Розвиток геодезичного приладобудування за кордоном, в Росії і на Україні

Із історичних документів відомо, що першими геодезичними приладами користувались ще біля 3 тис. років до н.е. при будівництві зрошувальних каналів в Вавілоні, Єгипті і Китаї. Це були мірні мотузки, мірні рейки, ватерпаси з виском і компаси.

Значний вклад в розвиток техніки землемірної справи і геодезичних вимірювань в стародавні часи внесли представники арабської, грецької і римської науки. Тут досить назвати роботу Герона Олександрійського „Про діоптру” (100 років до н.е.), де він запропонував кутомірний прилад з діоптрами і поворотною лінійкою; астролябію Гіппарха з лімбом діаметром 10-20 см з градусними поділками, яку по праву можна рахувати прообразом теодолітів; римський землемірний хрест (прообраз еккера) для розбивки прямих кутів на місцевості; удосконалений арабами китайський компас для цілей кутових вимірювань. Приблизно на цей час відносяться виконані Ератосфеном за допомогою гномона (сонячного годинника) перші інструментальні визначення кола Землі .

Арабський вчений Біруні (973-1048) сконструював пристосування для поділення лімбів через широко використовувались для астрономічних спостережень.

Розвиток науки в Європі в період проголошення матеріалістичного уявлення про розвиток Всесвіту був призупинений церквою, інквізицією.

Великі географічні відкриття дали новий поштовх розвитку науки. Нові пізнання в галузі фізики і механіки вплинули на розвиток і удосконалення геодезичних приладів. Леонардо-да Вінчі (1452-1519) сконструював возик для вимірювання пройденого шляху, лічильник кроків, а також запропонував для компаса круглий корпус. Француз Фурнель в 1525р. для визначення радіусу Землі застосував мірне колесо, при цьому 17024 оберти колеса відповідали дуги меридіана.

В другій половині XVI ст. на основі астролябії англійчанин Діггс створив прилад для вимірювання горизонтальних кутів і вперше запропонував термін „теодоліт”. Для установлення на місцевості геодезичних приладів з’явились штативи. Німецький професор Преторіус винайшов мензулу з лінійками і діоптрами, яка пізніше уже використовувалась в сполученні з кіпрегелем.

В 1609р. італійський вчений Галілео Галілей (1564-1642) створює зорову трубу, що складалась з скляних лінз. Вона отримала назву голландської зорової труби, або труби Галілея. В 1611р. Іоган Кеплер (1571-1630) запропонував два варіанти зорової труби з сіткою ниток з прямим (земна труба) і зворотнім (астрономічна труба) зображенням. Це дало можливість практичного застосування лінзових зорових труб в вимірювальних геодезичних і астрономічних приладах, хоча збільшення труб було невеликим (від 9 до 30 карат).

Одночасно удосконалення відлікові улаштування. Запропонований в 1583р. німецьким математиком Клавіусом принцип ноніуса, в 1631р. вперше реалізує голландець Петер Вернер (1580-1637) під назвою „верньєр”. Пізніше, в середині XVIII ст. англійчанин Джесс Рамсден (1735-1800) винайшов мікроскоп з гвинтовим мікрометром для точного відліку по шкалах.

Запропонований в 1662р. французом Жевено циліндричний рівень сприяв розвитку нівелірів з рівнями. В 1770р. І. Мейер в Геттінгені вперше застосовує круглий рівень з металевим резервуаром для горизонтування приладу.

Велике значення для удосконалення геодезичних приладів мали розробки нових типів осьових систем. В 1785р. французький астроном Борда, а в 1830р. гамбурзький механік Репсольд запропонували нові осьові системи для обертання рухомої частини інструмента відносно нерухомої. В 1804р. Георг Рейхенбах (1772-1826) сконструював повторювальний теодоліт. Він же в 1810р. ввів в зорову трубу далекомірні нитки для визначення похилих відстаней по вертикальній рейці. Застосування далекомірних ниток для отримання горизонтальних прокладень привело в 1900р. до реалізації принципу Гомера-Феннеля в конструкції першого номограмного тахеометра з зоровою трубою італійця Порро (1801-1875).

На початку XIXст. з’явились зразки оптичних віддалемірів з базисом при інструменті. Віддалеміри працювали на принципі подвійного зображення або в стереоскопічному варіанті. Віддалеміри працювали на принципі подвійного зображення або в стереоскопічному варіанті. Більш легкі і компактні прилади з’явились завдяки застосуванню чехами Іозефом і Яном Фрич в 1886р. скляних лімбів.

