Текст книги "В звёздных лабиринтах: Ориентирование по небу"

Автор книги: Виктор Комаров

Соавторы: Борис Максимачев
сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 13 страниц)

Б. А. Максимачев В. Н. Комаров

В ЗВЁЗДНЫХ ЛАБИРИНТАХ

Ориентирование по небу

МОСКВА «НАУКА»

ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1978

22.6

М 17

УДК 523.8

  Максимачев Б. А., Комаров В. Н. М 17

В звёздных лабиринтах: Ориентирование по небу.– М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1978.—200 с.

50 к.

Книга знакомит читателя с картиной звёздного неба. Она помогает находить созвездия и навигационные звёзды северного и южного полушарий неба, что очень важно для морских и авиационные штурманов и космонавтов. Попутно рассказывается о достопримечательностях созвездий. Книга рассчитана на широкий круг читателей.

M 20605-136 197-78 053(02)-78 ©

Главная редакция

физико-математической литературы

издательства «Наука», 1978

ПРЕДИСЛОВИЕ

Над нами звёздное небо. Согласитесь, что мало кто из нас имеет элементарные астрономические знания о «небесной геометрии», звёздах и процессах, происходящих в них, о нашей Солнечной системе. Но сегодня человек, в какой бы самой отдалённой области науки или народного хозяйства он ни работал, должен иметь представление, хотя бы и общее, о нашей Солнечной системе, звёздах и современных достижениях астрономии, так как на протяжении всей истории человечества астрономия играла и играет большую роль в формировании научной картины мира, создании философских и мировоззренческих систем.

Когда астрофизики Академии наук СССР вышли с предложением установки телескопа «Орион-2» на борту одного из космических кораблей, нам с П. И. Климуком пришлось пройти довольно серьезный курс по астрономии и астрофизике в процессе подготовки к полёту на корабле «Союз-13», и я с уверенностью могу сказать, что при этом мой кругозор как человека и инженера, значительно расширился.

В наши дни, когда идёт интенсивное освоение космического пространства человеком и сама космонавтика становится отраслью народного хозяйства, наши представления о Вселенной непрерывно обогащаются новыми сведениями. Астрономия из науки наблюдательной превращается в экспериментальную область знания. Сегодня мы читаем и слышим о квазарах, пульсарах, нейтронных звёздах, «черных дырах» и т. п.

А ведь ещё десятилетие назад эти понятия были либо совсем неизвестны, либо доступны лишь узкому кругу специалистов. Теперь же они стали неотъемлемой частью современной астрономической терминологии.

Перед нами встала практическая проблема – как можно лучше изучить звёздное небо, узнать и хорошо изучить созвездия, опорные звёзды, маршруты переходов от одного созвездия к другому. Ведь поле зрения у нас в корабле сильно ограничено – мы смотрим в иллюминатор. Нам нужно было уверенно определять маршруты переходов от одного созвездия к другому, чтобы наиболее коротким путем прийти к заданному участку неба и найти звёзды, по которым надо было ориентировать и стабилизировать корабль, обеспечивая определённое направление телескопов в пространстве. Конечно, задача эта была не из лёгких, тем более, что объем астрономических знаний у нас перед этим, скажем прямо, ограничивался всего лишь рамками средней школы. Мы знали примерно, как найти созвездие Большой Медведицы, Малой Медведицы, Полярную звезду, ну, и ещё, в лучшем случае, созвездие Кассиопеи.

А здесь нужно было изучить около восьмидесяти созвездий. Но, главное, задача была интересная. Значительная часть нашей астрономической подготовки проходила в Московском планетарии. В этих занятиях участвовали не только П. Климук и я, но и все наши товарищи – космонавты. От звезды к звезде, от созвездия к созвездию мы распутывали лабиринты звёздных узоров, научились находить в них смысловые фигуры и нужные для нас линии направлений.

Методами астрофизики мы овладевали на теоретических занятиях и непосредственно на Бюраканской астрофизической обсерватории. Помогло нам и изучение звёздного неба с самолета, а также выезды на Байконур.

В своей подготовке мы использовали и серьезные курсы по астрономии и научно-популярные книги, среди которых особенно ценной для нас оказалась книга Ф. Ю. Зигеля «Сокровища звёздного неба».

