Краткие сведения из истории развития геодезического приборостроения
Тема 6. СВЕДЕНИЯ ОБ ОСНОВНЫХ ЭТАПАХ РАЗРАБОТКИ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
Лекция №10, 11
Из дошедших до нас сведений и исторических документов известно, что геодезическими приборами стали пользоваться в далеком прошлом, еще в XIII-XII вв. до н.э. при строительстве оросительных каналов в Вавилоне, Египте и Китае. Характерно, что средства измерений у древних служили практическим задачам их жизни и деятельности. Некоторая часть приборов, главным образом угломерных, пришла в геодезию из астрономии и мореплавания. В то же время древнейшие приборы для измерения длин, отвесы, ватерпасы возникли в связи с развитием землемерного дела. Съемки, выполнявшиеся позднее для создания карт, а также первые градусные измерения обусловили дальнейшее их усовершенствование.
Большой вклад в развитие техники землемерного дела и геодезических измерений в древние времена внесли представители арабской, греческой и римской науки. Здесь достаточно назвать работу Герона Александрийского «О диоптре» (100-й г. до н. э.), в которой он предложил угломерный прибор с диоптрами и поворотной линейкой; линейку Птолемея для измерения вертикальных углов (150-й г. до н. э.); астролябию Гиппарха с лимбом диаметром 10—20 см (130-й г. до н.э.), которая по праву считается прообразом теодолитов; римский землемерный крест для разбивки прямых углов на местности; усовершенствованный арабами для целей угловых измерений компас, заимствованный у китайцев. Приблизительно к 200-му г. до н.э. относятся выполненные Эратосфеном при помощи гномона (солнечных часов) первые инструментальные определения окружности Земли.
Примерно в 1000-м году великий ученый арабского Востока Бируни сконструировал приспособление для разделения лимбов через 5/ — прототип делительной машины. Астролябии с угломерными шкалами через 5/ широко использовались для астрономических наблюдений.
В Европе на протяжении многих веков церковь жестоко расправлялась с людьми, провозглашавшими материалистические представления о происхождении и развитии Вселенной. В XIII—XIV вв. потребности торговли и мореплавания создали предпосылки для развития картографии и астрономии. К этому времени относится появление навигационных карт. Новые познания в области физики и механики оказали влияние на развитие геодезических приборов. Для измерений совершенствуются ранее известные приборы: квадранты, кресты с диоптрами, ватерпасы, открытые сообщающиеся сосуды, астролябии, компасы, продольные и вертикальные линейки со шкалами. Около 1500 г. выдающийся итальянский ученый и художник Леонардо да Винчи предложил для компаса круглый корпус, затем сконструировал тележку для измерения расстояний, а также шагомер. Француз Фернель в 1525 г. применил мерное колесо для измерения длин при градусных измерениях, причем 17024 оборота колеса соответствовали 1°.
Во второй половине XVI в. были предприняты попытки создания на основе астролябии прибора для измерения горизонтальных углов. Одна из таких попыток описана в 1552 г. англичанином Диггсом, который впервые ввел термин «теодолит». В 1576 г. в Германии И.Габермель разработал угломерный прибор, снабженный буссолью и действовавший по принципу теодолита.
В XVI в. появились штативы для установки на местности геодезических приборов.
Около 1590 г. немецкий профессор Преториус изобрел мензулу с линейками и диоптрами, которая уже позднее стала использоваться в сочетании с кипрегелем.
Значительными открытиями в области приборостроения был отмечен XVII в. В 1609 г. великий итальянский ученый Галилео Галилей создал зрительную трубу, содержащую стеклянные линзы. В 1611 г. Иоганн Кеплер предложил два варианта зрительной трубы с сеткой нитей с прямым (земная труба) и обратным (астрономическая труба) изображением. В XVII в. стало возможным практическое применение линзовых зрительных труб в измерительных приборах. Хотя увеличение труб было невелико (от 9 до 30), начало вытеснению визирных приспособлений с диоптрами было положено.
Известные усовершенствования в области изготовления и повышения качества оптических систем зрительных труб геодезических приборов были Лесены М.Хэллом, И. Фраунгофером, П.Порро.
