Zarys historii nawigacji. 2013r.

Wstęp

Nawigacja jest tak stara jak życie na ziemi. Sporo gatunków zwierząt miało już swoje wrodzone zdolności nawigacyjne. Chociażby ptaki, z naszymi bocianami na czele. Człowiek nieświadomie zaczął uczyć się nawigacji od momentu wypraw na polowania. Potem były wyprawy wojenne i handlowe. Już w starożytności byli pierwsi podróżnicy, którzy opisywali swoje wyprawy. Określali kierunki przemieszczani się. Zaczęły powstawać pierwsze plany, a po nich mapy. W ich efekcie rozwinęła się kartografia, która połączyła się z chronologią, czyli kalendarzem i czasem.

Poruszanie się lądem nie stanowiło dla człowieka większych problemów. Powodem były liczne charakterystyczne punkty, które stanowiły i stanową punkty orientacyjne. Wystarczyło tylko zapamiętywać je poruszając się w przód i odnajdywać je poruszając się wstecz. Tak czynili pierwsi myśliwi. Przy okazji tworzyły się ścieżki, które z czasem przekształcały się w szlaki. Już wówczas nieświadomie określali kierunki świata; tam gdzie wschodzi słońce – wschód, tam gdzie zachodzi słońce – zachód, połowa dnia, słońce najwyżej – południe, połowa nocy – północ. Kierunki świata określane na podstawie słońca stawały się istotne w chwili zagubienia się, lub przemieszczania się po terenach pustynnych, sawannowych lub podobnych (wieczna zmarzlina). Każdy, kto zapuszczał się bardzo daleko od domu był uważany za odważnego. Odległości dalekich wypraw liczyli ilością dni potrzebnych do pokonania danej trasy. Te wyprawy wzbogacały społeczności o kolejne informacje, a w zasadzie o wiedzę.

 

Początki żeglugi

Człowiek stosunkowo szybko opanował nawigowanie po lądzie. Dużo dłużej trwało opanowanie nawigowania na akwenach. O ile człowiek stosunkowo szybko nauczył się budować łodzie i z nich korzystać, to długo trwało zanim wypłynął daleko w morze. Współczesne pokolenia dobrze wykorzystywały rzeki i charakterystyczne punkty orientacyjne przy brzegach.

W starożytności ludzie nie oddalali się daleko od brzegów, chcąc cały czas mieć na widoku charakterystyczne punkty na lądzie. A gdy ich nie było, to ci, którzy byli na brzegu palili ogniska, które miały dawać jak najwięcej dymu, który był punktem orientacyjnym.

Po Morzu Czerwonym łodzie pływały znacznie wcześniej, nim wzniesiono piramidy. Większe łodzie (statki) na Morzu Śródziemnym i w Zatoce Perskiej pojawiły się około 7 000 lat p.n.e. Przeważnie były to statki rybackie, lecz niektóre już służyły handlowi, a czasami ich załogi trudniły się rozbojem.

Morza, na których pojawiły się te pierwsze okręty, były morzami śródlądowymi, gdzie wiatry wieją zmiennie i gdzie często całymi dniami trwa śmiertelna cisza. Dlatego rozwinęły się statki, których napędem były wiosła, które poruszali wioślarze. Często byli oni niewolnikami, jeńcami lub więźniami, czyli galernikami. Takie statki w chwili zbliżania się złej pogody natychmiast płynęły do portu.

Lecz poruszanie się na otwartych akwenach wodnych było sporym wyzwaniem. Najwięcej doświadczenia ludzkość uzyskała w basenie Morza Śródziemnego. Płynąc wzdłuż brzegu docierano do miejsc po przeciwnej stronie. Opisywano szlaki i punkty orientacyjne. Zdobytą wiedzę przekazywano z pokolenia na pokolenie. Z czasem obierano kursy w poprzek morza, kierując się stronami świata, które wyznaczano na podstawie słońca. Bodźcem do rozwoju żeglugi, a przy niej nawigacji, był transport morski. Bo zorientowano się, że transport statkami wyposażonymi w żagle był tańszy i szybszy od transportu lądowego. A przede wszystkim wymagał angażowania mniejszej liczby ludzi i całkowicie wyeliminował zwierzęta pociągowe. Już tutaj mamy do czynienia z zależnością koszt-efekt. Owszem, angażowano mniejszą ilość ludzi, ale oni musieli posiadać znacznie większą wiedzę, właśnie w temacie nawigacji. Kolejnym etapem było opanowanie żeglugi podczas nocy.

 

Kreteńczycy

Zgodnie z poznaną historią Kreteńczycy byli pierwszą społecznością, która opanowała w nowoczesny sposób żeglugę morską. Panowanie na morzu należało do Krety na przełomie III i II tysiąclecia p.n.e.. Mniej więcej do VII wieku p.n.e. Kreta była wówczas centrum wymiany handlowej na Morzu Śródziemnym. Lecz z uwagi na mocniejsze ludy semickie rozwój imperium Kreteńskiego został zahamowany. Do dnia dzisiejszego Kreteńczycy podkreślają swoją odrębność od innych narodów, nawet Greckiego, w państwie, w którego są granicach.

Bezpośrednimi spadkobiercami Kreteńczyków stali się Achajowie z Grecji Mykeńskiej, których ekspansja morska rozpoczęła się w XV w. p.n.e., gdy załamała się potęga Krety. Statki pod egipską banderą penetrowały wówczas głównie wody Morza Czerwonego.

 

Fenicjanie (Kananejczycy)

Bardziej znani są Fenicjanie. Wraz z upadkiem kultury mykeńskiej pod koniec II tysiąclecia p.n.e. na morzu rozpoczął się okres panowania Fenicjan, którzy do dziś noszą miano najlepszych żeglarzy starożytności. Znana była powszechnie starożytnym ich odwaga i przedsiębiorczość, które skłaniały ich do żeglugi po otwartym oceanie i odkrywania nowych lądów. Przodowali oni w budownictwie okrętowym, dzięki czemu mogli się przemieszczać po całym basenie Morza Śródziemnego. Fenicjanie, jako lud semicki osiedlił się na nadbrzeżnych terenach dzisiejszego Libanu i Syrii, od ok. III tysiąclecia p.n.e. Fenicjanie nazywali siebie Kananejczykami. Za nazwą tą przemawia też określenie w języku hebrajskim „kena'ani”, które przyjęło wtórne znaczenie jako „kupiec”. Ponieważ mieszkali w miastach-państwach, między innymi w Sydonie, stąd w Starym Testamencie często występują pod nazwą Sydończyków. Fenicjanie byli dobrymi żeglarzami, ale dopiero po upadku kreteńskiej potęgi laur pierwszeństwa przeszedł na Fenicjan (po XII w. p.n.e.). Fenicjanom przyznaje się odkrycie i wprowadzenie do użytku wielu wynalazków. Na przykład; wynalazek pieniądza, obróbka metali kolorowych, czy obróbka szkła. Jednak wydaje się, że głównym osiągnieciem Fenicjan jest rozpropagowanie tych wynalazków. Trudniąc się handel przewozili srebro, cynę, ołów, miedź i złoto. Fenicjanom przyznaje się wynalazek pisma sylabowego, które pozwoliło im na utrwalanie informacji w tej postaci, a dodatkowo rozpropagowali je. Fenicjanie najpierw dotarli na Cypr, a później na Sycylię, Maltę, Sardynię, Korsykę, aż po Afrykę Północną (Kartagina) i Gadessa (dziś Kadyks) w Hiszpanii. Później Fenicjanie, a właściwie Kartagińczycy, opłynęli Afrykę, odkryli Wyspy Kanaryjskie i Maderę, najprawdopodobniej również Azory i Wyspy Zielonego Przylądka. Istnieją przypuszczenia, że Kartagińczycy dotarli do wybrzeży Brazylii. Jeśli tak, to musieli znać zjawisko pasatu północno-wschodniego, który przez znaczną część roku wieje w kierunku południowo-zachodnim, czyli w kierunku wybrzeży brazylijskich. Również dzięki temu wiatrowi Krzysztof Kolumb dotarł z Wysp Kanaryjskich do wysp środkowoamerykańskich.

Grecy, Fenicjanie, a następnie Kartagińczycy byli pierwszymi, którzy nawigowali w nocy. Nawigowanie w nocy oznaczało, że mogli wyruszać w wyprawy trwające kilka dni, a potem nawet kilka tygodni. Oznaczało to również, iż potrafili na podstawie położenia słońca i gwiazd określać swoje położenie, a przede wszystkim wyznaczać kierunki świata. W ten sposób stworzyli nawigację, którą określamy jako nawigacja zliczeniowa. Oni pierwsi zbierali informacje o stałych wiatrach i prądach morskich. O zjawiskach pogodowych niebezpiecznych i przyjaznych. Mając własne pismo, byli w stanie zapisywać te informacje i przekazywać następnym pokoleniom.