Значні заслуги в модернізації геодезичних приладів належить швейцарцю Генріху Вільду (1877-1951), головними винаходами якого є:

1) труба з внутрішнім фокусуванням;

2) контактний рівень;

3) мікрометр нівеліра з плоскопаралельною пластинкою;

4) оптичний мікрометр;

5) осьова система на шарикопідшипниках;

6) інварні рейки;

7) віддалемір подвійного зображення у вигляді насадки на об’єктив труби.

XIX i XX ст. ознаменувалося тим, що замість невеликих майстерень, де розроблялись і виготовлялись геодезичні прилади з’явилися великі фірми і заводи. Найбільш відомі серед них: швейцарські фірми „Акціонерне товариство Керн и К^о” (1819р.), „Акціонерне товариство Вільд”(1921р.); німецькі фірми „Карл Цейс”(1846р.), „Оптон”, „Асканія”, заводи „Отто Фенель і К^о”, „Точної механіки Ертеля”; шведська фірма АТА; англійські фірми „Теллурометр”, „Віккерс-Лімітед”, „Віккерс Інструментс”; японська фірма „Сокіша”, французький завод „Товариство оптики, точних приладів, електроніки і механіки”; фірма США „Спектрафізкс”; угорські оптичні заводи МОМ; чеський завод „Меопта”; „Польські заклади оптичні” та інші.

Парк геодезичних приладів в XVII-XVIII ст. в Росії в основному поповнювався за рахунок їх ввезення із західної Європи.

Перша російська державна оптична майстерня була створена при дворі Петра I спочатку в Москві, а потім – в Петербурзі. В майстерні видатні російські оптики І.Є. Беляєв і Д. Колосов виготовляли і ремонтували астролябії, квадранти, нівеліри та інші геодезичні і астрономічні інструменти.

В 1725р. створена Російська Академія Наук, при якій відкрилась оптична майстерня. В ній майстри І.Є. Беляєв та І.І. Калмиков самостійно виготовляють геодезичні та оптичні інструменти, зорові труби і дзеркальні телескопи.

З 1736р. Академічною майстерньою керує один із кращих спеціалістів механічної і інструментальної справи того часу А. К. Нартов (1694-1756). На станках Нартова обробляються механічні деталі геодезичних інструментів, а в майстерні виготовляють астролябії, ватерпаси з трубою (нівеліри), зорові і астрономічні труби, оптичні стекла і дзеркала. Астролябія, наприклад, складалась із компаса, розташованого в центрі горизонтального круга, поділеного на , двох пар діоптрів і штатива. Точність візування через діоптри досягала . В майстерні виконуються замовлення М. В. Ломоносова.

З 1769р. видатний російський механік-самоука І. П. Кулібін (1735-1818) більше тридцяти років керував майстернями Академії Наук, розробляв і удосконалював технологію виготовлення геодезичних приладів.

Значення творчості російських вчених і винахідників XVIII ст. для розвитку оптичних інструментів, в тому числі і геодезичних приладів, важко переоцінити. Проте виготовлення і впровадження геодезичних приладів було обмежено вузькими рамками розвитку виробничих сил того часу. „Хвороба” плазування перед авторитетом іноземних вчених стала причиною закриття на початку XIX ст. майстерень Академії Наук.

В той же час міжнародна обстановка Росії вимагала забезпечення армії і морського флоту топографічними картами. Це сприяло створенню в 1797р. спеціальної служби – Депо карт. В 1811р. Депо карт організовує механічну майстерню, де в значній кількості виготовляли астролябії, бусолі, зорові труби, мензули, стрічки та інші прилади для геодезичних і топографічних робіт. В 1821р. майстерню реорганізовують в механічний заклад Головного штабу. В 1822 р. при Головному штабі заснували Корпус військових топографів.

З 1823р. механічний заклад виготовляє удосконалений повторювальний теодоліт з повірочною трубою, що позитивно позначилось на результатах вимірювань. Для робіт геодезиста і астронома академіка В. Я. Струве був виготовлений повторювальний теодоліт з зоровою трубою, що мала фокусну відстань 400 мм і збільшення 35^х. Відлікове улаштування теодоліта – верньєр точності.

В 1868р. механічний заклад виготовляє кіпрегель і мензулу нових зразків. Їх конструкція мала всі ознаки сучасних і майже 100 років не зазнавала суттєвих змін. Кіпрегель мав лінійку, на одному кінці якої знаходився рівень, а на другому – поперечний масштаб. На колонці, закріпленій посередині лінійки, розташовувались зорова труба з сіткою ниток і „круг висот” з поділками через і рівнем. Всі основні деталі кіпрегеля виготовляли із сплавів міді, що виключало вплив заліза на положення магнітної стрілки бусолі. В конструкцію „мюнхенської” мензули внесли зміни: змінили зв’язок мензульної дошки з штативом і надали їй мікрометричного руху.