Примерно к этому же периоду относятся попытки усовершенствования отсчетных приспособлений. Принцип нониуса, применяемый и в настоящее время, был предложен в 1583 г. немецким математиком Клавиусом. Этот принцип был впервые реализован в 1631 г. голландцем П.Вернером под названием «верньер». Позднее, в середине XVIII в. англичанин Джесс Рамсден изобрел отсчетный микроскоп с винтовым микрометром для снятия отсчетов по лимбу.
В XVIII в. был создан улучшенный тип технического теодолита и усовершенствованы нивелиры, барометры, механические приборы для измерения длин.
В 1770 г. И. Мейер в Геттингене впервые применил круглый уровень с металлическим резервуаром для приблизительного горизонтирования прибора.
Большое значение для совершенствования геодезических приборов имели разработки новых типов осевых систем и установочных приспособлений (Борда, Репсольда, Рейхенбаха, Брейтгаупта, Гильденбранда).
В 1810 г. оптик-механик Г. Рейхенбах ввел в зрительную трубу геодезического прибора дальномерные нити для определения наклонных расстояний по вертикальной рейке. В дальнейшем предпринимались попытки использовать дальномерные нити для получения горизонтальных проложений, что привело в конечном итоге к реализации принципа Гаммера-Феннеля в конструкции номограммного тахеометра.
В начале XIX в. появились образцы оптических дальномеров с базисом прибора (безреечного типа). Дальномеры работали на принципе двойного изображения или в стереоскопическом варианте (Англия, Германия, Россия).
Парк геодезических приборов в XVII—XIX вв. в России в основном пополнялся за счет их ввоза из Западной Европы. В этот период начинали проводиться, а больших объемах угловые измерения в связи с картографированием территории России. В развитие геодезического инструментоведения как прикладной науки и создание новых геодезических приборов выдающийся вклад внесли русские ученые, инженеры, изобретатели: М.В.Ломоносов, В.Я.Струве, В.Ф.Гербст, Д.Д.Гедеонов, К.И.Теннер и др. Работы П.А.Чебышева, А.Н.Крылова заложили основы теории машин и механизмов.
Начиная с XIX в. русскими специалистами созданы оригинальные по тому времени высокоточные астрономо-геодезические приборы. Однако в условиях царской России предложения ученых и инженеров не встречали должной поддержки. Только после победы Великой Октябрьской социалистической революции организация выпуска геодезических приборов была поставлена на государственный уровень.
Производство геодезических приборов было налажено в нашей стране вскоре после подписания В. И. Лениным 15 марта 1919 г. Декрета Совнаркома «Об учреждении Высшего Геодезического Управления». В 1923 г. на базе мастерских Корпуса военных топографов создается завод «Геодезия», быстро освоивший серийный выпуск теодолитов, мензул, нивелиров, а затем — 10-секундного универсала. Другое оптико-механическое предприятие «Геофизика» с 1927 г. стало выпускать теодолит ТТ-30 с трубой, имеющей внутреннюю фокусировку, а затем в 30-х годах — оптические теодолиты ОТ и ОТ-10.
Невиданные по размаху работы по созданию астрономо-геодезической сети СССР поставили перед геодезическим приборостроением ответственные задачи по разработке и организации выпуска высокоточных геодезических приборов.
Для успешного освоения геодезических приборов необходимо было решить комплекс организационно-технических проблем. Еще в 1918 г. был организован Государственный оптический институт (ГОИ). Работами ГОИ были заложены теоретические основы оптического стекловарения, решены проблемы выпуска высококачественного оптического стекла, созданы оригинальные схемы оптических систем приборов с высоким качеством коррекции аберраций.
В 1928 г. организован Государственный институт геодезии и картографии (ныне ЦНИИГАиК), сыгравший значительную роль в создании и исследовании новых геодезических приборов, в разработке методов геодезических измерений. Первым директором и научным руководителем института был выдающийся советский ученый-геодезист профессор Ф. Н. Красовский, определивший на многие годы перспективу научных исследований в геодезии.
В 1934 г. организован завод «Аэрогеоприбор», выпустивший по техническому заданию, разработанному под руководством Ф. Н. Красовского, триангуляционный теодолит ТТ2/6, универсал АУ2/10, а позднее — высокоточный нивелир.