Pierwsi żeglarze cumowali swoje łodzie w naturalnych zakolach rzek lub na mieliznach. Łodzie były lekkie, więc zwykle wyciągano je na brzeg. W miarę zwiększania się wielkości jednostek i odległości, na jakie je wysyłano, a także wymagań im stawianych, zaczęto naturalne przystanie zagospodarowywać do pełnienia funkcji bezpieczniejszych portów. Tak powstawały pierwsze porty, których wielkość zależała od ilości obsługiwanych jednostek. Dla większych jednostek organizowano kotwicowiska umieszczone w zatokach. W miarę rozwoju żeglugi te pierwsze porty rozbudowywały się. Budowano baseny portowe, wznoszono budynki administracji portowej, arsenały, magazyny, latarnie morskie, mury warowne w celu ochrony od strony lądu.

Fenicjanie byli pierwszymi wielkimi morskimi architektami świata starożytnego. Założone, jako szereg punktów postojowych przystanie z czasem pod ich rządami stawały się świetnie prosperującymi koloniami. Warto zaznaczyć, że Fenicjanie na swoje siedziby wybierali miejsca z reguły podobne do ich ojczystych terenów.

 

Rzymianie

Z czasem Kartagina rywalizująca z Rzymianami utraciła palmę pierwszeństwa. Podejrzewa się, że Rzymianie przejęli całą wiedzę Kartagińczyków o żegludze i nawigacji i dalej ją rozwinęli. Podaje się, iż Rzymianom zawdzięczamy pierwsze księgi opisujące znane szlaki morskie. Opisali w nich punkty orientacyjne, kotwicowiska, kolejne porty, zatoki i strefy niebezpieczne. Podawali orientacyjne odległości między nimi. Księgi te nazywamy Periplus (gr. περίπλους, w tłumaczeniu dosłownym żeglować wokół). Jednak pierwszy znany taki rękopis powstał około IV wieku p.n.e. Nosi nazwę „Periplus Pseudo-Scylaxa” i opisuje wybrzeże Półwyspu Iberyjskiego i Apenińskiego, został napisany przez Fenicjan. W I wieku p.n.e. powstał dokument „Periplus Maris Erythraei”, który opisuje wybrzeże Morza Czerwonego i Oceanu Indyjskiego, a został napisany przez greckiego kupca. Lecz faktem jest, że Rzymianie opracowali tych ksiąg dużo, a na ich bazie powstały dzisiejsze locje dla akwenów całego świata.

Pomijając Morze Czerwone, które niczym szczególnym się nie wyróżnia, to pierwszym morze opanowanym całkowicie przez człowieka było Morze Śródziemne. Dokonali tego Rzymianie, którzy już w I wieku p.n.e. potrafili po nim żeglować z portu początkowego do docelowego bez zawijania do portów pośrednich. Bez wątpienia przyczyniły się do tego księgi Periplus, a także wolny, ale systematyczny rozwój pomocy nawigacyjnych. Opanowano Morze Czarne. Stopniowo żeglarze zapuszczali się na Morze Północne i Bałtyckie.

Mapa Świata Ptolemeusza z 160r. Zdjęcie z Wikipedii.
Mapa Świata Ptolemeusza z 160r. Zdjęcie z Wikipedii.

 

Log.

Pierwszą taka pomocą nawigacyjną był Log (od ang. log, kloc, kłoda, polano). Log określa prędkość poruszania się jednostki pływającej, a przez to przebytą drogę. Składał się on z drewnianego klocka z przyczepioną do niego linką, na której w jednakowych odległościach były zawiązane węzły. Klocek wyrzucano za burtę i liczono przesuwające się węzły od klocka, który działając jak hamulec oddalał się, w jednostce czasu. Ilość policzonych węzłów była jednostką prędkości. Czas mierzono przy pomocy klepsydry. Dlatego do dnia dzisiejszego prędkość jednostek pływających, a także latających podaje się w węzłach (knot), czyli milach morskich na godzinę.

Log w muzeum w Paryżu. 2007r. zdjęcie Wikipedii.
Log w muzeum w Paryżu. 2007r. zdjęcie Wikipedii.

 

Busola i kompas.

Magnetyt to minerał z gromady tlenków, zaliczany do grupy spineli (żelazowych). Należy do minerałów bardzo pospolitych i wyjątkowo szeroko rozpowszechnionych. Własności fizyczne kawałków magnetytu odkryto stosunkowo wcześnie. Jedną z istotnych jego cech jest ustawianie się według linii sił ziemskiego pola magnetycznego. Figurki wykonane z magnetytu zawieszone na nitce zawsze wskazywały północ. Takie figurki wykonywano w Chinach. Przypuszcza się, że z Chin trafiły do Europy. Lecz kamień magnetis był już znany starożytnym Grekom. Nazwa pochodzi od dawnego greckiego miasta Magnesia (obecnie Manisa), dziś na terenie Turcji. Termin magnes wprowadzono w 1845 r. (W. Haidinger). Więc możliwe, że odkrycia te były niezależnie. Magnetyt oprawiano w drewno i kładziono na wodę. Taki przyrząd ustawiał się w kierunku północnym. W XIII wieku (około 1200r.) włoscy żeglarze zastąpili pływającą „igłę” nowym przyrządem. Było to pudełko z drewna bukowego z zamkniętą wewnątrz igłą. Stąd pochodzi nazwa busola. Buk po łacinie to „buxus”. Nieco później pod igłą na dnie pudełka umieszczono podziałkę w stopniach. Pozwoliło to nie tylko wyznaczać kierunek północny, ale także i kierunki pośrednie. Taki przyrząd nazwano kompasem (od włoskiego „compaso” – podziałka). W topografii przyjęto rozumieć kompas, jako pudełko z podziałką w stopniach, zawierające zawieszoną igłę magnetyczną. Natomiast busola to pudełko z igłą magnetyczną i podziałką oraz wyposażone w urządzenie służące do celowania, pomagające wyznaczyć azymut. Może to być np. ruchomy pierścień z muszką i szczerbinką. Czasami w pokrywie busoli umieszczane jest lusterko, które pomaga w jednoczesnym celowaniu i kontrolowaniu wskazań igły magnetycznej.

Busola 2005r.
Busola 2005r.

 

Mapy żeglarskie. Mapy nawigacyjne.

Pierwsze mapy żeglarskie powszechnego użycia pojawiły się w czasach Rzymskich. Nazywane były mapami rumbowymi. Ich podstawą były kierunki świata rozrysowane na róży wiatrów. Róża wiatrów, a praktycznie okrąg wokół niej, została podzielona na 32 części, zwane rumbami. Nie znano wówczas stopni, czyli podziału okręgu na 360 stopni. Prostsze mapy miały podział na 8 lub 16 rumbów.

W XII wieku (Średniowiecze) pojawiają się dokładne mapy żeglarskie zwane mapami kompasowymi. Przyczynkiem do ich powstania było pojawienie się busoli, która była dużo prostsza do użycia niż igła magnetyczna oprawiona w drewno.

 

Róża wiatrów podzielona na 32 rumby.
Róża wiatrów podzielona na 32 rumby.

 

Mapy kompasowe, nazwane później nawigacyjnymi, stanowią efekt doświadczeń wielu pokoleń, zdobytych w czasie licznych podróży morskich po Morzu Śródziemnym i przyległych wodach Atlantyku. Żeglarskie mapy kompasowe, sporządzane zwykle dla potrzeb żeglugi morskiej, pierwotnie nie posiadały siatki kartograficznej złożonej z południków i równoleżników. Charakterystyczną ich cechą były linie kierunkowe rozchodzące się promieniście (zgodnie z różą wiatrów) od ważnych punktów, którymi były duże miasta lub duże porty. Linie te tworzyły charakterystyczną siatkę. Linia brzegowa, a przez to kształt lądów był przedstawiony stosunkowo wiernie. Płynąc zgodnie z tą siatką docierano do celu bez potrzeby żeglowania wzdłuż brzegów.

Fragment Atlasu Katalońskiego z 1375r. Jest to przykład mapy kompasowej. Zdjęcie z Wikipedii.
Fragment Atlasu Katalońskiego z 1375r. Jest to przykład mapy kompasowej. Zdjęcie z Wikipedii.

 

Na typowe mapy nawigacyjne musimy poczekać do wielkich odkryć geograficznych oraz rozpowszechnienia papieru i druku. A także powstania znanej nam współcześnie siatki geograficznej.

 

Laska Jakuba

Levi ben Gerson (matematyk i astronom) w 1321r. stworzył przyrząd nazwany Laska Jakuba (Jakuba ze Starego Testamentu), który służy do pomiaru wysokości w geodezji i astronomii, a w konsekwencji w żeglarstwie. Laska Jakuba jest to przyrząd nawigacyjny w postaci prostej listwy z ruchomą poprzeczką i skalą kątową, stosowany do mierzenia kątowej wysokości ciał niebieskich nad horyzontem. Patrząc wzdłuż laski należało przesuwać poprzeczkę do momentu, aż jej dolny koniec wskazał linię horyzontu, a górny gwiazdę stałą. Miejsce poprzeczki wskazywało na skali wysokość kątową. Przyrząd został wyparty w XVII wieku przez sekstant.

