АСТРОНОМИЧЕСКАЯ НАВИГАЦИЯ

С увеличением дальности и высоты полета современного самолета, что в недалеком будущем позволит ему летать в субстратосфере, все большее признание получает астрономическая навигация как средство контроля пути самолета. Радиомаяки, радиомаркеры и земные ориентиры будут по — прежнему играть свою роль, но я думаю, что не пройдет много времени и астрономическая навигация будет считаться такой же необходимой для безопасности летчика, какой она в течение ряда веков является для морепла­вателей. Так как астрономическая навигация скоро станет обязательным средством во время дальних полетов, я сейчас познакомлю вас и бестолко­вого Джо с основами этой науки.

Астрономическая навигация заключается в определении позиционной линии (линии, на которой находился самолет в момент наблюдения) путем наблюдения солнца днем или в определении местоположения самолета пу­тем наблюдения звезд ночью. Бестолковый Джо говорит, что он не верит в возможность определить положение самолета, летящего со скоростью 300 км/час, по каким-то светилам, находящимся от нас на расстоянии не­скольких миллионов километров. Но он опять неправ. Положение самолета может быть определено с точностью до 10 км пеленгованием предметов, отстоящих от него на миллиарды километров. При достаточной практике место, полученное счислением, можно проверить по небесным светилам примерно за 3 мин.

Чтобы получить направление на светило, вы производите некоторые наблюдения за ним с вашего фактического места, затем высчитываете не­которые величины для этого светила для произвольно выбранной на карте точки [31] и сравниваете и комбинируете результаты этих действий. В число величин, которые вы должны определить для светила, входят: его высота (угловое расстояние над горизонтом), склонение (угловое расстояние от небесного экватора), часовой угол (угловое расстояние по небесному эква­тору между меридианом светила и меридианом наблюдателя) и азимут (угловое расстояние, обычно измеряемое от точки севера 1 по истинному горизонту, между меридианом наблюдателя и вертикальным кругом, на котором находится светило).

Высота измеряется секстантом. Склонение и гринвичский часовой угол берутся из «Астрономического календаря». Азимут определяется при помощи астрономических навигационных таблиц2. Основное снаряжение для астро­номической навигации состоит из секстанта, «Астрономического календаря», издаваемого ежегодно, астрономических навигационных таблиц и хрономет­ра. От вас лишь требуется короткое знакомство с двадцатью или больше яр­кими звездами, выбранными так, чтобы охватить все видимое небо, и зна­ние некоторых астрономических терминов и понятий.

По сравнению со вселенной земля представляется маленькой точкой в пространстве. Если бы мы могли уменьшить солнце до размеров шара диаметром в 60 см и пропорционально уменьшить всю остальную вселен­ную, то земной шар был бы примерно равен по размерам маленькой горо­шине диаметром 5,6 мм, а ближайшая звезда находилась бы от него на рас­стоянии 13 000 км. Однако для определения вашего места относительно земли вы должны сперва найти небесную широту и долготу бесконечно удаленного небесного тела, а затем определить положение этого тела не от­носительно микроскопического земного шара, а относительно еще более микроскопического предмета — вас самих.

Рис. 293. С какой бы точки земного шара вы ни смотрели на небо, оно выглядит как огромная сфера, и мы легко можем представить себя находящимися на поверхности шара, расположенного внутри небесной сферы, на внутренней поверхности которой находятся звезды, солнце, луна и планеты. Как и на нашей земле, на этой сфере имеются некоторые невидимые условные точки и линии, позволяющие определять положение разных небесных светил.

Некоторые из этих ориентиров, например небесные полюсы и не­бесный экватор, представляют собой просто проекции соответствующих земных ориентиров на небесную сферу и занимают на небе определенное положение. Другие — зенит, надир и истинный горизонт — изменяются е изменением положения наблюдателя. Точка небесной сферы, находя­щаяся в данный момент прямо у вас над головой, будет для вас зенитом. Прямо противоположная ей точка на другом небесном полушарии прямо

1 У нас азимут измеряется от точки юга.— Р е д.

з Или специальных графиков.— Ред.

у вас под ногами называется надиром; линия, соединяющая эти две точки, проходит через центр земли. На равном расстоянии между зенитом и на­диром небесную сферу опоясывает истинный горизонт, плоскость кото­рого всегда пересекается под прямым углом с линией, соединяющей зенит с надиром.

