Первые оптические приборы, для измерения дистанций в морской и береговой артиллерии пытались внедрять ещё в середине 19-го века. Но эти попытки упирались в сложность серийного производства, хрупкость оптики, в её неприспособленность к работе с палубы. Для дальномеров отечественной разработки, дополнительным препятствием была слабость оптической промышленности царской России. Настоящая эпоха инструментального измерения дистанций, для морской артиллерии, наступила лишь в последнее десятилетие 19-го века.
До того, относительно широкое распространение получили лишь крепостные дальномеры береговой артиллерии, поскольку сложной оптики не требовали, обходясь подзорной трубой, а габариты самих крепостей позволяли разносить угломерные посты таких дальномеров на расстояния в километр и более, настолько далеко, что для получения данных с постов уже требовались переговорные трубы и семафоры (прожекторные), позднее внедрялась телефонная связь и электро-механические приборы - замер автоматически телеграфировался на другой пост, где приёмный механизм ставил стрелку "часов" на нужное деление на циферблате угломера.
По принципу работы, каждый угломерный пост замерял, всего лишь, точное направление от себя на цель, затем данные двух постов объединялись, получая треугольник, математическое пребывание на одной из вершин которого не сулило вражескому кораблю ничего хорошего. Первым таким дальномером в России был горизонтально-базовый дальномер Петрушевского, созданный ещё в конце 1860-х годов.
- в галерее ниже - более поздний прибор Лауница обр 1903-го года, такого же типа
- направление на цель засекается при помощи подзорной трубы, линейки устанавливаются по данным со второго поста, получаемым по телефону:
Подвидом таких дальномеров был вертикально-базовый, например, дальномер Прищепенко принятый на вооружение в Российской Империи с 1881-го года, где угломерный пост мог быть один, замеряющий угол с высоты над уровнем моря до корабля-цели.
Опыт крепостной артиллерии дал определённый задел и для морских дальномеров, хоть сами их на кораблях применить было и невозможно. Нет, конечно, угломерные посты на кораблях помещались бы без всяких проблем, но вот строить корабли таких размеров, чтобы дать угломерным приборам достаточную горизонтальную или вертикальную базу, было бы, мягко говоря, накладно, не говоря уже о влиянии качки на точность измерений. Собственно, опыт береговой артиллерии заключался в механизации и телефонизации передачи информации от поста к посту и от постов к артиллерии, и, в конечном итоге, управлении огнём артиллерийских батарей крепости или корабля как единого целого, а не отдельных орудий, зависимых от глазомера и навыков каждого наводчика.
Простой, дешёвый и компактный. Микрометры для военно-морского флота.
Микрометр, как наиболее ранний массовый дальномер, наглядно показывает, что для военно-морской оптики нужно было не столько изобретение дальномера, сколько возможность его производить и применять.
Первый патент на микрометр был получен в 18-м веке, а принципы его работы восходят ещё ко временам Галилео Галилея, но лишь с появлением надёжно работающей и точной механики в серийном производстве и качественного оптического стекла, в последние десятилетия 19-го века, прибор стал пригоден к массовому производству. Его быстрому распространению способствовали небольшие размеры и стоимость микрометров.
Даже в исходном своём виде, микрометр конструкции Люжоля, первым поступивший на вооружение Русского Императорского флота в 1882-м году, был достаточно лёгким и компактным, чтобы пользоваться им с рук. Разумеется, для точности и удобства измерений предпочтительно было жесткое основание.
Конструктивно, микрометр - это астрономическая подзорная труба, линза-объектив которой разделён надвое по вертикали и помещён в две отдельные оправы. Одна из оправ закреплена неподвижно, вторая же может наклоняться. Прибор использует оптические свойства линз - каждая из половинок даёт полное изображение предмета, но, пока они стоят в одинаковом положении, оператор видит лишь одно изображение, потому что они, целиком, накладываются друг на друга. При известном фокусном расстоянии у прибора, он мог использоваться для измерения угла зрения на предмет (корабль, в данном случае), при известном габарите предмета. Высотой самого наблюдателя над уровнем моря - палубы/мостика корабля, с которого производится измерение - принято было пренебрегать, для упрощения расчётов, погрешность считалась незначительной.