Laska Jakuba
Laska Jakuba

Wielkie odkrycia geograficzne

Z takim bagażem wiedzy rozpoczęła się era wielkich odkryć geograficznych. Wielkie odkrycia geograficzne to popularne określenie odkryć geograficznych dokonanych przez europejskich żeglarzy w okresie 1450r.-1650r.. Do najważniejszych należą; Opłynięcie Przylądka Dobrej Nadziei przez Diasa (1488r.). Dotarcie do Ameryki przez Krzysztofa Kolumba (1492r.). Podróż Vasco da Gamy do Indii (1498r.). Podróż dookoła świata Ferdynanda Magellana (1519r.-1522r.). Erę wielkich odkryć kończy odkrycie Australii. W ich następstwie doszło do dalszego rozwoju podróży, podejmowanych w ramach rywalizacji portugalsko-hiszpańskiej, z udziałem Francji, Anglii i Holandii. W okresie wielkich odkryć nastąpiło czterokrotne rozszerzenie horyzontu przestrzennego oraz całkowita zmiana dotychczasowych wyobrażeń o liczbie, rozmiarach, rozmieszczeniu lądów i oceanów na kuli ziemskiej. Także o wymiarach Ziemi, większych od przyjmowanych od czasów Klaudiusza Ptolemeusza. W ślad za odkryciami nastąpił rozwój kartografii. Całkowitej zmianie uległ kartograficzny obraz Ziemi. W wydanych w XVI w. we Flandrii atlasach (Ortelius, Merkator) zupełnie zrewidowano mapy Ptolemeusza. Przewrotem w kartografii było wydanie wiernokątnej mapy świata Gerarda Merkatora. W 1525r.. Philipp Apian podał metodę wyznaczania długości geograficznej za pomocą odległości kątowej gwiazd stałych od Księżyca, co uważa się za początek nowożytnych pomiarów geograficznych. Ogłoszenie teorii heliocentrycznej budowy układu planetarnego Mikołaja Kopernika oznaczało zmianę poglądów na miejsce Ziemi w kosmosie i zerwanie z nauką Ptolemeusza. Nastąpił początek geografii nowożytnej. Co ważne, te odkrycia nie spowodowały upadku religijnego spojrzenia na świat, a wręcz przeciwnie utrwaliły to spojrzenie. Wyobrażenia Ziemi snute na podstawie Biblii uległy radykalnej zmianie, lecz co istotne nie podważyły ani jednej joty w niej zawartej. Samej geografii nadal brakowało podstaw teoretycznych. Ograniczała się do zbierania faktów, za czym nie nadążał rozwój wiedzy o zjawiskach fizycznych. Cele poznawcze schodziły na dalszy plan. Wielu okryć dokonywano przypadkowo. Pamiętajmy, że głównym motorem tych podróży była chęć bogacenia się (nowa droga do Indii). Aby przywieść jeszcze więcej towarów, tańszym transportem morskim i wzbogacić się. Aby założyć nowe kolonie i praktycznie okradać tubylców. Wielkie odkrycia geograficzne pchnęły rozwój cywilizacji do przodu, jednocześnie zniewoliły nowe rejony świata. Rozpoczął się okres wielkiej kolonizacji, w której przodowali początkowo Portugalczycy i Hiszpanie, później dołączyli do Holendrzy, Anglicy i Francuzi. Dotychczasowe Średniowieczne potęgi handlowe, takie jak miasta włoskie czy hanzeatyckie, zaczęły tracić na znaczeniu, a zyskiwały ośrodki takie jak Kadyks, Sewilla, Lizbona, Antwerpia. Był to początek nieodwracalnych zmian historycznych, których efekty widoczne są do chwili obecnej.

Mapa Świata Orteliusa z 1570r. Zdjęcie z Wikipedii
Mapa Świata Orteliusa z 1570r. Zdjęcie z Wikipedii

 

Wielkie odkrycia geograficzne potwierdziły empirycznie, że ziemia jest kształtem zbliżona do kuli. Jednym z efektów był niezwykły rozwój kartografii. Pojawiły się nowe mapy i atlasy.

Holenderski geograf Gerhard Kremer (zwany Gerhardem Mercatorem) opracował sposób przeniesienia powierzchni Ziemi na wnętrze cylindra, który po rozłożeniu stał się płaskim arkuszem mapy. Dzięki takiemu odwzorowaniu zarówno południki i równoleżniki, jak i linia stałego kursu (loksodroma), są liniami prostymi. Do dziś takie odzwierciedlenie jest często stosowane w mapach morskich i mapach poglądowych. Choć współczesne mapy lotnicze są wykonywane przez rzutowanie na wewnętrzną powierzchnie stożka.

 

Astrolabium

Kiedy na początku XVI wieku Magellan wyruszał w swoją ostatnią podróż, Tycho Brahe skonstruował astrolabium, dla nawigatorów bardziej przydatne od Laski Jakuba.

Astrolabium znane było przypuszczalnie już w II wieku przed nasza erą. Podstawową częścią astrolabium była mosiężna okrągła płyta, na której wyryto linie wysokości ciała niebieskiego nad horyzontem, linie azymutu i koła godzinne. Przez środek płyty przechodziła linia oznaczająca północny biegun nieba. Tak, więc astrolabium odwzorowuje sferę niebieską na powierzchni płaskiej. Jest to swego rodzaju astronomiczny kalkulator, wykorzystywany na przykład do określania godziny wschodu czy zachodu Słońca, albo innej gwiazdy, do konwertowania współrzędnych gwiazd z jednego systemu na inny (poziomego, równikowego, ekliptycznego), albo do określania azymutu, wysokości, rektascensji i odchylenia gwiazd. Kiedy instrument wisiał spokojnie, zero skali pokrywało się z horyzontem. Należało tylko wycelować strzałkę w żądane ciało niebieskie i odczytać kąt. Prawdopodobnie w VIII wieku astrolabia do żeglugi pierwsi używali arabowie. Astrolabium używał Mikołaj Kopernik. W okresie wielkich odkryć geograficznych astrolabia zostały udoskonalone w kierunku określenia położenia obserwatora, a więc do nawigacji. W XVIII wieku astrolabium przekształciło się w sekstant, powszechnie znany, jako przyrząd nawigacyjny. Astrolabia są budowane do czasów obecnych. Niestety oprócz funkcji ozdobnych są wykorzystywane we wróżbiarstwie.

Astrolabium Perskie z XVII wieku. 2005r. Zdjęcie z Wikipedii
Astrolabium Perskie z XVII wieku. 2005r. Zdjęcie z Wikipedii

 

Klepsydra i chronometr.

W nawigacji okazało się, że wiedza, co do dokładnego czasu jest niezwykle istotna. Z różnych sposobów pomiarów czasów; słoneczny, świecowy, do żeglarstwa trafił zegar wodny zwany klepsydrą, zamieniony później na klepsydrę piaskową. Konstrukcja znana była już na 1500 lat p.n.e. Klepsydra składa się z dwóch, zazwyczaj szklanych baniek, z czego jedna znajduje się dokładnie nad drugą, połączonych rurką przepuszczającą określoną ilość wody lub piasku w określonym czasie. Znane są klepsydry odmierzające od kilkudziesięciu sekund do doby. Problem jednak w tym, że klepsydra mierzy tylko jedną jednostkę czasu, np. przysłowiową godzinę. To nie wiemy, kiedy minęło 15 minut. W XVIII wieku zbudowano pierwsze chronometry, które wyparły niedokładne klepsydry. Dzięki chronometrowi także zwiększyła się precyzja nawigacji. Pierwszy chronometr zbudował John Harrison w 1761r., angielski cieśla i zegarmistrz samouk. Ten chronometr można było użyć na statkach, Umożliwiło to rozwiązanie problemu określania długości geograficznej. Dzięki swej konstrukcji Harrison zdobył nagrodę parlamentu brytyjskiego w wysokości 20 000 funtów za rozwiązanie tego problemu.

 

Sekstant

Sekstant jest przyrządem nawigacyjnym używanym do chwili obecnej. Jest optycznym przyrządem nawigacyjnym. Jest także nazywany kątomierzem lusterkowym. Podstawową częścią przyrządu jest wycinek jednej szóstej koła. Stąd nazwa przyrządu. Najczęstszym zastosowaniem sekstantu jest określenie astronomicznej pozycji obserwowanej na podstawie pomiaru wysokości Słońca z kulminacji - tj. o godzinie 12 w południe czasu słonecznego, astronomicznej linii pozycyjnej na podstawie pomiaru wysokości Słońca i czasu (UTC) pomiaru lub określenie pozycji na podstawie pomiarów wysokości gwiazd rano i wieczorem - np. określenie szerokości geograficznej z pomiaru wysokości Gwiazdy Polarnej.

Pomiar za pomocą sekstantu polega na wycelowaniu lunetki na horyzont i obracaniu ruchomym ramieniem (alidadą) do momentu, kiedy obraz obserwowanego ciała, odbity w dwu zwierciadłach (ruchomym i nieruchomym podzielonym na połowy: przezroczystą i odbijającą), pokryje się z horyzontem widzianym przez przezroczystą część zwierciadła. Kąt odczytuje się na skali wygrawerowanej na limbusie przy pomocy noniusza lub śruby mikrometrycznej. Rzeczywista wysokość jest dwukrotnie większa od kąta przesunięcia alidady, dlatego – aby uniknąć konieczności mnożenia wyniku przez dwa – podziałka jest dwukrotnie zagęszczona. Tym samym zakres pomiarowy sekstantu wynosi 2 × 1/6 kąta pełnego, czyli 120°.

