Морского альманаха" были опубликованы таблицы лунных расстояний, позволявшие морякам определять точное время по углу между Солнцем и Луной. Этот угол порой превышал 90°, что делало его измерение с помощью октанта невозможным. Именно поэтому адмирал Джон Кэмпбелл, проводивший на кораблях эксперименты с методом лунных расстояний, предложил разработать прибор большего размера, что привело к созданию секстанта. С тех пор секстант стал инструментом, который претерпел значительные усовершенствования и стал основным выбором для судовых навигаторов. Октант продолжали выпускать в течение всего XIX века, хотя он обычно был менее точным и более дешевым инструментом. Доступная цена октанта, включая модели без телескопа, делала его практичным прибором для судов торгового и рыболовного флотов. До конца XIX века моряки часто использовали как секстант, так и октант. Секстант применялся с особой тщательностью и исключительно для определения лунных расстояний, а октант – для ежедневных рутинных измерений меридианной высоты Солнца. Это позволяло беречь точный и дорогостоящий секстант, используя более доступный октант в тех случаях, когда он был достаточно эффективен.

Октат пузырьков

С начала 1930-х годов до конца 1950-х годов выпускалось несколько типов гражданских и военных пузырьковых секстантов для использования на борту самолетов. Все они были оснащены искусственным горизонтом в виде пузырька, который центрировался для определения горизонта навигаторами, летевшими на высоте тысяч футов над Землей; некоторые модели имели функцию записи данных.

Использование и регулирование

Использование и настройка октанта в основном аналогичны использованию и настройке секстанта.

Другие отражающие приборы

Хэдли не был первым отражающим квадрантом. Роберт Гук изобрел отражающий квадрант в 1684 году и описывал эту концепцию еще в 1666 году. Квадрант Гука представлял собой единый отражающий инструмент. Другие октанты были разработаны Жаном Полем Фуши и Калебом Смитом в начале 1730-х годов, однако они не оказали существенного влияния на историю развития навигационных приборов.