Предлагаемая читателю книга поможет ему не только познакомиться со звёздным небом, но и научит его приёмам быстрого и уверенного отыскания созвездий и навигационных звёзд, окажет практическую помощь не только любителям астрономии, но и всем тем, кто по роду своей деятельности встречается с задачей ориентирования по звёздам,– геодезистам, картографам, штурманам, летчикам-космонавтам. В создании этой книги авторам помог опыт, накопленный в процессе занятий с космонавтами и авиационными штурманами в Московском планетарии.

Наряду со сведениями по сферической астрономии в книге дано образное, почти художественное описание созвездий, приведены рекомендации по запоминанию каждого из них, методы ориентирования. И хотя авторы не ставили целью дать подробный рассказ о различных явлениях во Вселенной, все же по ходу описания тех или иных космических объектов они совершенно правильно отметили некоторые из них в качестве достопримечательностей – без этого описание созвездий выглядело бы однообразным и неконкретным.

Для всех, кто изучает звёздное небо, важно установить какие-либо четкие ассоциации с каждым из светил – будь то сведения о блеске и расстоянии, размерах и температуре, истории изучения или связи с мифологическими событиями.

Ещё одной отличительной особенностью настоящей книги является подробное описание не только северного, но и южного звёздного неба, что может оказаться полезным для тех, кто посещает страны южного полушария.

На мой взгляд, авторам вполне удалось добиться поставленной цели и потому чтение этой книги для многих окажется не только интересным, но и полезным делом.

19 мая 1977 г.

В. В. Лебедев

Герой Советского Союза,

летчик-космонавт СССР

ВВЕДЕНИЕ

Человек в незнакомом городе. Необходимо найти кратчайший путь к определённому зданию...

Путешественник в густом лесу, протянувшемся на сотни километров, или в открытом поле. Надо не заблудиться, найти верное направление движения.

Корабль в океане, вдали от берегов. Перед капитаном и штурманом задача – определить своё местоположение на водной равнине, проложить курс к намеченной цели...

Самолет на большой высоте, над облаками, непроницаемая серовато-беловатая пелена скрывает от летчиков поверхность Земли. Но пилот все время должен знать, над какими пунктами он пролетает и привести машину к заданной точке...

Орбитальная космическая станция. Ведутся астрофизические наблюдения. Космонавты должны сориентировать станцию таким образом, чтобы измерительный прибор, например, рентгеновский телескоп, был направлен в определённую точку неба и в течение всего времени наблюдений удерживать станцию в соответствующем положении...

Все эти внешне разнородные ситуации роднит одна общая черта. Во всех перечисленных и многих других сходных случаях возникает задача: определить точное местоположение того или иного объекта в пространстве и ориентироваться относительно тех или иных направлений.

Решить эту задачу, очевидно, можно только в том случае, если имеется некоторая система отсчёта. Иными словами, определить положение в пространстве «вообще» нельзя, а можно только по отношению к каким-либо определённым объектам. Если речь идёт о наблюдателе, который находится на поверхности Земли, то такими объектами могут явиться те или иные точки или линии, неподвижно «закреплённые» на её поверхности. Именно такую роль играет хорошо всем известная система земных географических координат.

Географические координаты – это два числа, единственным образом фиксирующие положение точки на земной поверхности. Одно из них – широта – угловое расстояние (т. е. расстояние в градусах) между плоскостью земного экватора, которая делит поверхность нашей планеты на два полушария: северное и южное, и отвесной линией, проходящей через данную точку. Направление отвесной линии в данной точке Земли определяется направлением нити с грузиком на конце. Второе – долгота – угловое расстояние в плоскости экватора от некоторого меридиана, условно принятого за начальный, до меридиана, проходящего через данную точку. Обычно таким меридианом считается гринвичский меридиан, который проходит через Гринвичскую обсерваторию в Англии.

Построение системы географических координат неразрывно связано с выделением некоторых преимущественных направлений, выбор которых определяется особенностями Земли как небесного тела. Эти направления – «север – юг» и перпендикулярное к нему «восток – запад». Первое из них связано с расположением в пространстве оси вращения нашей планеты, второе – с направлением этого вращения.

Таким образом, для наблюдателя, расположенного на поверхности Земли, полная задача ориентирования заключается в определении направления «север – юг» и географических координат данной точки. Как известно, эта задача возникла перед людьми ещё в отдалённом прошлом, когда у человека появилась необходимость заниматься торговлей и мореплаванием.

Если же говорить о современной нам эпохе, то ориентирование в пространстве является неотъемлемым звеном в таких важнейших областях человеческой деятельности, как морская и воздушная навигация, космонавтика, геодезия, строительство, метеорология, всякого рода экспедиции, а также путешествия и туризм.