Уже в 30—40-е годы в мировой геодезической практике проявились тенденции, связанные с облегчением конструкции приборов и повышением удобства работы с ними. Этому во многом способствовали такие известные нововведения, как: зрительные трубы с внутренней фокусировкой, цилиндрические оси, контактные уровни, оптический микрометр с совмещенным отсчетом, тангенциальные шкалы в тахеометрах, новые виды установочных приспособлений.
Новый этап в развитии геодезического приборостроения связан с послевоенным периодом. На восстановленных и вновь построенных оптико-механических предприятиях был продолжен серийный выпуск ранее разработанных приборов, созданы новые типы геодезических приборов: нивелир с оптическим компенсатором Г. Ю. Стодолкевича, высокоточный нивелир НБ, дальномер ДНБ В. А. Белицына, кипрегель КА-2, дифференциальный дальномер ДД-2, оптические теодолиты ОТ-02, ОТС, ТБ-1 и другие приборы.
Для 50—70-х годов характерной чертой было широкое внедрение и геодезическое приборостроение достижений физики, оптики, механики, электротехники, химии, металлургии. Использование достижений науки и техники способствовало появлению компактных конструкций приборов полностью закрытого типа, приспособленных для работы в широком спектре климатических условий и обеспечивающих повышение производительности измерений. Эти особенности проявились при создании новых типов теодолитов, нивелиров и приборов для линейных измерений.
Первоначально развитие средств линейных измерений происходило в направлении усовершенствования мер механического типа. Так, с 1874 г. стали применяться стальные мерные проволоки и приспособления, разработанные шведом Иедерином. После открытия инвара в 1898 г. началось промышленное производство проволок (в основном длиной 24 м), которыми по способу Иедерина измеряли базисы в триангуляции и стороны в полигонометрии. Производство инварных проволок было освоено и в нашей стране. Для различных классов геодезических работ выпускались базисные комплекты БП-1, БП-2, БП-3. После успешного внедрения результатов научных исследований по созданию суперинвара стабильность проволок заметно повысилась; суперинварные проволоки для базисных измерений 1 класса по своим метрологическим свойствам превосходили проволоки Карпантье.
Новый этап в развитии средств линейных измерений начался с внедрением в геодезию физических принципов измерения расстояний. В 1923 г. финский геодезист Вяйселя предложил высокоточный метод измерения длин, основанный на использовании интерференции световых волн, который с тех пор стали применять в основном для целей компарирования приборов и мер с погрешностью порядка 1×10-7. В 1936 г. в ГОИ под руководством А.А.Лебедева был разработан и изготовлен первый в мире действующий светодальномер для измерений линий длиной до 3,5 км с погрешностью около 2-3 м. В 1948г. фирмой АГА (Швеция) под руководством Э.Бергстранда построена модель светодальномера для измерения больших расстояний; однако прибор был громоздким и несовершенным. К середине 50-х годов была выпущена усовершенствованная модель светодальномера NASM-2, а затем - NASM-2А.
В 1953 г. был разработан светодальномер СВВ-1 (авторы В.П.Васильев, А.Величко), нашедший широкое применение в геодезической практике для измерения расстояний до 15 км. В 1958 г. в ЦНИИГАиК под руководством В.М.Назарова был разработан геодезический светодальномер ЭОД-1 для измерения базисных сторон триангуляции и сторон полигонометрии 1 класса. В этой же группе приборов в дальнейшем (1967 г.) под руководством П.Е.Лазанова (ЦНИИГАиК) разработан светодальномер «Кварц» с гелий-неоновым лазером. Дальность действия прибора 30 км, погрешность измерений (2+2-10-6D) см.
За рубежом были созданы геодезические светодальномеры с газовым лазером Геодиметр-8 (Швеция) и Геодолит-3 (США). В 1980 г. ЦНИИГАиК завершил разработку нового геодезического светодальномера «Гранат» (взамен «Кварца») для измерения расстояний в геодезических построениях высших классов.
Для линейных измерений в прикладной геодезии в разное время проектировались светодальномеры, характеризующиеся относительно небольшой абсолютной погрешностью измерений и высокой чувствительностью индикаторных устройств. К таким приборам можно отнести светодальномер МСД-1, разработанный ВНИМИ, который в 1973 г. был модернизирован и выпускался промышленностью под шифром МСД-Ш. Дальность действия прибора 500 м, погрешность измерений 2-3 мм. Фирмой «Керн Аарау» (Швейцария) разработан для серийного производства светодальномер МЕ-3000 (типа «Мекометр») с инструментальной погрешностью 1 мм в диапазоне до 3 км. С 1979 г. в нашей стране выпускается светодальномер ДК-001 с дальностью 300 м и погрешностью измерений 0,6— 0,8 мм.