Pomiarów dokonuje się z dokładnością do 0,1 minuty kątowej. W astronawigacji pozwalałoby to teoretycznie na oznaczenie położenia statku z dokładnością do 0,1 mili morskiej czyli 185 metrów. W praktyce, ze względu na szereg czynników wpływających na dokładność pomiaru, ostateczna dokładność jest kilkanaście razy gorsza. Sekstant, podobnie jak i cała astronawigacja, istnieje do dziś w prawie niezmienionej formie. Opracowywano nowe, doskonalsze tablice astronomiczne, pojawiały się nowe metody obliczeniowe, ale zasada wyznaczania pozycji obserwowanej pozostawała ta sama.

Sekstant jest przyrządem wykorzystywanym w astro-nawigacji i należy do dokładnej nawigacji. Ma jednak te poważną wadę, że nie można jej wykorzystać przy złej pogodzie. Astro-nawigacja obecnie jest bardzo rzadko stosowana. Czasami jest wykorzystywana w lotnictwie wojskowym przy dalekich przelotach samolotów bombowych lub rozpoznawczych (zwiadowczych) nad obcym obszarem.

Sekstant 2005r. Zdjęcie z Wikipedii
Sekstant 2005r. Zdjęcie z Wikipedii

 

Nawigacja zliczeniowa

Nawigacja zaliczeniowa w historii ludzkości bardzo się zmieniła i udoskonaliła, choć jest mniej dokładna od astro-nawigacji. Jednak umożliwia określenie pozycji przy złej pogodzie. W XIX wieku drukowano już bardzo dokładne mapy i atlasy. Zawierały już one stałe prądy morskie i typowe wiatry w danym rejonie. Obecnie nawigacja zliczeniowa jest nadal stosowana, a to za sprawą żyroskopu, o czym poniżej.

 

Żyroskop

Żyroskop swoją historię zaczął od dziecięcej zabawki zwanej bąkiem. Żyroskop jest to urządzenie wynalezione przez francuskiego fizyka Jeana Foucaulta w 1852r. i służy do pomiaru, a także utrzymywania położenia kątowego. Działa ono w oparciu o zasadę zachowania momentu pędu. W centralnym miejscu znajduje się stosunkowo ciężki krążek, który jest zawieszony w podwójnej ramce, czyli przegubie Cardana. Krążek raz wprawiony w szybki ruch obrotowy zachowuje swoje początkowe położenie osi obrotu, z małymi ruchami precesyjnymi które nie są zależne od położenia ramki. Drobne ruchy precesyjne są uwzględniane podczas obliczania kierunku ruchu lub są eliminowane przez tłumienie. Krążek w ramce musi mieć dużą prędkość obrotową, a także być dobrze łożyskowany. W tym celu można użyć łożysk olejowych lub użyć sprężonego powietrza. Można także użyć pola magnetycznego w próżni. Tak skonstruowany żyroskop po nadaniu ruchu krążkowi np.: 24 tysięcy obrotów na minutę wskazuje stały kierunek w przestrzeni z błędem nie większym niż 1° na 14 miesięcy działania w naszym przypadku. Aktualnie stosowane są dokładne żyroskopy laserowe.

W oparciu o żyroskop zbudowano żyro-kompas. Potem były pierwsze autopiloty i bezwładnościowe układy nawigacyjne.

Najprostszy żyroskop o trzech stopniach swobody
Najprostszy żyroskop o trzech stopniach swobody

Początki nawigacji lotniczej

Początki nawigacji lotniczej wiążą się z początkami komunikacji lotniczej realizowanej przy pomocy sterowców, czyli aerostatów z własnym napędem. W dniu 9.08.1884r. w Chalais-Meudon kpt. Charles Renard i kpt. Arthur Krebs pokonali 7 600 m trasę sterowcem La France z prędkością niemal 20 km/h (5,5 m/s). Sterowiec o wydłużonym kształcie miał podwieszoną gondolę, na końcu której był zamocowany silnik elektryczny o mocy 6,6 kW ze śmigłem. Statkiem kierowano za pomocą steru. Od tego momentu nastąpił szybki rozwój tych konstrukcji w Europie i USA. Problemów w nawigacji nad lądami praktycznie nie było. Należało tylko dobrze rozpoznać warunki pogodowe i posiadać dobre mapy. Korzystano z dobrze widocznych z powietrza szlaków kolejowych, rzek, miast i miejscowości (z charakterystycznymi budowlami). Na sterowcach montowano urządzenia łączności oraz aparaty fotograficzne, co pozwoliło na zebranie sporych doświadczeń. Problemy zaczęły się z chwilą pierwszych przelotów z Europy do USA nad Atlantykiem. Wówczas szeroko wykorzystano doświadczenia żeglugi dalekomorskie. Często na pokładach sterowców w załogach znajdowali się oficerowie nawigatorzy żeglugi morskiej. Seria katastrof sterowców wypełnionych wodorem spowodowała likwidację komunikacji przy pomocy sterowców.

 

Latarnie morskie oraz latarnie lotniskowe i trasowe.

Latarnia morska to znak nawigacyjny w postaci charakterystycznej wieży umieszczonej na brzegu lub wodzie (latarniowiec) wysyłający sygnały świetlne. W dawnych czasach ogień rozpalany był także na skałach lub unoszony za pomocą żurawia. Czasem wysyła także sygnały radiowe (radiolatarnia). W czasie mgły może wysyłać sygnały dźwiękowe.

Latarnie morskie istniały już w starożytności. Opisy pierwszych kolumn, na których rozpalano ogień pochodzą z 400r. p.n.e.. Najbardziej znana była latarnia na wyspie Faros z około 280r. p.n.e.. Na terenie Polski najstarsze wzmianki o rozpalaniu ognia na brzegu (Garnek Wulkana) pochodzą z ok. 1070r. Często do tego celu wykorzystywano istniejące obiekty np. na Helu pierwszą latarnią był ogień rozpalany na wieży kościoła. Osobą obsługującą latarnię morską był latarnik.

Skuteczności latarni morskich postanowiono wykorzystać także w lotnictwie. Pierwsze latarnie lotniskowe pojawiły się 20-tych latach XX wieku. Prawie natychmiast (głownie w USA) zaczęto stosować latarnie trasowe, czyli umieszczone na trasach przelotu samolotów między lotniskami. Latarnie lotniskowe i trasowe miały określoną charakterystykę; intensywność światła, barwa światła, cykl błysków (zależny od szybkości obrotów reflektora), dodatkowe oświetlenie wskazujące maksymalną wysokość budowli. Oświetlenie było już elektryczne. Same budowle zwykle miały konstrukcję kratownicową, stalową. Wysokość od 15 m do 30 m (czasem 50 m), zależna od ukształtowania terenu. Ich wadą była niedostateczna widoczność lub jej brak w złych warunkach pogodowych. Dodatkowo, wprowadzane nowe samoloty latały wyżej i szybciej. Lata 40-te to schyłek tego typu nawigacji. Niektóre z tych masztów, z uwagi na solidność konstrukcji, zostały wykorzystane w systemach radionawigacyjnych. Aktualnie latarnie lotniskowe i trasowe nie są używane, niemniej jednak oświetlenie ścieżki schodzenia i DS. jest pokłosiem tych pierwszych latarni lotniskowych.

Parę zdań na ten temat jeszcze zamieszczam poniżej.

 

Fale elektromagnetyczne

Odkrycie, a następnie zbadanie i wykorzystanie fal elektromagnetycznych jest największym krokiem milowym w nawigacji. Najpierw powstało radio, które przyczyniło się do rozwoju łączności. Niemal równolegle, przez przypadek wykryto, że jeśli miedzy nadajnikiem, a odbiornikiem pojawi się odpowiedni obiekt, to przerwie on odbiór sygnału przez odbiornik. Tak narodziła się radiolokacja. Sposób określania położenia okrętów na zasadzie odbioru fal radiowych odbitych od kadłuba został opatentowany w 1904r. Równolegle z rozwojem łączności radiowej rozwijała się technika radionamierzania.

Początku wykorzystania fal radiowych w nawigacji należy szukać w pierwszej połowie XIX wieku. Wówczas to rozwinął się telegraf i telefon. Szczególnie telegraf przyniósł znaczące odkrycia, że przewodem przekazującym energie elektryczną może być ziemia i woda. Zanim poruszę kolejne wynalazki i urządzenia ułatwiające nawigację muszę przytoczyć kilkanaście dat i odkryć;

W 1879r. Brytyjczyk David Edward Hughes zaobserwował, że iskry elektryczne powodują trzaski w słuchawce telefonicznej odległej nawet o kilkaset metrów.

W 1880r. amerykański profesor John Trowbridge wykorzystując przewodnictwo wody osiągał połączenia pomiędzy statkami i stacjami brzegowymi.

W 1882r. Dolbear otrzymuje patent na „bezprzewodowy indukcyjny system nadawania i odbioru” wykorzystujący cewkę indukcyjną i słuchawkę. Patent ten został potwierdzony w 1886r.