При помощи этих ориентиров вы можете определить некоторые данные, относящиеся к положению небесного светила. Вы можете определить его высоту, т. е. его угловое расстояние от истинного горизонта, и его зенитное расстояние, т. е. его угловое расстояние от зенита. Высота и зенитное рас­стояние светила не могут быть определены заранее, так как зенит и истин-

* ітт, тй горизонт меняют свое положение каждый раз, как мы меняем свое по —

ложение на земном шаре. Но так как плоскость истинного горизонта со — ставляет прямой угол с линией, соединяющей зенит и надир, высота све­тила всегда равна 90° минус зенитное расстояние, и обратно — зенитное расстояние всегда равно 90° минус высота.

Пользуясь небесным экватором и небесными полюсами как ориенти­рами, вы можете определять полярное расстояние звезды, т. е. ее угловое расстояние от полюса, и ее склонение, т. е. угловое расстояние от небесного экватора. Так как положение полюсов и небесного экватора вполне опре­деленно и не изменяется с изменением положения наблюдателя, как поляр­ное расстояние, так и склонение светила в любое время могут быть опре, делены заранее. Вы найдете склонение солнца, луны, звезд и планет для любого месяца и часа в «Астрономическом календаре». Так как склонение плюс полярное расстояние равно 90°, полярное расстояние мы получаем, вычитая склонение из 90°. Как вы увидите из рисунка, склонение на небес­ной сфере соответствует широте на поверхности земли.

Точка на поверхности земли, лежащая прямо под светилом, будет его «подзвездной точкой» или географическим местом светила *. Елли вы нахо­дитесь в географическом месте звезды, эта звезда будет у вас в зените, а прямая, проведенная от звезды к центру земли, пересечет поверхность земли в точке вашего стояния. В 9 час. вечера географическим местом какой — либо звезды может быть Нью-Йорк. Через несколько часов географиче­ское место этой же звезды будет западнее, но на той же широте, что и Нью — Йорк.

Проекции земных меридианов также используются в качестве ориенти­ровочных линий на небесной сфере, но эти небесные меридианы вращаются вместе с землей, тогда как небесная сфера остается неподвижной. Пред­ставьте себе на минуту, что вы смотрите на небесную сферу из центра стек­лянного шара, представляющего собой землю и размеченного параллелями широты и меридианами. По мере вращения шара вокруг своей оси вы уви­дели бы, как меридианы, проектирующиеся на небесную сферу, переме­щаются в восточном направлении. Еісли вы заметите по часам время прохож­дения одного из этих меридианов через солнце, вы увидите, что промежуток между двумя последовательными прохождениями равен 24 час. Но, если вы заметите по часам время двух последовательных прохождений определен­ным меридианом какой-либо звезды, вы увидите, что промежуток между этими прохождениями равен 23 час, 56 мин. и 3,33 сек, Эта разница между [32]

промежутками прохождения меридиана через солнце и че­рез звезду происходит от то­го, что земля не только вра­щается вокруг своей оси, но и обращается по орбите во­круг солнца. Вследствие дви­жения земли вокруг солнца вы видите звезды на один раз в году чаще, чем солнце.

Рис. 294. Если бы вы могли оставаться в центре стеклянного шара целый год, вы увидели бы, что солнце как будто движется на небес — по определенному пути и что два раза в год — |"£; один раз в начале весны, другой раз в начале осени — путь солнца пересекает эква­тор. Путь солнца по небу на­зывается эклиптикой, а точ­ка, в которой солнце пере­секает экватор весной, назы­вается «точкой весеннего рав­ноденствия».

Точкой весеннего равно­денствия пользуются для определения прямого вос­хождения светила — величи­ны, которая в сочетании со склонением позволяет уста­новить положение небесного тела на небе так же, как дол — гэь! гота в сочетании с широтой определяет положение какого-нибудь места на поверхности земли. Пря­мым восхождением называется угловое расстояние светила от точки весен­него равноденствия, измеренное в восточном направлении по экватору. Подобно склонению, прямое восхождение светила в любое данное время
может быть определено заранее и указывается для солнца, луны, звезд и планет в «Астрономическом календаре». Прямое восхождение дается не в градусах, минутах и секундах, как склонение, а в часах, минутах и секундах, причем час дуги равен 15°.