В частности, обеспечением движения кораблей и самолетов в соответствии с заданным курсом занимаются особые специалисты – Штурманы. Штурманская служба – одна из самых важных и ответственных профессий человечества. Первые штурманы, сведущие в астрономии, сопровождали корабли ещё в IV в. до н. э., когда египетские и финикийские папирусные корабли осваивали пути вдоль африканских берегов по Атлантическому океану. Забирались отважные мореплаватели и далеко на север к загадочной земле Туле – современной Великобритании, и эти морские экспедиции сопровождали опытные штурманы-астрономы.

Не обходился без помощи звёзд и легендарный Одиссей:

«Радостно парус напряг Одиссей и, попутному ветру

Вверившись, поплыл. Сидя на корме и могучей рукою

Руль обращая, он бодрствовал; сон на очи его не спускался

И их не сводил он с Плеяд, с нисходящего поздно

В море Боота, с Медведицы, в людях ещё колесницы

Имя носящей, и близ Ориона свершающей вечно

Круг свой, себя никогда не купая в водах Океана.

С нею богиня повелела ему неусыпно

Путь соглашать свой, её оставляя по левую руку».

Позднее астрономический способ определения координат высоко оценил великий испанский мореплаватель Христофор Колумб (1451—1506), авторитетно заявивший, исходя из собственного опыта: «Существует лишь одно безошибочное корабельное исчисление – это астрономическое. Счастлив тот, кто с ним знаком».

На первый взгляд может показаться, что нет смысла определять местоположение наблюдателя на поверхности Земли путем наблюдений за внеземными объектами. Однако в действительности это не так: некоторые особенности положения и движения Земли в мировом пространстве делают небесные светила исключительно удобными объектами наблюдений для решения задач на ориентирование.

«Единственно точной и неизменно безотказной мы считали лишь воздушную астрономию, и это целиком подтвердилось в перелёте: только она выручала нас в трудные минуты, вела и точно привела к намеченной цели»,– писал в своей книге «Покорение Северного полюса» известный штурман полярной авиации И. Т. Спирин.

А в книге А. В. Белякова «Из Москвы в Америку через Северный полюс» сказано: «... Самый важный прибор на нашем самолете – солнечный указатель курса».

Не случайно люди стали пользоваться астрономическим способом ориентирования с незапамятных времен. На протяжении многих веков небесные светила служили людям единственным средством ориентирования на местности, определения географических широт и долгот, а также измерения точного времени.

Первые таблицы положения светил были составлены Гиппархом (II в. до н.э.) – в его каталоге по некоторым данным было 850 звёзд. Птолемей (II в. н.э.) составил таблицы положений планет. Существенный вклад в развитие практической астрономии внесли арабы в XIII—XV вв. Как известно, в этот период арабские учёные много и успешно работали в области математики и её приложений. Альфонсовы таблицы, которыми пользовался Колумб в своих путешествиях, составлены в 1252 г. Толедские таблицы – в 1551 г. В том же году составлены Прусские таблицы, а Рудольфинские таблицы Кеплера в 1627 г.

Однако в более широких масштабах таблицы стали составляться в XVII в. учёными Испании, затем Англии и Голландии.

Искусство астрономического ориентирования издавна называется навигацией. Одним из первых мероприятий Петра I, мечтавшего вывести Россию на уровень передовых европейских стран, было основание в Москве, в знаменитой Сухаревой башне, школы «математических и навигацких хитростно искусств учения». Поручил он это дело одному из своих сподвижников, математику и астроному Я. В. Брюсу. Среди первых учителей этой школы был Л. Ф. Магницкий, учебник которого «Арифметика, сиречь наука числительная» стал одним из «врат учёности» М. В. Ломоносова.

Конечно, современные способы астрономического ориентирования имеют мало общего с теми, которые изучались в «навигацкой школе». Но звёзды остались те же самые, и не только современные морские и авиационные штурманы, но и летчики-космонавты ориентируются по созвездиям, воспетым поэтами древности Гомером и Гесиодом.

С другой стороны, в наше время появился ряд чисто технических средств, прежде всего радиотехнических, с помощью которых можно с большой точностью и высокой степенью надёжности не только определять положение в пространстве, но и автоматически выдерживать в процессе движения заданное направление. В современной авиации, например, одним из распространенных радионавигационных средств являются радиомаяки. Они бывают «слуховыми», когда пилот определяет курс по максимуму или минимуму передаваемого сигнала, и «зрительными», когда любые отклонения от курса вызывают соответствующие отклонения стрелки контрольного прибора.