W 1882r. Nathan B. Stubblefield demonstrował bezprzewodowy przekaz głosu na odległość kilometra wykorzystując przewodnictwo gruntu. Na swój wynalazek otrzymał w 1907r. patent.

W 1885r. Thomas Alva Edison opatentował system łączności poprzez indukcję elektrostatyczną pomiędzy dwiema stacjami zawierającymi anteny umieszczone na masztach. Wynalazek opatentował.

W 1888r. Hertz wytworzył, przesłał na odległość i wykrył fale radiowe o długości około 5 i 50 cm. Stwierdził, że odbijają się od różnych przedmiotów i ogniskował je za pomocą reflektorów.

W 1890r. Angielski inżynier John Ambrose Fleming opublikował artykuł opisujący działanie lampy elektronowej, tak zwanej diody.

W 1890r. Nikola Tesla opatentował swój transformator, który stanie się podstawą wielu wczesnych radiowych urządzeń nadawczych.

W 1891r. Francuski fizyk Édouard Branly skonstruował koherer, urządzenie umożliwiające wykrywanie fal radiowych.

W 1893r. Tesla prowadzi badania nad bezprzewodowym systemem przekazywania informacji. Obiektem była zdalnie sterowana łódź pływającą po rzece Hudson.

W 1894r. Oliver Lodge w trakcie publicznych wykładów kilkukrotnie demonstruje układ do radiowej transmisji informacji z odbiornikiem opartym o koherer. W trakcie prezentacji używał również alfabetu Morse'a.

W 1896r. Po Tamizie pływa zdalnie sterowana radiowo łódź zbudowana przez Wilsona i Evansa.

W 1897r. Marconi otrzymuje brytyjski patent na swój bezprzewodowy system telegraficzny. Po raz pierwszy demonstruje publicznie swoje urządzenia. Na Kanale Bristolskim uzyskuje łączność na odległość około 36 kilometrów. Uzyskuje poparcie ważnych brytyjskich instytucji: poczty i marynarki.

W 1897r. Lodge patentuje zasady dostrajania nadajnika i odbiornika do tej samej częstotliwości. To fundamentalna podstawa transmisji radiowej. Rozwijają się także systemy antenowe.

W 1900r. Tesla zaproponował system wykrywania ruchomych obiektów za pomocą fal radiowych (radar).

W 1901r. Landell de Moura, brazylijski ksiądz, po raz pierwszy demonstruje publicznie radiową transmisję głosu ludzkiego (na odległość 8 kilometrów, w São Paulo).

W 1904r. Inżynier Christian Hülsmeyer patentuje w Anglii okrętowy system unikania przeszkód i nawigacyjny oparty na urządzeniu wykorzystującym odbicie fal radiowych (radarze) nazwany Telemobiloscope.

W 1904r. Marconi podpisał umowę z liniami żeglugowymi Cunard Line na wyposażenie ich statków w radiotelegraficzne systemy łączności.

W 1904r. amerykański inżynier Frank Sprague wynalazł obwód drukowany.

W 1904r. amerykański inżynier Harry Shoemaker skonstruował torpedy sterowane radiowo.

W 1905r. Fessenden uruchomił pierwszy kanał radiowy – radiofoniczną transmisję mowy i muzyki.

W 1906r. amerykański fizyk Lee de Forest wynalazł triodę, trójelektrodową lampę elektronową posiadającą możliwość wzmacniania sygnału. Umożliwiła ona gwałtowny rozwój techniki radiowej i na pół wieku stała się podstawą elektroniki.

W 1907r. Duńczyk Valdemar Poulsen przeprowadził transmisję muzyki za pomocą swojego nadajnika iskrowego o mocy 1 kW i antenie o wysokości 60 m. Była słyszalna w odległości 600 km.

W 1910r. W.R. Ferris po raz pierwszy przesłał radiotelegram z samolotu.

W 1910r. T. Baker demonstruje metodę przesyłania obrazu fotograficznego za pomocą radiotelegrafii.

W 1911r. A. Blondel demonstruje samolot zdalnie sterowany radiowo.

W 1912r. Sinding i Larsen przeprowadzili radiową transmisję sygnału telewizyjnego używając trzech kanałów: jednego dla dźwięku, drugiego dla obrazu i trzeciego dla synchronizacji.

W 1913r. Zostaje uruchomiona transmisja stałych sygnałów czasu z wieży Eiffla dla celów nawigacji morskiej.

W 1914r. Hammond wykorzystuje pętlowe anteny kierunkowe do budowy radionamiernika dla celów nawigacji morskiej.

W 1915r. Spółka AT&T przesyła ludzki głos drogą radiową przez Atlantyk. Sygnał nadawany z Waszyngtonu był słyszalny na Hawajach i w Paryżu.

W 1919r. Robert Watson-Watt opatentował radar krótkofalowy.

W 1919r.  Pittsburgu (USA) rozpoczęto pierwsze regularne nadawanie programu radiowego.

W 1920r. C.E. Prince zainstalował nadajniki radiotelefoniczne na samolotach.

 

Jak można zauważyć, w ciągu około 50 lat, rozwój elektroniki wykorzystującej fale radiowe szedł w wielu kierunkach, zagospodarowując takie dziedziny jak; łączność (telefon, telegraf, radio, telewizja), sterowanie bezprzewodowe (obiekty pływające i latające), wykrywanie (stacje radiolokacyjne) i nawigacja (określanie pozycji).

 

Pierwsza nawigacja lotnicza

Od razu trzeba zaznaczyć, że nawigacja lotnicza niezwykle dużo przejęła z nawigacji morskiej.

Na przełomie XIX/XX wieku lotnictwo było na początku swojej kariery. Na niebie królowały sterowce. Pierwszy udany samolot pojawił się w 1903r., lecz już w 1910r. były ich dziesiątki. Niemniej dalekie przeloty wzbudzały sensacje jeszcze w 30-tych latach XX wieku. Lotnicy komunikacyjni szczycili się ilością przelecianych kilometrów. Kto pokonał 500 000 km lub 1 000 000 km był uznawany za wysokiej klasy fachowca. Do ataku zarazy niemieckiej na Rzeczypospolitą (1.09.1939r.) kilku Polskich lotników mogło się poszczycić pokonaniem 1 000 000 kilometrów.

Nawigacja lotnicza polegała głównie na czytaniu mapy i obserwowaniu ziemi. Wykrywano charakterystyczne elementy widoczne z powietrza, jak; rzeki i jeziora, charakterystyczne wzniesienia, miejscowości, kościoły, zamki, stacje i linie kolejowe oraz szosy.

 

Wielkie pionierskie przeloty

Wielkie pionierskie przeloty to okres w rozwoju lotnictwa od 1919r. do 1939r., kiedy to powtórnie zaraza niemiecka wszczęła kolejną już druga wielką wojnę światową. W okresie tym cywilizacja zdołała spenetrować, przy pomocy samolotów (wodno-samolotów) około 10 najważniejszych dalekich szlaków komunikacyjnych. Wytyczone zostały główne szlaki; Z Anglii przez Ocean Atlantycki do USA i Kanady. Z Europy na Bliski Wschód. Z Anglii do Afryki Południowej, wschodnim i zachodnim wybrzeżem Afryki. Z Anglii do Australii przez Indie, Malaje i Indonezję. Z USA przez Hawaje, Fidżi do Australii. Wewnętrzna trasa USA (Nowy York, Chicago, San Francisco). Z Europy przez Zachodnią Afrykę i Ocean Atlantycki do Ameryki Południowej i dalej na południe oraz na północ do USA. Z Europy przez państwo moskiewskie do Japonii. Z Japonii przez Alaskę do USA. Do tego dolicza się penetracje obu biegunów Ziemi.

Wielkie pionierskie przeloty dwudziestolecia międzywojennego
Wielkie pionierskie przeloty dwudziestolecia międzywojennego

 

Radiostacja

Radiostacja to zestaw urządzeń służących do nadawania i/lub odbierania sygnałów radiowych. Podstawowe elementy to; nadajnik, odbiornik i antena. Układów może być wiele tak jak i zastosowań. Najbardziej znanym układem jest rozgłośnia radiowa z nadajnikiem i anteną nadawczą oraz słuchacz z anteną odbiorczą i odbiornikiem radiowym. Uproszczoną wersją radiostacji są radiotelefony. Radiostacje dzieli się na: radiostacja nadawcza, radiostacja odbiorcza, radiostacja nadawczo-odbiorcza. Zasięg radiostacji, tj. odległość, w jakiej mogą być odbierane sygnały nadawane przez radiostację, zależy od mocy nadajnika i czułości odbiornika, parametrów anteny nadawczej i odbiorczej, zakresu używanych fal, propagacji, na którą mają wpływ zakłócenia przemysłowe, pogoda, pora roku i dnia, ukształtowanie i pokrycie terenu oraz wiele innych czynników.

Pierwsze radiostacje nadawczo-odbiorcze wykorzystujące alfabet Morse’a instalowano na sterowcach, które mogły zabrać na pokład stosunkowo ciężką aparaturę, a i wykonywały dalekie przeloty. Radiostacje te służyły głównie do łączności, a pośrednio do nawigacji.

