ОСНОВЫ ИНСТРУМЕНТОВЕДЕНИЯ

Г л а в а 1

ВВЕДЕНИЕ

§ 1. Предмет и задачи геодезического инструментоведения

Геодезическое инструментоведение — прикладная техниче­ская дисциплина, изучающая геодезические приборы, их тео­рию, устройство, методы исследований, а также правила обра­щения с приборами и ухода за ними.

В Ленинском Декрете об учреждении Высшего геодезиче­ского управления в 1919 г., наряду с другими важнейшими це­лями, указывалось на решение задачи по изготовлению и снаб­жению геодезическими инструментами и оптическими прибо­рами ведомств и учреждений страны и отмечалась важность организации научных работ не только в области геодезии, аст­рономии, картографии, но и в области оптики и геодезического инструментоведения.

Одной из важнейших задач повышения качества подготовки молодых специалистов является углубление их знаний о геодезических приборах.

Инструментоведение тесно связано с геодезией, физикой, ма­териаловедением и другими науками. Геодезическое инстру­ментоведение в своем развитии, например, учитывает требова­ния геодезии к точности, производительности и полевым экспе­диционным условиям работы приборов. В свою очередь, геодезия при разработке и выборе методов измерений, проек­тировании и организации работ опирается на достижения гео­дезического приборостроения и геодезического инструментоведения.

Современный инженер-геодезист, инженер-астроном-геодезист, инженер-исследователь природных ресурсов Земли и Ми­рового океана в том числе и землеустроитель должен хорошо знать геодезические приборы, чтобы уметь правильно их выбирать и успешно применять для данного вида и класса работ, устранять в случае необходи­мости их неисправности и участвовать в разработке новых вы­сокопроизводительных геодезических приборов.

§ 2 История развития геодезических приборов

И ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТОВЕДЕНИЯ

Трудно установить время, когда были созданы первые простейшие геодезические инструменты. Их появление относится к глубокой древности и связано с насущными потребностями материальной жизни общества. Живопись на египетских гроб­ницах свидетельствует о том, что в те времена земельные уча­стки измерялись шнуром с узлами. При сооружении каналов применялись желоба, наполненные водой, и отвесы, подвешен­ные к концам желобов. В VI в. до н. э. существовали такие крупные инженерные сооружения, как канал между Нилом и Красным морем, оросительные системы в долине Нила. Эти со­оружения не могли быть построены без соответствующих гео­дезических измерений, геодезических инструментов.

О развитии геодезических инструментов во II в. до н. э. свидетельствует сочинение Герона Александрийского «О диопт­рах», где описаны простейшие инструменты для измерения углов и нивелиры, устроенные в виде сообщающихся сосудов, заполненных жидкостью. К той же эпохе относится изобретение александрийским астрономом Гиппархом угломерного инстру­мента— астролябии (в переводе на русский язык означает «беру звезду»).

На Руси появление первых геодезических инструментов от­носится к X—XII вв. В сборнике законов Древней Руси «Рус­ская Правда», относящемся к XI в., содержатся постановления о земельных границах, которые устанавливались путем изме­рений на местности простейшими геодезическими инструмен­тами.

В X в. багдадский астроном Худжанди изобрел секстант. Выдающийся хорезмский ученый-энциклопедист Бируни в своем трактате «Ключ к астрономии» изложил метод опре­деления длины окружности Земли, написал обширный труд по топографии Средней Азии и сконструировал первую машину для деления лимбов. Универсальный прибор, заменяющий аст­ролябию и квадрант, прибор из трех соединенных между со­бой линеек для измерения углов между направлениями на не­бесные светила, был установлен в обсерватории выдающегося узбекского астронома и математика Улугбека, жившего на ру­беже XIV и XV вв.

В 1606 г. голландским мастером очков Липперсгеем полу­чена привилегия от правительства на открытие зрительной трубы. К тем же годам относится изобретение микроскопа со­временником и соотечественником Липперсгея голландцем Янсеном.

Г. Галилей изготовил зрительную трубу в 1609 г.

В 1611 г. Кеплер создал зрительную трубу с сеткой нитей. Кеплером впервые была разработана теория зрительной трубы, микроскопа и глазного аппарата — первая теория оптических приборов. «Его «Диоптрика» (1611 г.) по форме и содержа­нию,— пишет академик Г. Г. Слюсарев,— мало отличается от современных учебников по геометрической оптике...».

И. Ньютону принадлежат основные формулы параксиаль­ной оптики, формулы для вычисления сферической аберрации одной сферической поверхности и открытие дисперсии.

Л. Эйлер первым дал расчеты ахроматического объектива для зрительной трубы.