Радионавигационные методы весьма оперативны. С момента получения информации от приборов до момента определения точки на карте проходит всего несколько минут.

Следует, однако, отметить, что в Арктике и в Антарктиде повсеместной системы земного радионаведения пока не существует.

Важное значение в современной морской и воздушной навигации приобрёл радиолокационный способ определения курса и местоположения корабля. При этом используются как радиолокационные изображения естественных очертаний берегов, так и сигналы, отраженные специальными отражателями, устанавливаемыми на берегах и на плавучих средствах.

Наряду с пассивными отражателями радиоволн применяются и активные – маяки-ответчики, которые в ответ на принятый сигнал радиолокатора посылают свой ответный сигнал, характерный для данного маяка. Подобные маяки особенно часто используются в проливах и других сложных для судовождения местах мирового океана.

В гражданской авиации получил широкое применение также метод радиолокационного наведения. Вдоль трассы через определённые промежутки устанавливаются радиолокационные станции, последовательно «передающие» друг другу летящий самолет. В случае отклонения от курса, обнаруженного одним из локаторов, на борт самолета передаются соответствующие поправки.

Полностью перешла в ведение электроники и такая традиционная астрономическая задача, как измерение и хранение точного времени. Если раньше эталоном для отсчёта промежутков времени служило вращение Земли и, следовательно, видимые суточные перемещения звёзд по небу, то созданные в последние годы атомные и молекулярные часы стали отсчитывать промежутки времени с точностью, намного превосходящей равномерность вращения нашей планеты.

В наши дни, несмотря на бурное развитие средств электроники и радионавигации, на реальные перспективы создания глобальной системы навигационных искусственных спутников Земли, астроориентировка продолжает сохранять важное практическое значение.

Прежде всего следует заметить, что в основе применения навигационных электронных устройств лежит созданная в последние десятилетия глобальная система радиомаяков и радиолокационных станций, покрывающая почти всю поверхность нашей планеты. С её помощью можно оперативно определять положение интересующего нас объекта относительно определённых фиксированных точек земной поверхности.

Но для того, чтобы эту систему можно было практически эксплуатировать, необходимо, чтобы сеть радиомаяков была привязана к системе географических координат. Иными словами, должны быть как можно более точно определены географические координаты тех пунктов земной поверхности, где установлены радионавигационные средства. Наиболее точно и надёжно это может быть сделано с помощью астрономических наблюдений.

Нужно также подчеркнуть, что современная радио-астронавигационная сеть покрывает ещё не всю поверхность земного шара. Кроме того, время от времени нарушаются условия для прохождения радиоволн в атмосфере и средства радионавигации становятся ненадёжными.

Кроме того, у астрономических методов ориентирования имеются определённые преимущества, благодаря которым эти методы, видимо, будут применяться ещё длительное время.

Первое из них – полная автономность, т. е. независимость от каких-либо береговых объектов, от системы радионавигации, а также от физических условий в атмосфере и околоземном пространстве, оказывающих существенное влияние на характер распространения радиоволн.

Второе преимущество – простота, а также сравнительная дешевизна приборов и отсутствие необходимости в источниках электропитания.

Одним из наиболее распространенных авиационных астрономических приборов является астрокомпас. Назначение этого прибора состоит в том, чтобы по наблюдению небесных светил непрерывно указывать заданный курс. Во время полёта визир остается направленным на избранное светило (Солнце, Луну, планету, астронавигационную звезду), а специальный указатель показывает курсовой угол – угол между направлением на светило и линией заданного курса. С помощью фотоэлектронной техники визир автоматически удерживает светило в поле зрения. Специальная поляризационная система позволяет удерживать визир направленным на Солнце даже тогда, когда само Солнце закрыто облаками либо находится под горизонтом. Многие астрокомпасы имеют не одну, а несколько визирных систем. Применяются автоматические дистанционные астрокомпасы, снабжённые фотоэлектрической следящей системой с круговым обзором. Эта система способна наводиться на Солнце автоматически. Особый индикатор, установленный на приборной доске, непрерывно показывает истинный курс самолета. Такие астрокомпасы нередко включаются в общий комплекс навигационных устройств и могут выдавать все необходимые навигационные элементы полёта.