Рис. 295. Для астрономической навигации вам понадобятся четыре небесных меридиана. Это — Гринвичский небесный меридиан; меридиан, проходящий через точку весеннего равноденствия (начальный круг склоне­ний); меридиан, проходящий через наблюдаемое светило (круг склонении светила) и ваш собственный меридиан, т. е. меридиан, проходящий через ваш зенит. Эти и все остальные меридианы делятся на две части: верхнюю, нахо­дящуюся выше истинного горизонта, и нижнюю, находящуюся ниже его.

Как вы знаете, гражданские сутки состоят из 24 час. и считаются с мо­мента, когда среднее солнце пересекает нижнюю часть Гринвичского ме­ридиана. Вследствие того, что земля обращается вокруг солнца с перемен­ной скоростью, кажется, будто солнце обращается с переменной скоростью во­круг земли. Так как невозможно синхронизировать хронометр с неравномер­ным кажущимся движением солнца (истинным солнечным временем), граж­данское время основано наобращении вокруг земли воображаемого «среднего» солнца. Истинное солнечное время считается от момента пересечения цент­ром истинного солнца нижней части Гринвичского меридиана. При астро­номических навигационных расчетах часто приходится превращать граж­данское время, т. е. время, по которому поставлены ваши часы или хроно­метр, в истинное солнечное время, что делается при помощи «Астрономиче­ского календаря».

Звездные сутки имеют продолжительность 23 час. 56 мин. и 3,33 сек. по среднему солнечному времени и считаются с момента, когда точка весен­него равноденствия пересекает верхнюю часть Гринвичского меридиана. Звездные сутки делятся на 24 звездных часа. Прежде чем решить задачу по астрономической навигации, ориентируясь по какой-либо звезде, вы должны знать: гринвичское звездное время (в скольких звездных часах меридиан точки весеннего равноденствия отстоит от верхней части Гринвич­ского меридиана); гринвичский часовой угол (в скольких звездных ча­сах звезда находится от Гринвичского меридиана) и часовой угол [в сколь­ких часах звезда находится от меридиана вашего условно выбранного места (приближенного места самолета)].

Гринвичское звездное время получается по звездному хронометру. Гринвичский часовой угол получается вычитанием прямого восхождения звезды из гринвичского звездного времени. Если гринвичское звездное время меньше прямого восхождения, то до вычитания из него прямого вос-

хождения к нему прибав­ляют 24 час. Часовой угол получают путем сложения восточной долготы вашего места, выраженной в часах, с гринвичским часовым углом или путем вычитания из последнего вашей западной долготы. Так как долгота ва­шего места и является как раз одной из величин, кото — рис рые вы хотите определить при 29В — помощи астрономической на­вигации, совершенно очевид­но, что вы не можете найти часовой угол какого-либо небесного светила для ваше­го истинного места. Как бу­дет объяснено ниже, часовой угол может быть определен только для условного (при­ближенного) места. Рис. 296. Одной из коор — 297! динат небесного тела, приме­няемых в астрономической навигации, является азимут. Азимутом называется угол между окружностью, прове­денной через зенит, све­тило и надир, и мериди­аном места наблюдателя. Азимут измеряется к восто­ку или западу от точки севе­ра 1 на горизонте по дуге в 180° истинного горизонта и выражается так: N45°E, N32°E, N165°W, N59°W и т. п. Рис. 297. Географическим местом небесного светила называется, как вы помните, точка на земной поверхности, находящаяся отвесно под і У нас от точки юга.—Ре д.

Зенит

/ і

Круги равных высот

светилом в данное время. Так как высотой светила называется его угловое расстояние от горизонта, то высота звезды в ее географическом месте всегда равна 90°. Если вы удалитесь от географического места настолько, что звезда окажется на вашем горизонте, высота ее будет равна нулю. Наблюдаемая с какого-либо места, лежащего между этими двумя точками,’ звезда будет иметь высоту больше нуля, но меньше 90°. Так как изменение высоты звезды на 1 мин. (1′) вызывается перемещением наблюдателя на 1 мор­скую милю (1,85 км), то при вашем удалении на 60 морских миль от геогра­фического места звезды высота ее уменьшится на 1° при условии, что земля имеет форму правильного шара. Если бы вы находились в 120 морских ми­лях к северу, востоку, югу или западу от географического места звезды, ее высота равнялась бы 88°. В 2 700 морских милях от географического ме­ста звезды ее высота равнялась бы 45°. В 5 400 морских милях она была бы у вас на горизонте, а на расстоянии более 5 400 морских миль от географи­ческого места звезда была бы ниже вашего горизонта.