За ініціативи військового геодезиста Д. Д. Гедеонова (1854-1908) в 1883р. введені зміни в конструкції нівелірів: покращили зв’язок рівня з зоровою трубою і застосували бокове плоске дзеркало при рівні. Нівеліри подібної конструкції застосовувались на геодезичних роботах до 1940р. Д. Д. Гадеонов розробляє і впроваджує конструкцію малого вертикального круга для астрономічних спостережень.

Застосована в 1839р. академіком В. Я. Струве Пулковська обсерваторія з її механічною майстернею стала другим важливим закладом по виготовленню високоточних геодезичних і астрономічних інструментів. Кутомірні прилади з великими діаметрами горизонтальних кутів тут замінюють на менші по габаритах, але з більш точними поділками. Відлікові улаштування – ноніусу замінюють мікроскоп – мікрометра, що значно підвищило точність вимірювання горизонтальних і вертикальних кутів.

З 1845р. механічною майстернею Пулковської обсерваторії завідував Г. К. Брауер (1796-1882). Під його керівництвом розроблено багато оригінальних приладів: 1) універсальні прилади і точності; 2) точні рівні і екзаменатори для визначення їх ціни поділки; 3) нівелір – теодоліт; 4) диференціальні барометри, виготовлені на замовлення Д. І. Менделєєва і з успіхом застосовані геодезистами для нівелювання; 5) астрономічні пасажні прилади і малі вертикальні круги з ламаною зоровою трубою; 6) ділильну машину для лімбів.

Справу великого майстра продовжили його учні В. Ф. Гербер (1842-1909) і Г. А. Фрейберг-Кондратьєв (1854-1943). Перший удосконалює осьові системи, технологію шліфування цапф. По його способу цапфи виготовляли з точністю до 10мкм за 2 дні (замість 2-х тижнів раніше). Його майстерності належать 13 переносних пасажних інструментів для Росії і деяких обсерваторій світу (Кембридж, Швеція, Німеччина), 2 базисних прилади і 3 компаратори, 5-футовий віддалемір, багато рівнів різної точності та інше. Другий удосконалює ділильні машини і процес нанесення поділок на лімб, створює новий тип переносного зеніт – телескопа з ламаною трубою, подібних якому не було за кордоном.

Таким чином, майстерні Військово – топографічного відділу Головного штабу і Пулковська механічна майстерня були передовими підприємствами того часу. Їх прилади за якістю не тільки не поступались закордонним, а в деяких випадках і перевершували зразки відомих фірм. Але промислового розвитку геодезичне приладобудування за часів царської Росії не отримало і парк приладів поповнювався значною мірою від німецької фірми „Гільдебранд”.

Розвиток радянського геодезичного приладобудування розпочався з підписаного в 1919р. Декрету Раднаркому „Про заснування Вищого Геодезичного Управління”. В 1923р. на базі майстерень Корпусу військових топографів створюється завод „Геодезія”, який швидко поповнює парк приладів серійним випуском теодолітів, нівелірів, мензул, нівелірних рейок. До речі, рейки для точного нівелювання були кращі рейок німецької фірми „Гільдебранд”. Другий завод „Геофізика” з 1927р. випускає теодоліт-тахеометр ТТ-30 з трубою, що має внутрішнє фокусування, а в 30-х роках – оптичні теодоліти ОТ і ОТ-10. Великі заслуги в розробці оптичних систем і технологічних процесів виготовлення оптичних приладів належать Державному оптичному інституту, організованому ще в 1918р.

Створений в 1928р. Державний інститут геодезії і картографії (тепер ЦНДІГ і К) проектує і досліджує нові зразки геодезичних приладів, випуск яких веде організований в 1934р. завод „Аерогеоприлад”. Це – тріангуляційні теодоліти ТТ і ТТ , астрономічний універсал АУ і високоточний нівелір „Аерогеоприлад”. Завод з 1935р. виготовляє ампули рівнів з ціною поділки , які по якості перевершували рівні найбільш відомої європейської фірми Песлер, що виготовляла їх більше 60 років.

