К 300-летию Российской академии наук

На протяжении 300-летней истории академия наук была и остается центром научной мысли страны, вначале – единственным, сегодня – одним из многих, но высшим из всех.

Исторически сложилось так, что проблемы морской навигации с самого начала занимают важное место в исследованиях Академии. Уже первый шаг Петра Великого к созданию Академии имел отношение к навигации. Его указом в 1701 г. было учреждено первое в стране светское учебное заведение – «Школа математических и навигацких наук, то есть мореходно-хитростно наук учение».

Учрежденная Петром Великим Петербургская академия наук и художеств включала в себя не просто собрание ведущих ученых, но также университет и гимназию. Таким способом в стране, где не было слоя образованных людей, если пользоваться современной терминологией, создавался научный лифт для роста ученых.

Среди десяти кафедр, на которые разделялась Академия, второй была кафедра астрономии, географии и навигации. Такое объединение наук было неслучайным. Астрономический метод был одним из основных в навигации: морские географические карты, с одной стороны, были средством фиксации положения корабля, а с другой – для создания карт снаряжались экспедиции.

Проблемы навигации исследовал великий математик и механик Леонард Эйлер, приехавший из Швейцарии в Петербург и поступивший в Академию, когда ему было только двадцать лет. В его богатейшем научном наследии есть книга «Полное умозрение строения и вождения кораблей, сочиненное в пользу учащихся навигации», где, в частности, он предложил решение сложнейшей задачи навигации того времени – определение долготы, использовавшееся в морской навигации более века.

Решая проблемы небесной механики, он вывел кинематические и динамические уравнения движения твердого тела относительно центра масс или неподвижной точки. Спустя век эти уравнения легли в основу новой ветви теоретической механики – механики гироскопов. В области картографии Л.Эйлер получил формулы для равноугольных проекций шара на плоскость. Он руководил созданием «Атласа Российского», и, по его свидетельству, «география российская приведена в гораздо исправнейшее состояние, нежели география немецкой земли».

Важное место занимали проблемы навигации в трудах универсального российского гения Михаила Васильевича Ломоносова. Ему принадлежат книги «Рассуждение о большой точности морского пути» и «Новый весьма легкий и точный способ находить полуденную линию». Поражает изобретательность Ломоносова. Им были изобретены или усовершенствованы более двадцати навигационных приборов.

Академик Ломоносов был потомственным помором, и в сферу его научных интересов, естественно, входило мореплавание в арктических морях. Ему принадлежит труд «Краткое описание разных путешествий по северным морям и показание возможности проходу Северным океаном в Восточную Индию». На этой основе Ломоносовым был разработан и представлен в Адмиралтейство проект экспедиций в целях поиска пути северным маршрутом из Атлантического океана в Тихий и к Алеутским островам. Проект был одобрен и вскоре были организованы экспедиции Чичагова в целях исследования Северного пути и Креницына–Левашова к Алеутским островам. Парусные суда пройти в сплошных льдах не смогли, но провидческая идея Ломоносова осуществляется в наши дни – формируется Северный морской путь.

С конца XVIII века весомый вклад в разработку методов навигации стали вносить военные моряки, получившие прекрасное образование. Вышли написанные ими первые книги по навигации: «Экстракт штурманского искусства» Ф.И. Соймонова и «Книги полного собрания о навигации» С.И. Мордвинова.

Век великих географических открытий завершили около пятидесяти экспедиций, которыми руководили морские офицеры и в которых практически всегда участвовали ученые Академии наук. За научные заслуги флотоводцы И.Ф. Крузенштерн, П.В. Чичагов, А.С. Грейс, Ф.Ф. Веселаго, Н.С. Мордвинов, Д.Н. Сенкевич, В.П. Врангель, П.И. Рикорд, П.Я. Гамалея и Ф.П. Литке стали почетными академиками или членами-корреспондентами Петербургской академии наук. Более того, адмирал Федор Петрович Литке в 1864–1880 гг. был президентом Академии.

По мере развития научной деятельности расширялся круг решаемых задач и повышались требования к точности результатов. Начали учреждаться научные институты. Пулковская обсерватория – первая российская научная организация, созданная в 1833 г. в интересах навигации по проекту комиссии академиков В.К. Вишневского, В.Я. Струве, И.Я. Паррота и П.Н. Фукса, – была оснащена самым современным оборудованием, ее даже называли «астрономической столицей мира». Основной задачей обсерватории было обеспечение морской навигации – обсерватория составляла ежегодные каталоги звезд в интересах навигации, российские корабли рассчитывали долготу от Пулковского меридиана. Здесь в обязательном порядке перед дальними походами стажировались штурманы, изучавшие методы и технику астрономических навигационных определений.

Наряду с астрономическим методом важнейшим средством определения курса корабля был магнитный компас, стрелка которого показывает направление магнитного поля Земли. Российские академики активно участвовали в изучении и использовании магнитного поля Земли в интересах морской навигации. Для изучения вариаций магнитного поля Земли академиком А.Я. Купфером была организована Магнитная обсерватория на территории Петропавловской крепости. В дальнейшем она была преобразована в Нормальную обсерваторию, а затем – в Главную геофизическую обсерваторию в городе Павловске под Петербургом. На этой основе в стране развивалось компасное дело. Завод мореходных инструментов освоил изготовление магнитных компасов.