Особенно бурное развитие получили в последние годы топографические светодальномеры. Первый образец такого прибора под шифром ДСТ был изготовлен в нашей стране в 1958 г. Однако из-за недостаточной точности измерений практического применения он не получил. В 1961 г. под руководством В. Д. Большакова в МИИГАиК разработан топографический светодальномер СТ-61. В дальнейшем на его основе выпускались усовершенствованные модели (1962-1966 гг.).
В этой же группе приборов для геодезических работ были разработаны светодальномеры ТД-1 (ВНИМИ) и «Кристалл» (ЦНИИГАиК). Последний имел ту особенность, что приемный и передающий каналы были впервые совмещены. В 1965 г. в ГОИ им. С. И. Вавилова под руководством Ю. В. Попова был разработан топографический светодальномер ГД-314, в котором впервые в качестве излучателя применен полупроводниковый оптический квантовый генератор из арсенида галлия, который работает в спонтанном режиме. Дальномеры такого типа характеризуются относительно небольшой потребляемой мощностью (5— 8 Вт). На основе светодальномера ГД-314 промышленность в дальнейшем освоила серийный выпуск светодальномеров СМ-3 с дальностью 1,6 км и погрешностью порядка 2—3 см.
В ходе последующего совершенствования топографических светодальномеров отечественной промышленностью были подготовлены приборы типа 2СМ-2 с дальностью 2 км, СМ-5 с дальностью 500 м и ЗСМ-2 с дальностью до 3—5 км и инструментальной погрешностью 1 см.
Удачные примеры разработки топографических светодальномеров можно привести и для ряда зарубежных фирм и предприятий: «К.Цейсс, Иена» (ГДР), АГА (Швеция), «Оптон, Оберкохен» (ФРГ), «Вильд Хербругг» (Швейцария), «Хьюлет Паккард» и «Койфель и Эссер» (США) и многие другие. Основная масса приборов этой группы работает в диапазоне до 2—3 км и имеет инструментальную погрешность 1—2 см. Большинство современных приборов снабжено автоматической системой обработки информации с выдачей результатов измерений на табло.
Применение топографических светодальномеров позволило повысить производительность линейных измерений в заметных масштабах по сравнению со всеми известными ранее способами измерений.
Разработка радиодальномеров для геодезических целей получила современную направленность после выпуска в 1957 г. фирмой «Теллурометр» прибора конструкции Т.Уодли, работавшего в 10-сантиметровом диапазоне, радиоволн, модулированных колебаниями с частотой порядка 10 МГц. Приоритет в использовании радиоволн для измерения расстояний по праву принадлежит советской науке: идея фазового радиодальномера была предложена и впервые реализована в работах 30-х годов академиками Л.И.Мандельштамом и Н.Д.Папалекси.
В 1960 г. под руководством А.А.Генике (ЦНИИГАиК) был разработан геодезический радиодальномер ВРД 10-сантиметрового диапазона несущих радиоволн. Затем был освоен серийный выпуск дальномеров РДГ и РДГВ. В дальнейшем под руководством А.А.Генике были разработаны новые радиодальномеры «Луч» для больших расстояний и «Волна» для топографических целей. Оба прибора работают в 3-сантиметровом диапазоне радиоволн с взаимозаменяемыми станциями.
В 70-х годах начала проявляться тенденция соединять дальномерную часть в виде топографического светодальномера с теодолитом (визуальным или кодовым). В результате такого синтеза в разных странах созданы электронные тахеометры (полуавтоматические или автоматические), которые по сути своей являются универсальными геодезическими приборами. При создании автоматических электронных тахеометров используются известные технические решения, заложенные в конструкции кодовых теодолитов, ранее предназначавшихся исключительно для автоматизации угловых измерений. Многие электронные тахеометры снабжаются встроенными микропроцессорами (вычислителями).
Большое внимание в послевоенные годы уделялось автоматизации отдельных измерительных операций. В частности, много усилий было направлено на стабилизацию визирной оси нивелиров и оптического индекса вертикального круга при помощи компенсаторов.