В 30-х і 40-х роках конструкції геодезичних приладів удосконалюються такими нововведеннями, як: зорові труби з внутрішнім фокусуванням, циліндричні осі, контактні рівні, оптичний мікрометр з сполученим відліком, тангенціальні шкали в тахеометрах, нові види настановних пристосувань, нанесення поділок на скляні лімби. В 1947р. виготовлені серійно портативні і зручні теодоліти ОТС, ОТМ і ОТБ з скляними лімбами і оптичними мікрометрами. З’являються нові типи геодезичних приладів: оптичні теодоліти ТБ-1 і ОТ-02, високоточні нівеліри НПГ і НБ, нівелір з оптичним компенсатором Г. Ю. Стодолкевича, Кіпрегель КА-2, віддалемірна насадка ДНБ В. А. Беліцина та інші.

Характерною рисою геодезичного приладобудування з 50-х років є широке застосування досягнень оптики, механіки, фізики, електроніки, металургії. Використання досягнень науки і техніки створило нові можливості розробки геодезичних приладів з підвищеними експлуатаційними характеристиками, в першу чергу, для лінійних і кутових вимірювань.

Значними досягненнями засобів лінійних вимірювань є розробки серії світовіддалемірів для визначення великих, середніх і малих відстаней. Розроблений і виготовлений в 1936р. в Державному оптичному інституті під керівництвом А. А. Лебедева перший в світі світловіддалемір для вимірювання ліній довжиною до 3,5 км мав похибку біля 2-3 м. В 1953р. В. П. Васильєв і В. А. Величко розробили світловіддалемір СВВ-1 для вимірювання відстаней до 15 км. В ЦНДІ і К в 1967р. розроблений світловіддалемір „Кварц” з гелій-неоновим лазером, дальність дії якого досягала 30 км з похибкою вимірювання ( ) см, де повинно бути в км.

Особливо швидко знайшли впровадження на виробництві топографічні світловіддалеміри СТ-61, розроблений в МІІГА і К під керівництвом В. Д. Большакова, і „Кристал” (ЦНДІІГА і К), а також світловіддалеміра серії СМ. Наприклад, світловіддалемір СМ-3 з дальністю 1,6км мав похибку вимірювання 2-3см, а в удосконалених 2СМ-2, СМ-5 і 3СМ2 відповідно з дальністю дії 2км, 0,5км і 3-5км інструментальна похибка не перевищувала 1см. Більшість сучасних світловіддалемірів постачається автоматичною системою обробки інформації з видачею результатів вимірювання на табло.

Слід відзначити іспішні розробки топографічних світловіддалемірів і закордонними фірмами: Оптон Оберкохен, „Карл Цейс, Ієна” (Німеччина), АГА (Швеція), „Вільд Хербруг” (Швейцарія), „Хєюлет Паккард” (США) та іншими. В діапазоні до 2-3км більшість приладів мали інструментальну похибку 1-2см.

Під керівництвом А. А. Геніке (ЦНДІІГА і К) в 60-х роках розроблені і знайшли застосування геодезичні радіодалекоміри ВРД і серійні РДГ і РДГВ, а також „Промінь” для великих відстаней і „Хвиля” для топографічних цілей. Перші три прилади працюють 10-сантиметровому діапазоні несучих радіохвиль, а наступні два – в 3-сантиметровому.

Синтез топографічного світловіддалеміра з теодолітом (візуальним або кодовим) привів до створення електронних техеометрів (напівавтоматичних або автоматичних), що по суті є універсальним геодезичним приладом. Разом з вбудованими мікропроцесорами такі прилади забезпечують автоматизацію кутових вимірювань.

Автоматизація окремих операцій в геодезичних приладах реалізована, наприклад, при стабілізації візирної осі нівелірів і оптичного індекса вертикального кругу за допомогою різних конструкцій компенсаторів. В розвиток цього важливого напряму значний вклад внесли В. І. Чуриловський, Г. Ю. Стодолкевич, Н. А. Гусєв, І. М. Монченко, А. В. Мещеряков, М. С. Черемісін, Ф. Г. Кочетов. В 60-70-х роках А. І. Захаровим були розроблені і впроваджені в серійне виробництво найбільш сучасні конструкції приладів з компенсаторами при вертикальному крузі типів Т5К, Т15К, 2Т5К. Серійне виробництво точних теодолітів типів Т2, Т5 і їх модифікацій (автоколімаційні та інші) здійснюються в Росії Уральським оптико-механічним заводом м. Катеринобург.

На Україні розробка і виготовлення геодезичних приладів в післявоєнний період велись на двох великих заводах: Київський завод „Арсенал” і Харківському заводі маркшейдерських інструментів.