Микрометр Люжоля имел только одну измерительную шкалу - с углом зрения на наблюдаемый предмет, получаемым из положения линз-полуобъективов. Чтобы его получить, оператор микрометра сдвигал линзу до тех пор, пока не получал два изображения стоящих прямо друг над другом. Зная высоту объекта - до верхушек мачт или труб наблюдаемого корабля - и измерив угол зрения, можно было рассчитать расстояние до наблюдаемого объекта.
Прибор требовал не только знания размеров наблюдаемого предмета, но и дополнительной работы с таблицами. Этот недостаток был устранён офицером царского флота Мякишевым, доработавшим прибор в 1898-м году установкой барабана со связанными шкалами дальностей и размеров. Теперь, при измерении, оператор микрометра сразу видел и расстояние до цели, не тратя времени на таблицы. Также, при известной дистанции, возможно было измерить высоту наблюдаемого предмета. Несмотря на некоторое усложнение конструкции, микрометр остался компактным и лёгким, ручным, по корабельным меркам, прибором.
- хотя инициалы изобретателя в работе Лемтюжникова не указаны, вероятно, это Андрей Константинович Мякишев - участник Русско-Японской, капитан 2-го ранга, флагманский артиллерист 1-й Тихоокеанской эскадры, погиб на борту броненосца Петропавловск в 1904-м году, при подрыве корабля на мине
Помимо микрометров Люжоля и Люжоля-Мякишева, существовали и другие вариации данного прибора (Фуэсса, Веймута-Кука и более поздние модификации микрометра Люжоля-Мякишева), но, на кораблях Русского Императорского флота вплоть до начала Русско-Японской войны, в основном применялись именно микрометры Люжоля и Люжоля-Мякишева. Также, именно микрометр был самым массовым типом дальномерного прибора, применявшимся на всех кораблях царского флота и, зачастую, бывшим единственным дальномером на борту корабля, только эскадренные броненосцы, к 1904-му году, в обязательном порядке получали более крупные и сложные горизонтально-базовые оптические дальномеры.
Эффективная дальность работы прибора, в литературе, оценивается до 30 кабельтов (5,56 км), но сильно зависит от видимости на море и качки. Принцип работы прибора делал неустранимой ошибку возникавшую при неверном определении типа корабля.
После массового внедрения монокулярных и стереоскопических горизонтально-базовых дальномеров, микрометры ещё довольно долго оставались вспомогательными оптическими приборами на военных кораблях царского и даже, до 1930-х годов, советского флота.
- за ссылку на работу Лемтюжникова "Дальномеры. Теория и устройство" издания 1929-го года особо благодарю комментатора Олега Каждана
- в издании 1938-го, того же Лемтюжникова "Элементарный курс оптики и дальномеров" микрометров уже не было
- в разделах ниже иллюстрации из работ Лемтюжникова будут идти без отдельной подписи, там, где качество изображений недостаточное, дополнительно использованы фотографии из подборки рекламных буклетов фирмы Барр и Струд в ЖЖ vova_modelist
Оптические горизонтально-базовые дальномеры. База внутри, дальномерщик снаружи.
Главным отличием оптических горизонтально-базовых дальномеров от крепостных горизонтально-базовых, было то, что базой для измерения углов выступал сам прибор. Другое их наименование - самобазные или дальномеры с внутренней базой.
- монокулярный горизонтально-базовый дальномер фирмы Барр и Струд с базой в 4,5 фута (1,37 метра) тип FA (применялся в период русско-японской войны) и его устройство:
- второй окуляр прибора - видоискатель, вес дальномера - 22 кг, полный вес на установке - 108 кг, увеличение дальномера (кратность) - 26, искателя - 4
По принципу работы, они делились на монокулярные типа "совмещение" (от английского и немецкого "coincedence" и "Koincidenz") и стереоскопические, использовавшие свойство человеческих глаз определять глубину изображения - стереоскопическое зрение - и ровно также "обманывавшие" человека отдельными картинками для каждого глаза, как, например, современные VR-очки.