Идея маятникового нивелира была известна еще на рубеже XVII—XVIII вв. Однако применявшиеся в прошлом маятниковые подвески нивелиров были громоздки и не обеспечивали требуемой точности измерений. Основоположником теории стабилизации визирного луча в нивелирах по праву можно считать профессора В.И.Чуриловского, который с 1937 по 1940 г. разработал несколько типов стабилизаторов, послуживших исходной основой при конструировании нивелиров.
В 1945-1946 гг. был создан и внедрен в производство нивелир с самоустанавливающейся линией визирования НС-2 Г.Ю.Стодолкевича (ЦНИИГАиК). В этом приборе был применен так называемый уровенный компенсатор; при его реализации отсчетным устройством служит индекс, роль которого выполняет изображение части контура пузырька уровня. При наклоне трубы (до 40") индекс занимает одно и то же положение относительно делений рейки, т. е. происходит компенсация влияния угла наклона оси прибора.
В последующие годы в нашей стране и за рубежом были созданы новые конструкции нивелиров с компенсаторами, которые успешно применяются и до сего времени в геометрическом нивелировании, в том числе и высокой точности, обеспечивая повышение производительности измерений до 10—12 % по сравнению с уровенными нивелирами. Заметный вклад в развитие нивелиров с компенсаторами внесли советские ученые Н.А.Гусев, И.М.Монченко, А.В.Мещеряков, М.С.Черемисин, Г.К.Бесчасный и др. Конструкции современных компенсаторов с диапазоном работы 15-30' и более применяются в нивелирах разной точности и отличаются значительным разнообразием [11, 12, 15, 40]. При конструировании теодолитов также стали отказываться от применения цилиндрических уровней при вертикальном круге и для снятия отсчетов начали вводить автоматический стабилизатор индекса. Первым теодолитом такого типа был Тп-3, выпущенный фирмой «Оптон» (ФРГ); позже (в 1956 г.) были разработаны теодолиты Тu (с оптическим микрометром) и Тt (с шкаловым микроскопом) на заводе «Аскания» (Западный Берлин). В 1960 г. на Харьковском заводе маркшейдерских инструментов под руководством А. В. Мещерякова был выпущен оптический теодолит ОМТ-30 с линзовым компенсатором, работавшим в диапазоне ±2'. В 60—70-х годах А. И. Захаровым были разработаны и освоены в серийном производстве более совершенные конструкции приборов с компенсаторами при вертикальном круге типов Т5К, Т15К, 2Т5К. За рубежом в геодезических измерениях нашли широкое применение теодолиты с компенсаторами: Тео 020 и Тео 020А (ГДР), Те-ОЗ и Те-О4 (ВНР), ТЬ-4 (ФРГ), 4149-А и 4200-А (Италия), К1-А и Т1-А (Швейцария).
Для геодезического приборостроения 70—80-х годов характерным является широкое внедрение принципов унификации и агрегатирования при выпуске новых приборов, что способствует сокращению затрат на проектирование, изготовление и ремонт приборов, улучшает их освоение и обслуживание, повышает универсальность. В результате внедрения указанных принципов были созданы серии новых приборов: 2Т - под руководством А.И.Захарова в СССР, Гео-мат А — в ГДР; отмеченные тенденции наблюдаются и в конструировании приборов фирмами «Вильд Хербругг» (Швейцария) и «Оптон» (ФРГ).
Развитие направления в геодезическом приборостроении, связанного с универсализацией приборов, было в значительной мере обязано расширению объемов работ в прикладной геодезии. При отсутствии на первом этапе становления этого направления геодезии специализированных приборов большая часть измерений выполнялась традиционными средствами, дополненными разнообразными приспособлениями.
Внедрению новых принципов в геодезическом приборостроении, совершенствованию типоразмерных рядов приборов и улучшению их качества благоприятствовало введение разработанных ЦНИИГАиК государственных стандартов, которые распространялись на основные виды серийно выпускаемых приборов.
Эффект от реализации требований стандартов, выразившийся прежде всего в упорядочении номенклатуры выпускаемых геодезических приборов, стал возможным благодаря совместным усилиям коллективов ученых и специалистов, занятых проектированием, изготовлением и применением геодезической техники. Аналогичные работы к этому времени проводились и в ряде зарубежных стран на уровне национальных и фирменных стандартов.