М. В. Ломоносов предложил и построил «ночезрительную трубу», рефрактометр, отражательный зеркальный телескоп и более двух десятков инструментов для мореходной астрономии, разработал научные основы цветовидения и астрофизики. Ис­пользуя свои приборы, открыл наличие атмосферы на Венере.

К. Ф. Гаусс в «Диоптрических исследованиях» (1840) за­ложил основы теории построения изображения в системе линз.

В 1662 г. французский механик М. Тевено изготовил цилинд­рический уровень, усовершенствованный английским механи­ком Д. Рамсденом и французским ученым А. Шези, применив­шими шлифовку внутренней поверхности трубки.

Приспособления для отсчитывания по шкалам появились в XVII и XVIІІ вв. Верньер изобретен в 1620 г. голландцем П. Вернье. Микроскоп с винтовым микрометром сконструиро­ван Рамсденом в XVIII в.

Дальномерные нити в зрительной трубе применены италь­янцем Монтанари в 1674 г.

Первый теодолит, принципиально похожий на современный, был создан в 1730 г. английским механиком Д. Сиссоном. В 1791 г. он был усовершенствован Д. Рамсденом, установив­шим микроскоп и окуляр, и Т. Рейхенбахом в 1812 г., приме­нившим дальномерные нити и повторительную систему.

Мензула изобретена около 1590 г. И. Преториусом. Вместо кипрегеля в то время использовалась линейка с диоптрами.

В 1643 г. итальянец Торричелли создал первый ртутный ча­шечный барометр, примененный на практике в 1647 г. Паска­лем. Около 1800 г. появился сифонный барометр. Барометр-анероид изобретен в 1847 г. Дифференциальный барометр скон­струирован в 1874 г. Д. И. Менделеевым, морской барометр — М. В. Ломоносовым в 1759 г.

Нивелиры нашли практическое применение лишь в середине XIX в. (в 1857 г. в мастерской Амслера—Лаффона построен нивелир с перекладным уровнем). Высокоточный нивелир с уровнем при трубе создан в 1890 г. русским геодезистом Д. Д. Гедеоновым.

В конце XVIII и начале XIX вв. сконструированы новые системы вертикальных осей. В тот же период русский механик И. П. Кулибин изготавливает астролябии с трубой, телескопы с отражательными зеркалами и мерные цепи.

Особое место в истории развития геодезического инструментоведения и методов геодезических измерений занимают гра­дусные измерения, проводимые в России с 1816 по 1855 г. на протяжении почти 40 лет под руководством военного геодези­ста генерала К. И. Теннера и первого директора Пулковской обсерватории академика В. Я. Струве. Дуга Струве 25°20^/ по меридиану, от берегов Северного Ледовитого океана до устья р. Дуная, протяженностью около 3000 км, измерена с наивыс­шей для того времени точностью. Градусные измерения Стру­ве—Теннера оказали решающее влияние на развитие теории и методов геодезических и астрономических работ во всем мире. К. И. Теннер сконструировал оригинальный тип базис­ного прибора, который позволял измерять базисы с точностью 1: 300 000. В. Я. Струве разработал названный его именем спо­соб измерения углов в триангуляции, создал вертикальный круг и лучший для того времени базисный прибор, применяв­шийся в течение всего XIX в. Комплект прибора Струве хра­нится в лаборатории МИИГАиК.

П. Л. Зарубиным в 1850 г. создан планиметр. Профессором физики Новороссийского университета Ф. Н. Шведовым разра­ботана система оптических дальномеров.

Как самостоятельная дисциплина геодезическое инструмен-товедение возникло в середине XIX о. в связи с быстрым раз­витием прикладной оптики и машиностроения.

Во второй половине XIX в. в Западной Европе стали быстро развиваться отрасли промышленности, занятые выпуском оп­тических и других точных приборов. Ускоренное развитие гео­дезического инструментоведения в этот период шло по двум направлениям. В связи с повышением требований к точности геодезических измерений большое внимание стало уделяться исследованиям геодезических приборов. Проводятся фундамен­тальные исследования К. И. Теннером, В. Я Струве, Ф. В. Бес­селем, С. Д. Рыльке, К А. Петерсом и другими астрономами и геодезистами. Знаменитый русский ученый Д. И. Менде­леев— создатель в 1893 г. Главной палаты мер и весов (до недавних пор - Все­союзный научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева) — внес крупный вклад в совершенствование мер длины и их эталонирования. При нем была создана пере­довая система обеспечения достоверности и сопоставимости результатов измерений, выполняемых разными лицами, прибо­рами и в разных условиях. Д. И. Менделеев по праву является основоположником метрологического обеспечения единства из­мерений.