В 1948р. на „Арсеналі” розроблена більш жорстка, легка і стійка металева підставка для мензули. Нова підставка широко застосовувалась на топографічних роботах замість мензули МШВ виробництва заводу „Геофізика”. З 1958р. в серійне виробництво запущені мензульний комплект з кіпрегелем-автоматом КА-2, розроблений під керівництвом І. М. Монченко, який і до цього часу має застосування при топографічних зйомках крупних масштабів.

В 60-х роках на „Арсеналі” розроблений теодоліт ТБ-1, який по своєму призначенню, конструкції і точності стоїть в одному ряду з точними теодолітами типу Т2. модифікацією теодоліту ТБ-1 став теодоліт ТБ-3 з автоколімаційним окуляром Монченко з переривистими штрихами, який широко застосовувався в точному машинобудуванні. Автоколімаційні окуляри конструкції Монченко мають і сьогодні впровадження в автоколімаційних теодолітах типу Т2А.

На початку 70-х років завод „Арсенал” освоїв випуск технічних нівелірів. Нівеліри НЛС-1, і НЛ-3 застосовувалися для інженерних вишукувань і проектних робіт, де перевищення визначались як горизонтальним, так і похилим променем візування. Середня квадратична похибка на 1км. Ходу не перевищувала відповідно мм і мм і діапазоні температур від до с. Для нівелювання при висотному забезпеченні топографічних зйомок, при інженерно-геодезичних вишукуваннях і будівництві випускались технічні нівеліри НТ, НТК, НТСК, Н-10, Н-10КЛ. Останній з компенсатором і горизонтальним і горизонтальним лімбом для вимірювання кутів з похибкою відліку забезпечує середню квадратичну похибку вимірювання перевищення на 1км подвійного ходу 10мм.

В кінці 70-х років значна номенклатура геодезичних приладів розробки заводу „Арсенал” передається для виготовлення на Ізюмський приладобудівний завод Харківської області. „Арсенал” продовжує спеціалізуватись на розробці і виготовленні спеціальних геодезичних приладів. На заводі розробляються оптичні квадранти КО-6.0, КО-10, КО-2, гоніометри Г5, Г2 і Г1, а під керівництвом канд. техн. наук О. І. Ванюрихіна створюється лазерний гоніометр з середньою квадратичною похибкою вимірювання кутів . Особливо значний вклад в створення фотоелектричних автоколіматорів, автоматичних систем горизонтування і гіротеодолітів різних по конструкції і точності вніс доктор технічних наук С. П. Пазняков, з яким автор мав щасливу можливість плідно співпрацювати впродовж 20 років. Наприклад, десятки типів фотоелектричних автоколіматорів забезпечували автоматичне вимірювання кутів (в діапазоні ) з середньою квадратичною похибкою в межах , а комплекти гірокомпасів і гіротеодолітів для автономного визначення астрономічних азимутів орієнтирних або заданих напрямків на місцевості мали середню квадратичну похибку від (гірокомпас 1Г17) до (гіротеодоліт ГТ3).

В 90-х роках завод удосконалив і успішно освоїв випуск геодезичних приладів нового покоління:

1) високоточного нівеліра Н-0,5К з оптичним мікрометром для визначення перевищень з середньою квадратичною похибкою 0,2мм на 50м, що застосовується при вимірюваннях деформацій споруд, фундаментів, зміщень земної кори і місцях гірничих розробок, при монтажі кораблів, літаків, турбін;

2) точного нівеліра Н-3КЛ для визначення перевищень з похибкою 2 мм на 100м при нівелюванні в полігонометрії і інших інженерно-геодезичних роботах;

3) приладу високоточного вертикального проектування (ПВВП) з компенсатором і відносною похибкою передачі координат 1:200000;

4) лазерних приладів: нівелірів, приладів вертикального проектування та інших на базі власної розробки малогабаритного лазера.

На Харківському заводі маркшейдерських інструментів розроблений ряд теодолітів для роботи в маркшейдерії: малий оптичний теодоліт ТОМ; теодоліт гірничий ТГ-5; оптичний маркшейдерський теодоліт ОМТ-30; теодоліт Т-20 та інші. Там же під керівництвом А. В. Мещерякова виготовляють конструкції нівелірів НСМ-2, НСМ-2А, НЗК-1 з компенсаторами, що мали широке впровадження в підземних і наземних роботах. Для зйомки підземних камер виготовляються далекомір подвійного зображення з змінним базисом при інструменті (Д1М) і деякі конструкції кутомірів – тахеометрів гірничих.

На початку 90-х років в м. Вінниці створений завод „Аерогеоприлад”, який виготовляє велику номенклатуру комплектуючого приладдя і спеціальних геодезичних приладів і знаходиться в пошуку нових перспективних розробок.