Nadawcza Radiostacja Transatlantycka Babice-Warszawa. 1935r. Jedna z największych i najnowocześniejszych na świecie. Nadawała audycje radiowe dla Polonii w USA. Widać 10 masztów antenowych o wysokości 128 m każda, długość anteny 3 700 m. Więcej w artykule Lotnisko Bemowo.
Nadawcza Radiostacja Transatlantycka Babice-Warszawa. 1935r. Jedna z największych i najnowocześniejszych na świecie. Nadawała audycje radiowe dla Polonii w USA. Widać 10 masztów antenowych o wysokości 128 m każda, długość anteny 3 700 m. Więcej w artykule Lotnisko Bemowo.

Radionamiernik i radiolatarnia

Radionamiernik to odbiornik radiowy z obrotową anteną kierunkową umożliwiający wyznaczenie kierunku, z którego dociera do niego fala radiowa emitowana przez radiolatarnię. Kierunek na radiolatarnię określa się przy minimum słyszalności sygnału. Nowoczesne radionamierniki są w pełni zautomatyzowane, same dostrajają się do częstotliwości słyszanej radiolatarni, dokonują pomiaru i wyświetlają jego wynik.

W 1906r. opracowano koncepcję radiolatarni nawigacyjnej z obrotową wiązką. W 1929r. zbudowano pierwszą użytkową radiolatarnię nawigacyjną w Orfordness, pracującą na falach średnich.

Z czasem radiolatarnie zaczęto umieszczać w wieżach latarni morskich. Stały się przydatne w momencie znacznego pogorszenia warunków atmosferycznych. Także ich zasięg był dużo większy.

Pierwsze radiostacje na samolotach pojawiły się w 1918r. i służyły głównie do nawiązywania łączności. Z uwagi na dużą ich masę były montowane na pokładach dużych samolotów. Jednak postęp w tej dziedzinie był tak duży, że radiostacje służące do łączności, montowano na pokładach samolotów myśliwskich.

Po wielkiej wojnie światowej cywilna komunikacja lotnicza zaczęła się rozwijać. Z początku w postaci stałych połączeń pocztowych, później także pasażerskich i transportowych. Pierwsze międzynarodowe połączenie pasażerskie utworzyła w 1919r. firma Farman na trasie Paryż - Londyn.

Przewozy pocztowe, ze względu na swój pionierski charakter na dalekich trasach, miały największy wpływ na rozwój konstrukcji lotniczych i pomocy dla nawigacji. Kilka, do dnia dzisiejszego istniejących firm lotniczych zaczynało od przewozu poczty.

W USA budowę jednolitej lotniczej sieci radiowej zapoczątkowało utworzenie organizacji ARINC (Aeronautical Radio Inc. 2.12.1929r.). Do jej zadań należy utrzymanie i rozwój naziemnych systemów radionawigacyjnych i łączności.

Z powodu wielkich odległości między portami lotniczymi, w dziedzinie nawigacji preferowano raczej metody prowadzenia po drogach lotniczych. Równolegle ze stawianiem świateł trasowych powstawał system średniofalowych radiolatarni kierunkowych LFR (Low Frequency Range).

Nawigacja nocna

Jeżeli chodzi o nawigację w nocy, za najpewniejsze uważano światła trasowe. Stosowano je na całym świecie. Francuzi na trasach pocztowych w Afryce i Ameryce Południowej (w Andach) utrzymywali nocne posterunki, zaopatrzone w pochodnie magnezjowe albo po prostu ogniska. Amerykańska armia od 1920r. utrzymywała system obrotowych reflektorów na trasach łączących główne lotniska. Pierwsza była trasa między Columbus a Dayton (Ohio) o długości 80 mil (128 km), wyposażona w reflektory o okresie obrotu 10 sekund. Z czasem latarnie trasowe zaczęły nadawać alfabetem Morse’a numer odcinka drogi lotniczej. Z uwagi na zawodność tamtej techniki lotniczej, w pobliżu tych latarni umieszczano awaryjne lądowiska. Te latarnie było oddalone od siebie o 30-40 mil. Pierwsza droga lotnicza w pełni wyposażona w światła nawigacyjne połączyła Chicago i Cheyenne (stan Wyoming) w 1923r..

W Rzeczypospolitej latarnie lotniskowe montowano od 1925r.. Do 1935r. latarnie lotniskowe posiadały Lotniska; Mokotów, Okęcie, Dęblin, Ławica, Rakowice, Lwów. W 1935r. latarnie trasowe umieszczono na drodze lotniczej Warszawa – Poznań. Postawiono ich 10 sztuk mniej więcej co 30 km. Były to metalowe wierze o wysokości około 20 metrów. Miały moc 1,5 kW.  Przy dobrej pogodzie światło było widoczne z odległości 100 km, co pozwalało załodze samolotu na dostrzeżeniu nawet 3 kolejnych świateł. Te latarnie trasowe uczyniły drogę lotniczą Warszawa – Poznań dostępną przez całą dobę.

 

Naprowadzanie

W Europie system amerykański LFR (Low Frequency Range) nie sprawdził się. Powodem była znacznie większa ilości lotnisk i inna infrastruktury. Większe znaczenie miały metody naprowadzania. Przydatnym okazał się system radionamierzania, zarówno z ziemi jaki i powietrza.

W metodzie namierzania z powietrza wykorzystywano rozgłośnie radiowe, których nadajniki nadające na średnich falach, mimo woli stały się radiolatarniami. Do dziś pokładowe radiokompasy (ADF - Automatic Direction Finder) mogą namierzać wszystkie stacje z zakresu 180 – 1 700 kHz.

Rozwijano także skuteczne systemy podejścia do lądowania przy ograniczonej widoczności. Najpowszechniej wówczas używany system podejścia ZZ (zero - zero) polegał na naprowadzaniu samolotu na zwykły radionamiernik umieszczony w osi podejścia, na końcu DS. W momencie przelotu nad radionamiernikiem pilot otrzymywał z ziemi komendę lądowania ZERO - ZERO. Pilot utrzymywał kurs, którym oddalał się od lotniska, po czym po określonym czasie wykonywał zwrot o 180 stopni. Lecąc w kierunku radionamiernika i korygując wysokość, ponownie wchodził nad radionamiernik i miał przed sobą próg DS. Ten system lądowania w trudnych warunkach jeszcze w 60-tych latach stosowano na Lotnisku Wrzeszcz.

Nad precyzyjnym systemem podejścia do lądowania pracowano intensywnie w 30-tych latach XX wieku. Pierwszy udany system podejścia do lądowania o nazwie Lorenz został opracowany około 1930r. u germańców. Został on opracowany na podstawie pomysłu inżyniera Schellera z 1907r.. Polega na prowadzeniu wzdłuż linii równych sygnałów radiowych. Radiolatarnia systemu emitowała dwie wiązki fal radiowych, kluczowane przemiennie znakami Morse'a: jedna antena nadaje kropki, druga nadaje kreski ( sygnał A1A ). Obie wiązki nakładają się na siebie brzegami tak, że na kierunku lądowania emitowane sygnały zazębiają się, a odbiorca słyszy sygnał ciągły. Po odchyleniu od kierunku lądowania (w prawo lub w lewo) przeważają kropki lub kreski, które informują pilota o zejściu z kierunku lądowania.

 

Dalszy rozwój radionawigacji

W 1938r. w USA rozpoczęto prace nad ultrakrótkofalowym systemem radionawigacyjnym, dającym możliwość zarówno tradycyjnego radionamierzania i odbioru słuchowego, ale także bezpośredniego odczytu namiaru na wskaźniku pokładowym. System nazywał się VAR (Visual - Aural Range) i był połączeniem radiolatarni z wirującą wiązką (czas obrotu 10 sekund) z nadajnikiem bezkierunkowym. Próby w 1941r. wypadły pomyślnie, ale atak na Perl Harbor, spowodował anulowanie programu.

 

Druga wojna światowa

W dniu 1.09.1939r. zaraza niemiecka napadła na Rzeczypospolitą. Bez wątpienia nasz odwieczny przeciwnik dysponował wysoko rozwiniętą technika radiową. Wspomnę tylko o samochodach radiopelengacyjnych, które kursowały po ulicach Polskich miast namierzając pracujące radiostacje Podziemnego Państwa Polskiego. Mieli także dobrze rozwiniętą łączności radiowa i system radionawigacji dla naprowadzania bombowców dalekiego zasięgu. Zaniedbali jednak radioelektroniczne rozpoznanie.

W chwili wybuchu II wojny światowej UK błyskawicznie utworzyło, na wschodnim wybrzeżu, łańcuch stacji radarowych. Zaraza niemiecka fizycznie wykryła te stacje, ale uznała je za nieczynne, wręcz atrapy. Problem polegał na tym, że radary germańców pracowały na częstotliwościach w zakresie od 500 MHz do 1 GHz. Nie przewidzieli, że angielskie radary pracowały na falach o częstotliwościach około 30 MHz. Anglicy cały czas modyfikowali swoje radary. Stosowali coraz krótsze fale i zastosowali pracę impulsową. W efekcie poprawiła się wykrywalność samolotów przeciwnika, szczególnie na mniejszych pułapach. Także wielkości anten mogła być mniejsza, a sama aparatura miała mniejsze gabaryty.