Второе направление связано с введением элементов авто­матики, в первую очередь, обусловленное стремлением упро­стить и ускорить процесс определения горизонтальных проложений и превышений тахеометрами и кипрегелями.

Первые попытки редуцировать механическим путем наклон­ные расстояния были сделаны французами Огреве в 1800 г., Муано в 1853 г., Санге в 1865 г.

В 70—80 гг. XIX в. началось изготовление тахеометров с подвижными линейками, с тангенциальным винтом или шка­лой, устройствами для регулирования фокусного расстояния или расстояния между дальномернымн нитями (тахеометры Санге, Вагнера, Крейтера и др.) [24].

Широкое распространение получили преобразователи опти­ко-механического и оптического типа с автоматическим регу­лированием расстояний между нитями [преобразователь италь­янских инженеров Ронкагли и Урбани (1890 г.), диаграммы немецкого профессора Гаммера (1896 г.) и венгерского инже­нера Беззега (1959 г.)].

Номограммные приборы с преобразователями типа диа­граммы Гаммера выпускаются большинством западных фирм и в Украине до настоящего времени.

В 1925 г. по предложению швейцарского топографа Р. Босхардта фирмой «К. Цейсс» изготовлен редукционный тахеометр с дальномером двойного изображения. В наши дни прибор выпускается под названием Редта-002. Подобные приборы вы­пускались и другими фирмами: «Керн» — ДК-RT (!950 г.) «Вильд» — RДН (1945 г.). В СССР в 1970 г. создан новый редукционный тахеометр ТД (ТП) конструкции А. И. Заха­рова.

В конце XIX в. появились дальномеры внутрибазисные. Среди современных приборов такого типа выпускаются: BRT-006 («К. Цейсс», Йена, 1960 г.), ТВ (СССР, А. И. Захаров, 1969 г.).

Созданию современных, малогабаритных и надежных гео­дезических приборов посвятили свою жизнь многие геодезисты и приборостроители. Например, швейцарский геодезист-кон­структор Г. Вильд (1877—1951) предложил внутреннюю фоку­сировку в зрительной трубе, контактный уровень, цилиндриче­ские оси, оптический микрометр, инварные рейки. Созданный в 1922 г. фирмой «К. Цейсс» первый оптический теодолит имел стеклянные круги, впервые примененные в Чехословакии (Йозеф и Ян Фрич, 1866 г.). В конструкции теодолита были внедрены изобретения Вильда.

Несмотря на все усилия русских ученых (геодезистов и аст­рономов) и определенные успехи отдельных мастерских (при Пулковской обсерватории — с 1839 г., при Генеральном шта­бе— с 1811 г. и др.), где были созданы многие точные геодези­ческие и астрономические приборы (универсальные инстру­менты, повторительные круги, большие угломерные инстру­менты, базисные приборы, точные нивелиры и др.), а также мензулы и кипрегели, в дореволюционной России промышлен­ное производство геодезических приборов было поставлено слабо. Не изготавливалась и оптика; лишь только в 1906 г. фабрика Таубера-Цветкова провела первый опыт по изготовле­нию оптических деталей, и в 1902 г. в Межевом институте на­чинается чтение курса теории оптических инструментов про­фессором Н. М. Кисловым.

В 1910—1913 гг., когда производство геодезических при­боров в царской России достигло наибольшего расцвета, вы­пуск минутных теодолитов московскими фабриками Швабе, Цветкова-Таубера и др. вместе составлял лишь около 2 тыс, в год. Не было налажено промышленное производство опти­ческого стекла. Для точных и высокоточных геодезических ра­бот использовались приборы иностранных фирм. Даже уровни, наводящие винты, кремальеры и микрометренные винты к тео­долитам и мерные ленты ввозились из-за границы.

Благоприятные условия для развития российского гео­дезического приборостроения возникли в советской России. В 1918 г. был органи­зован Государственный оптический институт (ГОИ). В 1919— 1920 гг. освоено промышленное производство оптического стекла.

В 1923 г. были созданы заводы «Геодезия» » «Геофизика».

Основателем российской школы прикладной оптики и оп­тического, в том числе и геодезического, приборостроения по праву является проф. Н. М. Кислов, создавший капитальный труд «Теория оптических инструментов» (1915 г.).

Уже к 1926 г. были разработаны и изготовлены новые тео­долиты ТТ-1 и ТТ-30, в 1927 г. освоен их серийный выпуск. В 1928 и 1929 гг. начинается серийный выпуск десятисекундного универсала, точного нивелира и оригинального мензуль­ного комплекта «КШВ», в котором впервые применена одно­сторонняя оптическая отсчетная система.