Мореплаватели уточняли магнитное склонение и наклонение в различных районах Мирового океана, работали над повышением точности компасов.

Полковник И.П. де Колонг (в дальнейшем член-корреспондент Академии наук) изобрел дефлектор – прибор для измерения и устранения девиации, который стал применяться на всех флотах мира. Под его руководством молодой офицер Алексей Николаевич Крылов, будущий знаменитый академик, исследовал дефлектор, усовершенствовал компас, изобрел дромоскоп – прибор для автоматического вычисления девиации.

В целом трудами ученых Академии наук и военных моряков компасное дело в России было построено на солидном научном фундаменте, и в этой части морская навигация была обеспечена наилучшим образом.

Выдающиеся научные события конца XIX – начала XX века не обошли и навигацию. Л. Эйлер, когда выводил свои уравнения движения твердого тела относительно центра масс или неподвижной точки опоры, делал это в интересах небесной механики, а понятия гироскопии тогда не существовало. Но сформировалась механика гироскопов, и в основе ее были те же уравнения Эйлера. Спустя век первая российская женщина – почетный член Академии С.В. Ковалевская нашла случай, когда решение уравнения Эйлера может быть получено при произвольных начальных условиях, а академик Н.Е. Жуковский дал этому случаю геометрическую интерпретацию. Теория устойчивости механических систем, созданная академиком А.М. Ляпуновым, стала основой для решения соответствующих задач в механике гироскопов.

К сожалению, как это уже случалось в истории России, глубокие теоретические работы российских авторов не нашли продолжения в прикладных исследованиях, что в первые десятилетия прошлого века привело к доминированию в гироскопии компаний Anshütz (Германия) и Sperry (США). В первую мировую войну российский флот использовал гирокомпасы Sperry.

Только первая программа строительства флота в СССР создала условия для начала исследований и разработок в области морской гироскопической техники. В 1931 г. Заводом мореходных инструментов под научным руководством Б.И. Кудревича(на дореволюционном флоте отвечал за обслуживание гироскопов) разработаны опытные образцы гирокомпаса ГУ-1, прототипом для которого был гирокомпас Sperry. Испытания на эсминце и на ледоколе в высоких широтах флот не удовлетворили, и развития это направление не получило.

По рекомендации академика А.Н. Крылова разработка гирокомпаса была поручена Морской части завода «Электроприбор». Роль академика А.Н. Крылова в создании в «Электроприборе» гироскопической техники была исключительно велика. По его совместной с членом-корреспондентом Ю.А. Крутковым монографии «Общая теория гироскопов и некоторых технических их применений» училось первое поколение гироскопистов.

По его инициативе появились первые гироскопические кафедры: в Ленинградском институте точной механики и оптики (1937 г.) и в Ленинградском электротехническом институте (1938 г.). Под его научным руководством в стране начала формироваться школа по гироскопии.

Когда после войны выяснилось, что в Германии были созданы инерциальные навигационные системы (ИНС) для баллистических ракет V-2, началась гонка за создание полноценной ИНС, в основном между СССР и США. Успех зависел прежде всего от научного потенциала страны, и роль Академии наук была первостепенной.

Научным лидером в области инерциальной навигации стал академик Александр Юльевич Ишлинский. Он был приглашен первым главным конструктором гироскопических приборов Н.Н. Остряковым к сотрудничеству с морскими гироскопистами. Это сотрудничество продолжалось 25 лет и было очень плодотворным.

Академик Ишлинский показал, что можно построить навигационный комплекс на базе пространственного гирокомпаса и гироскопа направления, и приблизиться к такой схеме можно, если дополнить имеющиеся два вида гироскопических навигационных приборов (гирокомпас и гировертикаль) третьим – гироазимутом.

ЦНИИ «Электроприбор» разработал гироазимут и создал навигационный комплекс первого поколения. Комплексы первого поколения обеспечили первые подледные походы советских АПЛ к Северному полюсу, трансполярные переходы и походы во многие другие ранее недоступные акватории Мирового океана.

Комплекс второго поколения на базе классических ИНС с горизонтально удерживаемой платформой, на которой располагаются акселерометры, создал московский ЦНИИ «Дельфин». Для этого комплекса академик Ишлинский построил алгоритм идеальной работы. Он показал также, что схема не предъявляет высоких требований к точности акселерометров и выпускаемые промышленностью акселерометры могут быть использованы. Проблема недостаточной точности гироскопов была решена за счет периодически используемого гидроакустического лага.

Третье поколение навигационных комплексов строилось на базе высокоточных ИНС, принцип построения которых был известен с начала прошлого века. Он заключался в имитации метода астронавигации, только вместо секстана использовались два свободных гироскопа, выставленные в стабильные относительно звезд направления.

В этих условиях решающей была роль технологий, которую выполняли в основном организации прикладной науки. К этому времени в прикладных институтах выросли лидеры, выдающимся представителем которых был академик Виктор Иванович Кузнецов, до войны начавший работу в «Электроприборе», а затем возглавивший разработку гироскопии в ракетно-космической отрасли.

Развитие гироскопии продолжается. Создаются гироскопы на новых принципах. Сегодня это прежде всего гироскопы, построенные на релятивистском эффекте Саньяка, – лазерный и волоконно-оптический. Впереди у разработчиков морской навигации создание гироскопии на эффектах атомной физики – ядерно-магнитном резонансе и волнах материи. На первом этапе нового цикла работ роль академической науки будет решающей.