 

Magnetron

Magnetron stał się tym podzespołem, który wywołał lawinowy rozwój stacji radiolokacyjnych.

Magnetron to rodzaj lampy mikrofalowej, dwuelektrodowa lampa elektronowa, która potrafi wywołać zjawisko samowzbudnej oscylacji opartej na zjawisku rezonansu. Przetwarza wejściową energię na energie elektryczną wysokiej częstotliwości. Przetwarzanie energii odbywa się w specjalnie ukształtowanej komorze anodowej umieszczonej w silnym polu magnetycznym. Wybite elektrony wysyłane z katody przyciągane są przez anodę, a tor i prędkość ich modyfikuje pole magnetyczne i kształt komory anodowej. Magnetron jest zbudowany zwykle w postaci lampy elektronowej. W najprostszym przypadku jest to rodzaj diody o symetrii walcowej (katoda w osi walca, anoda jako pobocznica walca) umieszczonej w stałym polu magnetycznym równoległym do osi walca. Najczęściej stosuje się bardziej złożone magnetrony wnękowe. Pierwowzór magnetronu został zbudowany w USA w 1920r. przez Alberta Hull'a. Natomiast w 1940r. w Anglii inżynierowie John Randall i Harry Boot, zbudowali magnetron wielorezonatorowy (synchroniczny), przydatny dla radarów krótkich fal.

Magnetron dał aliantom dostęp do techniki mikrofalowej, dając tym samym trwałą przewagę w tej pierwszej w dziejach wojnie radioelektronicznej. Ich stacje radiolokacyjne były sprawniejsze i dokładniejsze od stosowanych przez zarazę niemiecką. Radary pokładowe bombowców prowadzących umożliwiały znalezienie nawet punktowych celów, bez względu na maskowanie i ciemności.

Postęp w dziedzinie radiotechnicznych środków walki z początku polegał na zmianie ich zakresu pracy w stronę coraz krótszych fal radiowych, czyli wyższych częstotliwości. Cel był dwojaki: utrudnienie wykrycia samego faktu działania systemu, stosując częstotliwości radiowe niedostępne dla przeciwnika oraz zwiększenie ich dokładności.

 

Pierwsze lata powojenne.

Pierwsze lata po II wojnie światowej dla zlanej krwią Europy były bardzo trudne. W rzeczywistości stracili wszyscy. Niby technika poszła bardzo do przodu, ale nowy porządek geopolityczny nie zadowalał nikogo (może tylko państwo moskiewskie). Lotnictwo cywilne cofnęło się w rozwoju o co najmniej 15 lat. Nie udało się szybko stworzyć wspólnego systemu nawigacyjnego. Europa podzieliła się na dwa obozy. Niedługo potem odbył się debiut radarowej kontroli ruchu lotniczego, w postaci systemu zaopatrywania poprzez transport lotniczy zablokowanego berlina zachodniego (1948r. – 1949r.). Okres zimnej wojny, (do 1989r.), wywarł zły wpływ na rozwój ogólno-europejskiej nawigacji. Blok wschodni opracował własne systemy nawigacyjne. Nad wszystkim miała piecze armia. Francuzi znaczny obszar swej ojczyzny wyłączyli z możliwości udostępnienia dla lotnictwa cywilnego. Na obszarach zachodniej germanii sprowadzono systemy nawigacyjne z USA. Mimo to rozwój gospodarczy zachodniej europy wymuszał rozwój lotnictwa cywilnego, a co za tym idzie, nawigacji.

W Europie zachodniej na pierwszy ogień poszedł rozwój nawigacji na trasach atlantyckich, a głównie trasy do USA. Ten kierunek stymulował odbudowywanie Europy zachodniej. Poza obszarami kontrolowanymi przez systemy radionawigacyjne nadal stosowano astronawigację i wyliczanie pozycji. Wypukłe okno w górnej części kadłuba można spotkać w samolotach skonstruowanych w 50-tych latach, a w związku sowieckim jeszcze w konstrukcjach z 70-tych latach XX wieku. Układy astronawigacyjne rozwijano jeszcze w 80-tych latach. Skonstruowano układy śledzące jednocześnie automatycznie nawet 56 gwiazd. Używano je jako pomocnicze układy nawigacyjne na takich samolotach jak B-52, B-1 A, SR-71. Sowieci, podobne układy stosowali na samolotach An-26, Ił-18, Tu-20/95, Tu-16, Tu-22, M-4. W układach tych po raz pierwszy połączono nawigacje z maszynami liczącymi, poprzednikami procesorów i komputerów. Były to analogowe przeliczniki, ale potrafiły one wyliczyć skomplikowane równania, uwzględniające dane wprowadzone do pomięci przez podzespół wejścia i wyjścia. Trzeba jednak podkreślić, że urządzenia te należały do grupy maszyn precyzyjnych i miały wysoki stopień niezawodności, w oparciu o rozwiniętą już technikę lampową.

Mimo to, pracochłonność, ograniczenia spowodowane warunkami atmosferycznymi i niedokładność, powodowała poszukiwanie innych metod nawigacyjnych. Sięgnięto więc po metodę, którą opracowywano dla samolotów bombowych dalekiego zasięgu.

W 50-tych latach rosnący transport lotniczy przez Atlantyk wymagał dalszego rozwoju. Musiano rozwinąć; systemy łączności, system kontroli ruchu lotniczego, środki nawigacyjne oraz przepisy. Ówczesna kontrola ruchu lotniczego korzystała z metody wypracowanej przez Brytyjczyków w czasie II wojny światowej. Powszechnie stosowano stół z trasami lotniczymi, lotniskami, punktami kontrolnymi i innymi ważnymi elementami. Początkowo stół umieszczony był poziomo, ale później instalowano go na ścianie, co dawało lepszy wgląd wielu osobom, a jednocześnie przypominał mapę. Lecący samolot przedstawiał pionek (klocek) z opisem i chorągiewką. Wysokość chorągiewki odzwierciedlała pułap lotu. W miarę spływania informacji (meldunków) pionki przesuwano. System wyglądał na prymitywny, ale był skuteczny. Na wschodzie europy wojsko stosowało podobne rozwiązania. W 60-tych latach typowy stół przekształcił się w planszetę. Wykonywano ją z przezroczystego tworzywa (zwykle szkło organiczne). Za plaszetą można było umieścić zwykłą mapę w tej samej skali. Planszecista, czyli osoba obsługująca planszetę, stał za planszetą, poprzez słuchawki otrzymywał kolejne meldunki i natychmiast aktualizował dane na planszcie. Musiał potrafić pisać odbiciem lustrzanym. Dzięki temu osoba przed planszetą, czyli dowódca stale widział sytuację taktyczną. Bywało, że stosowano planszety podwójne, co umożliwiało rozdzielenie pułapów wysokich i niskich.

Pod koniec 50-tych lat pojawiły się paski postępu. Była to metoda uważana za nowoczesną. Moskwa uważała, że to problem kapitalistów. Jednak to im zależało na podglądaniu świata zachodniego. Chcąc nie chcąc musieli swoje procedury dostosowywać do standardów wypracowanych na zachodzie. Niemniej jednak każdy silniejszy ekonomicznie kraj prowadził prace na własna rękę.

 

Stacje radiolokacyjne

Pierwsze cywilne stacje radiolokacyjne zbudowano w 1956r.. Od stacji radiolokacyjnych wojskowych różniły się specjalizacją według wykonywanych zadań. Czyli zależały od konkretnego etapu lotu. Wydzielono stacje radiolokacyjne kontroli obszaru, o dużym zasięgu i widzące obiekty na średnich i wysokich pułapach. Następne to stacje radiolokacyjne kontroli rejonu lotniska, o zasięgu do 150 km i widzące obiekty na małych i średnich wysokościach. Następnie stacje radiolokacyjne kontroli lotniska, stosowane rzadko, tylko na wielkich lotniskach, pracujące zwykle nocą i w złych warunkach meteorologicznych. Wreszcie stacje radiolokacyjne podejścia do lądowania, czyli precyzyjne.

W Polsce rozwój systemów i radiolokatorów został zapoczątkowany w 50-tych latach. Polskie placówki badawcze i biura konstrukcyjne rozwinęły się bardzo szybko. Duże zapotrzebowanie płynące z sił zbrojnych i spore fundusze spowodowały, że bardzo szybko staliśmy się jednym z przodujących krajów w dziedzinie radiolokacji. (O czym będę pisał wielokrotnie.)