Если вам известно географическое место небесного светила и вы опре­делите его высоту, вы можете построить на земном глобусе окружность (круг равных высот), в одной из точек которой вы находитесь. Поставьте ортрие циркуля в географическое место звезды и опишите из нее окружность радиусом, равным 90° минус наблюденная высота небесного тела, пре­вратив угловую величину в морские мили и взяв полученное расстояние в масштабе глобуса. С любой точки этой окружности ваша звезда будет иметь наблюденную вами высоту. В любой точке, лежащей ближе к географиче­скому месту светила, высота звезды будет больше; в любой точке, лежащей дальше от географического места, высота звезды будет меньше.

Рис. 298. Наблюдая два небесных светила, географические места кото­рых вам известны, вы можете получить не только окружность, но и две определенные точки, одна из которых и будет вашим местом в момент наб­людения. Для этого вы выбираете два небесных светила, отстоящих одно от другого на несколько десятков градусов, измеряете их высоты, и для каж­дого описываете окружность, как сказано выше. Эти две окружности пересе­кутся в двух точках, А и В, как показано на рисунке. Вы знаете, что с лю­бой точки одной из окружностей вы будете видеть одну из звезд на измерен­ной вами высоте. Вы знаете также, что с любой точки второй окружности вы будете видеть другую звезду на измеренной вами ее высоте. Но только в двух точках, А ж В, вы можете видеть обе звезды на обеих измерен­ных вами высотах. Поэтому в момент наблюдения вы должны были нахо­диться либо в точке А либо в точке В. Найдите на карте, где в данном слу­чае находятся эти две точки. Одна из них находится на берегу Мексикан­ского залива, другая в южной части Тихого океана. Никто, даже бестолко­вый Джо, не может запутаться настолько, чтобы не суметь определить, в которой из этих двух точек он находится.

Определение вашего места на поверхности земли по двум кругам высот было бы простым делом, если бы не одно затруднение. Так как для измене­ния высоты звезды на 1° надо переместиться на 60 морских миль и так как расстояние между выбранными вами двумя звездами может измеряться большим числом градусов, то вам пришлось бы описывать окружности на карте, изображающей большую часть земной поверхности. Если бы вы выбрали две звезды, одну с высотой 88°, другую с высотой 58°, вам приш­лось бы описывать круги равных высот радиусами, равными в соответствую­щем масштабе 120 и 1920 морским милям. Пересечение этих окружностей показало бы вам, где вы находитесь относительно всей поверхности земли, но не могло бы показать вам вашего положения относительно какого-ни­будь местечка в штате Нью-Джерси или Техасе.

Чтобы обойти это затруднение, вы можете определить свое место, пользуясь для этого небольшой дугой окружности круга высот. Неболь­шую дугу очень большого круга можно, конечно, изобразить в виде прямой линии, так что для определения положения точки вы проводите не окруж­ности, а прямые линии[33]. Эти линии можно получить только путем решения «астрономического треугольника». На случай, если бестолковый Джо забыл, что это такое, напомню, что «решить треугольник» — значит найти значения всех его сторон и углов, когда известны значения некоторых из них.

Рис. 299. Вершинами астрономического треугольника являются полюс небесной сферы, зенит (проекция положения наблюдателя на не­бесную сферу) и светило. Одна сторона его равна зенитному расстоянию (90° минус высота звезды); другая сторона равна полярному расстоянию (90° минус склонение), а третья равна 90° (угловое расстояние от экватора до полюса) минус земная широта наблюдателя. Интересующими вас уг­лами будут угол при зените, другими словами, азимут, и угол при полюсе, равный часовому углу (угловому расстоянию в часах между небесным меридианом светила и меридианом наблюдателя).

С вашего фактического места вы можете определить две стороны тре­угольника — зенитное расстояние и полярное расстояние. Первую полу­чают, измеряя высоту звезды секстантом и вычитая эту высоту из 90°. Вторую получают, найдя склонение звезды по «Астрономическому кален­дарю» и вычитая его из 90°. Вы не можете получить третью сторону треуголь-

ника, так как вы не знаете своей широты. Вы не можете получить часовой угол, так как не знаете своей долготы, и не можете получить азимут звезды. Итак, с вашего фактического места решить треугольник невоз­можно.