В 1934 г. выпускаются первые образцы пятисекундного уни­версала (У-5). К 1936 г. на основе требований, установленных профессором Ф. Н. Красовским, осваивается высокоточный триангуляционный теодолит ТТ-2/6, а также изготавливается кипрегельный высотомер талантливого советского изобретателя Г. Ю. Стодолкевича.

В 30-х годах на кафедре геодезии МИИГАиК под руковод­ством профессора А. С. Чеботарева доценты А. С. Юркевич и Д.С.Шеин, в ЦНИИГАиК научные сотрудники М. В. Приданцев, Б. Н. Щербаков, Б. А. Ларин в содружестве с работниками завода «Электросталь» создали лучшие сорта инвара, перво­классные инварные проволоки и приборы для базисных изме­рений и в полигонометрии. Базисный прибор Едерина, впервые внедренный в России в 1888 г., был существенно усовершен­ствован. Создана строгая теория подвесных мерных приборов. Изучена проблема измерения длин мерных приборов методом интерференции света и разработаны оригинальные принципы устройства компараторов стационарного и переносного типов.

К тому же периоду относятся работы ГОИ им. С. И. Вави­лова по использованию физических методов измерения расстоя­ний. В 1932—1934 гг. проведены первые опытные измерения расстояний радиолокационным способом при помощи фазового радиодальномера, научные и технические основы которого были разработаны академиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. В 1936 г. в ГОИ под руководством академика А. А. Лебедева был создан первый светодальномер с интерфе­ренционным модулятором, которым можно было измерять рас­стояния 3—4 км с относительной ошибкой 1:2000. Широкое развитие приборы этого рода получили после 1948 г., когда шведская фирма АГА в Стокгольме построила геодиметр кон­струкции Бергстранда и в 1957 г. Уодли создал конструкцию теллурометра. В СССР в 1950—1960 гг. появились светодальномеры СВВ-1 В. П. Васильева, В. А. Величко; СТ-62 В. Д. Большакова, А. И. Демушкина; ЭОД-1; ГД-314 и др.

К 1938 г. был прекращен ввоз в СССР не только точных, но и высокоточных приборов. Накануне Великой Отечествен­ной войны геодезическая служба страны получила первые об­разцы отечественных оптических теодолитов.

Таким образом, к 1941 г. все топографо-геодезические ра­боты страны оснащались советскими геодезическими прибо­рами, разработку и изготовление которых пришлось вести в пол­ной изоляции. Западные фирмы, имеющие богатый вековой опыт создания геодезических приборов, держали свои теории расчетов и новые технологии в большом секрете. Решающую роль здесь сыграли труды Н. М. Кислова.

В послевоенные годы геодезическое инструментоведение и приборостроение в нашей стране и за рубежом достигли ка­чественно нового уровня развития.

Появились нивелиры с самоустанавливающейся линией ви­зирования (НС-2 Г. Ю. Стодолкевича, 1946 г.; Ni 2 фирмы «Оптон», ФРГ, 1950 г.). Созданы новые дальномеры двойного изображения (ДНБ-2 В. А. Белицина, 1950 г.; ДД-2 И. А. Грейма и Г. Г. Никифорова, 1954 г.) В теодолитах стали применяться только стеклянные круги, а вместо уровня при алидаде вертикального круга — компенсаторы (Th и Тu фирмы «Аскания», 1956 г.; ОМТ-30 А. В. Мещерякова, 1957 г.). Ори­гинальные конструкции теодолитов и нивелиров с жидкостными и другими компенсаторами разрабатываются Н. А. Гусевым. Качественному улучшению геодезических приборов в значи­тельной мере способствовали новые зрительные трубы с ахро­матическими и апохроматическими объективами, разработан­ные в 60-х годах в ГОИ им. Вавилова Д. Ю. Гальперном, Е. С. Полтыревой и О. В. Прониной, и новый способ нанесе­ния штрихов на шкалах и лимбах методом напыления хрома в вакууме, разработанный на одном из заводов отечествен­ной приборостроительной промышленности.

Внедрение лазеров, электронных микромодулей и других средств новой техники ознаменовало собой качественный ска­чок в развитии приборостроения в целом и геодезического при­боростроения в частности.

Разработка и выпуск советских геодезических приборов и развитие геодезического инструментоведения связаны с деятелыюстью институтов: ГОИ им. С. И. Вавилова, МИИГАиК, ЦНИИГАиК, ВНИМИ и др.; ряда производственных предпри­ятий и организаций и с именами Н. М. Кислова, Ф. Н. Красовского, А. С. Чеботарева, Б. В. Фефилова, А. Н. Ширяева, В. А. Белицина, Г. Ю. Стодолкевича и др.