Osobnym rozdziałem są pokładowe stacje radiolokacyjne. Pojawiły się one na pokładach samolotów bombowych już w 40-tych latach. Były wykorzystywane początkowo tylko jako celowniki bombowe. Z czasem ich gabaryty i masa ulegały zmniejszeniu. Pojawiły się celowniki radiolokacyjne stosowane na samolotach przechwytujących. W 50-tych latach miały one wagę około 500 kg. W kolejnych etapach ekrany pokładowych stacji radiolokacyjnych były wykorzystywane do nawigacji. Wzrastała ich niezawodność, moc, dokładność odwzorowania, a przede wszystkim zasięg. Malały gabaryty i masa. Stały się częścią zintegrowanych systemów celowniczo, nawigacyjnych. Z uwagi na koszty, w lotnictwie cywilnym wprowadzono tylko pogodowe stacje radiolokacyjne. Pokładowa stacja radiolokacyjna, z punktu widzenia wojskowego ma podstawową wadę; poprzez emitowanie fali elektromagnetycznej zdradza obecność samolotu. Mało tego, ta fala została wykorzystana do nakierowania pocisków przeciwlotniczych na ten samolot. Dlatego obok pokładowych stacji radiolokacyjnych rozwinięto systemy termowizyjne, które nie emitują żadnych fal, tylko je odbierają. W 90-tych latach zaczęto konstruować pokładowe stacje radiolokacyjne emitujące bardzo małe ilości fal elektromagnetycznych, a niekiedy korzystających tylko z fal emitowanych przez rozpoznawane obiekty. Nowością stały się także urządzenia pokładowe opto-elektroniczne.

 

System identyfikacji

System identyfikacji z punktu widzenia cywilnego nie stanowił problemu. Przecież nie było potrzeby ukrywania swoich danych. Jednak w wojsku sprawa wyglądała diametralnie odwrotnie. Opracowano system identyfikacji radiowej Identification Friend or Foe (IFF) swój-obcy. Idee tą przyjęto z czasem w lotnictwie cywilnym jako Secondary Surveillance Radar (SSR). Dlaczego? Wynikało to ze specyfiki pracy stacji radiolokacyjnej dookrężnej. Taki radar podawał kierunek obiektu i odległość do niego. Czyli był dwu-współrzędny. Brakowało istotnej informacji o jego pułapie. Dlatego wiązka fal elektromagnetycznych wysłanych z ziemi wywoływała podanie informacji zwrotnej, w której oprócz aktualnej wysokości, z czasem podawano inne dane o samolocie i jego aktualnym locie. Czyli nic innego jak radar wtórny.

 

Amerykański system LFB (LFR, LF-RNG)

Powyżej wspomniałem o dobrym systemie radionawigacyjnym rozwijanym w USA od 1929r.. System ten nosily początkowo oznaczenie LFR (Low Frequency Range). Następnie LFB (Low Frequency Beacon) i LF-RNG (Low Frequency Radio Range). System był rozwijany i użytkowany do końca 60-tych lat. Radiolatarnie początkowo stawiano wzdłuż tras lotniczych między lotniska. Z czasem zaczęto je stawiać na przecięciach tras lotniczych. System i jego wykonanie było tak staranne, iż maszty stoją do chwili obecnej i są wykorzystywane jako radiolatarnie systemu NDB. Radiolatarnie te pracowały w zakresie od 200 do 600 kHz. Zasięg wynosił około 300 km. Podstawowymi elementami systemu były naziemne nadajniki i odbiorniki umieszczone na pokładach samolotów.

 

Cztery anteny nadawały emisją A1A znaki "A" i "N", formując dwie lub cztery wąskie strefy nakładania się znaków z równą głośnością. Pilot sterował tak, by w słuchawkach zwykłego odbiornika średniofalowego słyszeć sygnał ciągły.

Z czasem sygnał z fonicznego przetworzono na sygnał wizualizacyjny w postaci wskaźnika zegarowego wyposażonego w saklę kątowa i dwie wskazówki. Sygnał foniczny pozostawiono jako awaryjny. Załoga najpierw wybierała częstotliwość poszukiwanej radiolatarni. Wskazówki na wskaźniku powinny się pokrywać, a to oznaczało lot dokładnie w kierunku radiolatarni. W momencie przelotu nad radiolatarnią wskazówki wykonywały obrót o 180 stopni. Wówczas załoga przestawiała urządzenie na kolejna radiolatarnię.

Poniżej przedstawiam serię zdjęć wskaźnika systemy LFB na pokładzie samolotu pasażerskiego Lockheed Constellation w 50-tych latach XX wieku.

Wskaźnik LFB na pokładzie Lockheed Constellation przed radiolatarnią.
Wskaźnik LFB na pokładzie Lockheed Constellation przed radiolatarnią.

Wskaźnik LFB na pokładzie Lockheed Constellation tuż przed radiolatarnią. Wskazówka szersza przemieszcza się po prawej stronie w dół. Wskazówka wąska przemieszcza się po lewej stronie w dół.
Wskaźnik LFB na pokładzie Lockheed Constellation tuż przed radiolatarnią. Wskazówka szersza przemieszcza się po prawej stronie w dół. Wskazówka wąska przemieszcza się po lewej stronie w dół.

Wskaźnik LFB na pokładzie Lockheed Constellation tuż po radiolatarni.
Wskaźnik LFB na pokładzie Lockheed Constellation tuż po radiolatarni.

Wskaźnik LFB na pokładzie Lockheed Constellation po minięciu radiolatarni. W tym momencie pilot przestawiał system na następną radiolatarnię. Jeśli następna radiolatarnia była na tym samym kursie to w połowie odległości między radiolatarniami sama przestawiała się na kolejną.
Wskaźnik LFB na pokładzie Lockheed Constellation po minięciu radiolatarni. W tym momencie pilot przestawiał system na następną radiolatarnię. Jeśli następna radiolatarnia była na tym samym kursie to w połowie odległości między radiolatarniami sama przestawiała się na kolejną.

 

System łączył się z systemem ILS (precyzyjnego lądowania). Przy określonej radiolatarni pilot rozpoczynał zniżania, wiedząc dokładnie jaka odległość dzieli go do progu DS. Sam system ILS opisuje osobno. System LFB był bardzo precyzyjny i skutecznie prowadził załogę obraną trasą. Problem pojawił się z chwilą zwiększenia liczby lecących samolotów. Okazało się, że jest zbyt mała separacja samolotów lecących naprzeciw siebie, ograniczona wyłącznie do zajmowanych pułapów. System użytkowano do końca 60-tych lat XX wieku.

 

System NDB

System NDB (Non-Directional Beacon) wywodzi się od systemu LFB. Także składa się z bezkierunkowych radiolatarni naziemnych i odbiorników na pokładzie samolotu. Może to być zwykły radiokompas lub ADF (Automatic Direction Finders). System pracuje na częstotliwościach 190 – 1 750 kHz, z przesunięciem (restrem) 1 kHz. Sygnał nadawany przez radiolatarnię podaje znak identyfikacyjny, który jest złożony z jednego do trzech zaników alfabetu Morse’a. Sygnał jest wysyłany co kilka sekund. W Europie taki sam sygnał może wystąpić tylko dwukrotnie i to w odległych miejscach. Sygnał radiolatarni może być odebrany nawet przez zwykły radio-odbiornik domowy, jeśli tylko odbiera pasmo nadawania.

Odmianą systemu NDB jest system lądowania oparty na dwóch radiolatarniach umieszczonych w osi pasa (DS.), na ścieżce podejścia,  w odpowiednich odległościach. Załoga samolotu podczas podejścia przelatując nad radiolatarnią dalszą wie jaka odległość dzieli ją od progu pasa i jest w stanie ustawić odpowiedni kąt schodzenia. Przelot nad radiolatarnia bliższą ma potwierdzić prawidłowy tor zejścia, wprowadzić koniczne korekty lub przejść na drugi krąg. Do odbioru sygnałów na pokładzie samolotu używa się dwóch radiokompasów ADF.

System NDB na dalszych dystansach ma mniejsza dokładność, dlatego zaczęto stosować system dokładniejszy VOR. System NDB do chwili obecnej powszechnie stosują tylko moskale.

 

System Decca

System Decca został opracowany przez Brytyjczyków. Pracował na falach krótkich o częstotliwości od 70 do 129 kHz. Pierwsze użycie nastąpiło pod koniec II wojny światowej. Głównym jego zadaniem była precyzyjna nawigacja statków morskich na wodach przybrzeżnych. Pozycja była obliczona przy użyciu hiperbolicznego systemu nawigacyjnego, poprzez porównanie różnic fazowych sygnałów radiowych odebranych z kilku stałych stacji. Od 1949r. z systemu korzystały samoloty i śmigłowce operujące nad Morzem Północnym. System zarzucono z końcem 90-tych lat. Wszechstronna i dokładna Decca przegrała ze względu na duże koszty utrzymania i wysoką cenę urządzeń pokładowych.

System Decca rejonu Morza Północnego.

 

System Decca należał do nawigacji hiperbolicznej. Polegał na pomiarze różnicy czasów przebiegu, a więc i różnicy odległości, sygnałów pochodzących z dwóch odległych od siebie naziemnych stacji nadawczych. W systemie tym jest wykorzystana własność hiperboli, która mówi że jest ona miejscem geometrycznym punktów, których różnica odległości od ognisk hiperboli ma wartość stałą. Jeśli wykreślimy hiperbole których ogniskami są dwie stacje nadawcze A i B to każda z gałęzi hiperbol będzie linią pozycyjną statku powietrznego odbierającego sygnały ze stacji A i B z określoną różnicą w czasie. Jeśli do tego mamy stację