Теперь посмотрим, что случится, если вы выберете на карте какую — нибудь условную точку Ч Вы можете получить сторону треугольника, равную «90° минус широта», так как вы знаете широту условного места. Полярное расстояние вы уже знаете из «Астрономического календаря». Вы можете получить часовой угол, так как теперь вы знаете долготу выб — [34]
ранного вами условно места, а азимут вы можете вычислить по таблицам. Имея эти величины, вы можете решить треугольник и вычислить третью сторону, которая, будучи равна «90° минус высота», дает вам высоту звезды. Двумя важными величинами, которые вам нужно знать для получения позиционной линии вашего места, будут азимут и высота звезды в условно выбранном вами месте.

Чтобы получить Позиционную линию вашего места посредством астроно­мического треугольника, вы должны действовать так:

1. Возьмите свой секстант (рис. 300) и измерьте высоту небесного тела.

2. Посмотрите на часы и точно заметьте время, в которое вы произвели наблюдение.

3. Выберите на карте какой-нибудь пункт, в районе которого вы, по вашему мнению, находитесь.

4. Для момента наблюдения по гринвичскому времени найдите часо­вой угол и выберите склонение из «Астрономического календаря».

5. Рассчитайте высоту звезды для выбранной точки.

6. Рассчитайте азимут-звезды для выбранной точки.

7. Сравните вычисленную высоту звезды для выбранной точки с наблю­денной высотой ее в вашем фактическом месте.

Теперь проведите на карте линию через условно выбранную точку в направлении азимута светила. Эта линия — радиус окружности, на ко­торой находится ваше место,— будет составлять прямой угол с позиционной (сомнеровой) линией, которая, как вы помните, представляет собой небольшую часть окружности. На линии азимута отложите разность высот, выраженную в морских милях, и проведите под прямым углом позиционную (сомнерову) линию для вашего места. Разность высот от­кладывается по направлению к светилу от условно выбранной точки, если наблюденная высота больше вычисленной, и в противоположном направлении, если наблюденная высота меньше вычисленной.

Повторив те же расчеты для второго светила, вы можете получить вто­рую линию вашего места, а на пересечении их получите ваше место.

Рис. 300. Опыт показал, что наиболее практичным для приме­нения на самолетах является секстант с уровнем вроде показанного здесь прибора Бауша и Ломба. Этим секстантом пользовались многие известные летчики в дальних перелетах.

Высота звезды измеряется от горизонта, но вследствие тумана, темноты и т. п. вы не всегда будете располагать видимым горизонтом в то время, когда вам нужно произвести наблюдение. Секстант должен давать какой-то фиктивный горизонт, которым вы могли бы пользоваться для ориентировки.

Этот искусственный горизонт создается круглым уровнем. Когда инстру­мент находится в горизонтальном положении, пузырек уровня устанавли­вается в кружке, выгравированном в центре поля зрения секстанта. При измерении высоты небесное тело приводится в положение, совпадающее с центром пузырька.

Вы не должны думать, что, изучив это краткое изложение основ аст­рономической навигации, вы уже настолько квалифицированы, что мо­жете вести свой самолет по небесным светилам. Во-первых, этот очерк дает вам только начальные понятия об астрономической навигации. Подробное

рассмотрение вопроса о гражданском и звездном времени и их отношении к часовому углу потребовало бы обширной главы. Во-вторых, я ограничился только тем, что рассказал вам кое-что о том, как пользуются звездами. Хотя солнце, луна и планеты используются в общем таким же образом, но вы должны применять указанные мною принципы, учитывая особенности движения этих небесных светил. В-третьих, даже если бы я сообщил вам все подробности относительно астрономической навигации, включая сюда подробное описание секстанта и его действия, вы все же не могли бы сколько-нибудь точно и быстро проверить свое положение, не имея большой практики. Вы понимаете, что изучение всех основ плавания по книжке еще не может дать вам квалификацию опытного пловца.

Как я и говорил вначале, единственная цель настоящей главы — послужить введением в основы, на которых построена астрономическая навигация, и дать вам и бестолковому Джо некоторое представление о том, как это старинное вспомогательное средство кораблевождения начи­нает оказывать ценную помощь при аэронавигации.

До сих пор большую роль в жизни государств играл тоннаж морских флотов. В наши дни заметное влияние на положение государства будет иметь общая площадь крыльев, помноженная на нагрузку на крыло.

22 Полеты в облака*