"Хитростью" совмещающего дальномера было неполное воспроизведение изображения, поступавшего с каждого из зрачков-объективов прибора на его единственный окуляр половинками*, которые и требовалось совместить.
- как правило половинками, были и другие варианты деления и расположения картинок, но "половинки" оказались наиболее удобным, для наблюдателей-дальномерщиков решением и применялись повсеместно
При правильном сложении картинок, у совмещающих дальномеров, производилось измерение дальности по шкалам прибора.
Стереоскопические дальномеры, помимо того, что выдавали полное изображение на каждый глаз, имели в оптической системе две прозрачные пластинки с нанесёнными на них метками, расположенные перед окулярами с учётом фокуса прибора так, чтобы эти метки соответствовали видимому оператором изображению. Задача дальномерщика - выставить главную метку (ромбик или треугольник на рисунках ниже) так, чтобы видимое расстояние до неё соответствовало расстоянию до наблюдаемого объекта.
Вне зависимости от конкретного принципа работы, главной характеристикой горизонтально-базового дальномера была длина базы, при условии, что оптико-механическая часть настроена и работает правильно, без искажений. Чтобы этого добиться, ещё на самых первых приборах, с базой менее полутора метров, вводились детали и составлялись инструкции для самовыверки прибора и устранения ошибок. Сами же приборы исполнялись тщательно и продумано, вплоть до отдельных внешнего и внутреннего остовов, где внутренний был, насколько это возможно, изолирован от нагрузок на внешний.
Люди и расстояния.
Потому, немалую роль играл человеческий фактор. И он же был главным отличием двух типов дальномеров.
Иметь хорошее и одинаковое для обоих глаз зрение для дальномерщика, работающего со стереоскопическим дальномером, было желательно, но обязательным требованием, для точности измерений, было не здоровье оператора, а точная настройка прибора под него - от расстояния между глазами, до диоптрий, к которым прибор также мог приспосабливаться, при, например, астигматизме у дальномерщика, он должен был не списываться на берег, а работать в правильно подобранных очках. Проще говоря, оптические данные глаз дальномерщика должны были быть точно известны, в противном случае расчёт дальномерного поста ожидал увлекательный сеанс полевого осмотра и диагностики глаз, с применением офтальмологического прибора в полтонны весом.
У дальномеров совмещающего типа не было принципиальных проблем с использованием прибора любым человеком, имеющим хотя бы один глаз, но зависимость от зрения дальномерщика была прямой и его недостатки не могли быть устранены настройкой прибора. Именно от остроты зрения зависела точность совмещения изображений, а значит и точность измерения расстояний. Как несложно догадаться, даже 28-кратное увеличение прибора, на дистанциях 10-20 км, не гарантировало от ошибки при совмещении изображений. При ничтожно малых погрешностях самих приборов ( в 1916-м году фирмой Барр и Струд заявлялась погрешность всего в 200 метров на 10-15 км, в зависимости от длины базы), на первый план выходили их обслуживание, настройка и, собственно, работа дальномерщика.
Функционально, стереоскопические дальномеры давали больше возможностей, поскольку позволяли не только определять дальность до постоянно видимого объекта, но и, например, наблюдать разрывы снарядов в ходе пристрелки, видя их расположение относительно цели, для чего могли использоваться вспомогательные метки ("усы"), давая примерные числовые данные о величине перелёта или недолёта. Однако, были и более требовательны к навыку оператора.
Первый совмещающий дальномер был разработан в 1888-м году британскими профессорами Арчибальдом Барром и Уильямом Струдом, и представлен, как опытный образец для британского же флота, в 1891-м году. Флоту понравилось, последовал заказ на небольшую партию и соответствующие ассигнования на производство. Из крупных производителей дальномеров в начале 20-го века, только сами Барр и Струд были изобретателями, получившими заказ на свои приборы, все прочие фирмы получали заказы на дальномеры уже имея капитал и производственную базу. Но и британские профессора опирались на развитую британскую промышленность и гарантированный заказ и, потому, своё малосерийное производство развернули быстро, за считанные годы догнав такого крупного производителя оптики как фирма Цейсса (создана ещё в 1850-е годы) по объёмам и качеству оптики и электромеханики для флота и армии. Как и с микрометрами, всё упиралось не в оригинальное изобретение, а в возможность его воплотить в серийном производстве.