Астрономические навигационные средства просты и удобны в эксплуатации. Они не зависят ни от скорости, ни от высоты полёта. Их преимущество и в том, что они, в отличие от обычного компаса, не связаны с «ненадёжным» магнитным полем Земли, которое подвержено различным изменениям, связанным с воздействием многочисленных геофизических и космических факторов.

С пятидесятых годов в морской навигации стали применяться радиосекстанты, предназначенные для измерения высот наиболее ярких радиоисточников, имеющихся на звёздном небе. Преимущество этих инструментов состоит в том, что они не зависят от условий погоды, так как радиоволны свободно проходят сквозь облачность. Однако и для этих инструментов, как и для обычных секстантов, сохраняет своё значение проблема искусственного горизонта.

Астрономические наблюдения остаются основным средством ориентирования в экспедиционных условиях, туристских походах и путешествиях. Наконец, с развитием космонавтики навигация по небесным светилам получила новую чрезвычайно важную область применения: она является одним из основных методов ориентирования в космическом пространстве.

В процессе космического полёта возникают ситуации, в которых наблюдения небесных светил играют весьма важную роль. Осуществлению различных операций, связанных с включением двигательных установок: коррекций орбиты, торможений и др. обязательно предшествует ориентирование космического аппарата в пространстве и стабилизация его в заданном положении. Это ориентирование может осуществляться по наблюдениям Солнца, Земли и какой-нибудь яркой звёзды или по наблюдению трёх специально выбранных звёзд.

В процессе космического полёта могут возникать и другие задачи, решение которых потребует наблюдений положений звёзд. В официальных сообщениях о полётах космических кораблей, орбитальных станций и космических зондов нередко упоминаются наименования «опорных» звёзд и созвездий: Вега, Арктур, Канопус, Южный Крест и др., по которым осуществляется ориентирование в пространстве и стабилизация космических аппаратов.

Н. Н. Денисов в своей книге «На берегу Вселенной» вспоминает о том, как во время длительного космического полёта на корабле «Союз-9» советские космонавты А. Г. Николаев и В. И. Севастьянов то и дело прибегали к астрономическим наблюдениям: «В россыпи звёзд они находили Вегу, Южный Крест, Альфу и Бету Центавра, Сириус, Канопус, в созвездиях Волопаса и Лебедя – Арктур и Денеб, любовались фантастическими красотами восхода и захода Солнца, наблюдали падение метеоритов. В интересах космической навигации был проделан ряд экспериментов с новейшей аппаратурой.

Так, на третий день полёта, в тот момент, когда «Союз-9» находился в тени Земли, Виталий Севастьянов нашёл звезду Вега и, используя систему ручной ориентации, соответствующим вращением корабля ввёл её по оптическому визиру в поле зрения звёздного датчика. В нём была сформулирована команда «Захват звезды», по которой Андриян Николаев осуществлял стабилизацию корабля с помощью гироскопических приборов. На 127-м витке опыт был повторен: после выполнения кораблём, сориентированным таким образом, полного оборота вокруг Земли звёздный датчик вновь «поймал» Вегу. Через несколько дней полёта – ещё один подобный опыт, но теперь уже с ориентацией на другую звезду – Канопус. Эксперимент прошел успешно: звёздный датчик, работающий на новом принципе, показал свою надёжность – в расчётное время Канопус вновь был обнаружен им ¹).

¹Денисов Н. Н. На берегу Вселенной. – М.: Машиностроение, 1970, с. 377.

А в будущем, когда космическим экспедициям придётся удаляться на значительные расстояния от Земли, астронавигация может стать едва ли не единственным способом ориентирования в космосе и определения курса в мировом пространстве. А это значит, что космонавт должен отлично знать звёздное небо, быстро и безошибочно находить нужные звёзды. Задача не такая уж простая, если учесть, что через иллюминатор космического корабля виден лишь ограниченный участок звёздного неба. К тому же корабль может вращаться, и в поле зрения одни звёзды и созвездия будут все время сменяться другими... Многие советские космонавты в процессе подготовки к полётам проходили специальную тренировку на искусственном звёздном небе Московского планетария.

Эта книга не просто познакомит читателей с различными созвездиями и достопримечательностями звёздного неба, но и поможет им овладеть приёмами быстрого и уверенного отыскания важнейших созвездий и навигационных звёзд. Она поможет всем, кто по роду своей деятельности встречается с задачей ориентирования по звёздам: геодезистам, картографам, штурманам, летчикам, космонавтам.