Серийные стереоскопические приборы появились позже, когда опыт производства дальномерной оптики и механики позволил массово и без дефектов производить настолько точные приборы. Хронологически, сама их разработка, на фирме Цейсса, отстала от проекта британских профессоров всего на несколько лет (первый образец в 1893-м году), но на кораблях они стали появляться только к концу первого десятилетия 20-го века. Хоть фирма Цейсса и разработала стереоскопические дальномеры, она производила и совмещающие, поскольку, как и говорилось выше, техническая точность измерений у двух типов приборов определялась длиной базы, а не принципом работы.
Время и пушки.
Очень грубо, корабельные дальномеры можно поделить на "поколения" по длине базы. С той, конечно, поправкой, что приборы с меньшими базами продолжали использоваться как вспомогательные или на кораблях меньших классов, резерва и т.д., а приборы с большей могли выпускаться, но ожидать "своего" корабля (это стало проблемой, когда дело дошло до 6-8 метровых приборов).
Так, 4,5 фута/1,4 метра производились ещё до начала русско-японской и продавались Барром и Струдом по всему миру, в результате чего, смотрели друг на друга с палуб русских и японских броненосцев, различаясь лишь небольшими модификациями.
Трёхметровые или девятифутовые (2,74 метра) дальномеры Цейсса и, соответственно, Барра и Струда (и аналоги других фирм) - это период вплоть до начала Первой Мировой и её первого года, из-за сравнительно медленно разворачивающегося производства ещё более сложных приборов, их замена шла медленно и, в первую очередь, на кораблях "владычицы морей" и "хохзеефлотте", а также новейших дредноутов их союзников, оставляя прочие корабли стоять в очереди за новинками. Например, броненосцы главных сил французского флота только в 1915-м сменили девятифутовые на пятнадцатифутовые, хотя новые французские дредноуты успели получить свои 15 футов ещё на этапе строительства.
Чтобы обеспечить работу приборов на разных дистанциях, на них была введена переменная кратность увеличения - в 14 или 28 раз. По сути, объективы или телескопы, обеспечивавшие увеличение изображения, начиная с этого поколения почти не менялись и, позднее, выпускались уже с расчётом на взаимозаменяемость между приборами с разной базой. Шкалы приборов размечались до 200-250 (37-46 км) кабельтов, такое впечатляющее удаление было не избыточной амбицией производителя, а, скорее, предназначалось для навигации по береговым ориентирам.
Собственно, 15-тифутовые (4,57 метра) и их аналоги от Цейсса можно назвать ещё одной отличительной чертой дредноутов, хотя самые первые корабли этого условного класса, их получили уже после постройки. Это дальномеры периода первых лет Первой Мировой.
Сменяли их уже приборы с базой в 6-8 метров, из-за огромного размаха, требовавшие, в обязательном порядке, отдельных боевых рубок или установок. Вариант открытого размещения на тумбе даже не рассматривался, хотя и 5-метровые/15-тифутовые, на практике, так не размещались.
Дополнительной особенностью дальномеров этого и большей части предыдущего поколений была прямая связь с системой управления огня на корабле. Данные замеров передавались с дальномера прямо на центральный пост корабля или в башенную установку.
- на схеме и фото - башенные установки линкора (супердредноута, калибр орудий 15 дюймов/380-мм) Баден с 8-миметровым дальномером Цейсса
Следующим шагом были 9-10 метровые, появившиеся в межвоенный период и применявшиеся в годы Второй Мировой. Этим приборам довелось работать и в сопряжении с первыми корабельными РЛС.
Но это уже совсем другая история...