Thursday, October 27, 2016

188.) Napórából iránytű: a Nap-iránytű - from Sun-dial to Solar Compasses for navigation - MARS vehicle Curiosity

Nap-iránytű - from Sun-dial to Solar Compasses for navigation -Napóra, Sundial. MARS vehicle Curiosity

Uploaded 100% 20.11.2016.
Only Hu. text!

Herczeg Tamás: Napórából iránytű: a Nap-iránytű

(2016. október)
A kalibrált árnyékvetők, azaz a napórák a legrégebbi tudományos eszközök közé tartoznak. Szerkesztésük hosszan tartó megfigyeléseken alapuló csillagászati ismereteket és viszonylag magas szintű matematikai tudást (pl. szögfüggvényekkel, gömbháromszögekkel való számolást) igényel. Működésük alapját a Föld tengely körüli forgásának és Nap körüli keringésének tulajdonságai adják, szerencsére ennek leírására - a napórák esetében - elegendő néhány paraméter, elsősorban a földrajzi hely és a Nap pozíciójából adódó csillagászati idő megadása. Mindebből következik, hogy a napórák egy adott helyen mindig a helyi időt mutatják, azaz a jelenleg használt zónaidők hozzájuk képest vagy sietnek,  vagy késnek. Egy napóra szerkesztéséhez alapvetően a következő négy paramétert kell ismerni illetve kiszámolni a Föld egy adott szélességi körére vonatkoztatva: a Nap „d” deklinációját,  „t” időszögét, „m” magassági szögét és „A” irányszögét. E paraméterek között az összefüggés a következő egyenlettel adható meg:
sin(t)=sin(A) * cos(m) / -cos(d)
A napóraszerkesztés első lépése minden esetben a meridián, azaz a földrajzi Észak-Dél irány meghatározása. A meridián meghatározására kézenfekvőnek tűnik a mágneses iránytű használata, azonban már közel ötszáz éve ismert, hogy a Föld mágneses erővonalai nem követik a földrajzi hosszúsági köröket. Az erre vonatkozó első méréseket Joao de Castro portugál hajós végezte 1538-1541. között a Vörös tengeren és az Indiai óceánon, majd Edmond Halley 1702-ben az alábbi térképet adta ki az Atlanti és az Indiai óceánon három éven át végzett szisztematikus mérései eredményeként:
Edmond Halley térképe a mágneses erővonalakról az Indiai- és az Atlanti óceánon. (Higton H: Sundials. An Illustrated History of Portable Dials. Philip Wilson Publishers, 2001. 92-93.)
Az iránytűs tájékozódás szempontjából a Föld mágneses erővonalaival nem csak az a probléma, hogy nem párhuzamosak a földrajzi hosszúsági körökkel, hanem az is, hogy idővel változnak, eltolódnak. Erre példa egy I. Világháborús tüzérségi tájoló (részletekért lásd 56. blog, http://szextant.blogspot.hu/2014/03/56-mom-magyar-optikai-muvek-hungarian.html), amelynek fedlapjába vésett Európa-térképen futó mágneses erővonalakhoz megjegyzik, hogy azok évente 2 vonásnyit Nyugat felé tolódnak el.
MOM által gyártott tüzérségi tájoló 1915-ből. (Redipuglia Olaszország, I. Világháborús múzeum.)
(photo: Herczeg Tamás
A meridián pontos meghatározására többféle lehetőség van, ezek közül az egyik legismertebb az úgynevezett indiai kör: A földbe függőlegesen leszúrunk egy árnyékvető pálcát, amely köré koncentrikus köröket rajzolunk. Előbb délelőtt, majd délután megjelöljük a körökön azokat a pontokat, amelyekre az árnyékvető csúcspontjának árnyéka esik. Az árnyékvető talppontjától egyenest húzunk az azonos körön megjelölt két érintési pontot összekötő húr felezőpontján át, ez lesz a meridián vonal, amelyhez minden szöget viszonyítani kell. Éppen ezért a napóraszerkesztésnek is a meridiánmeghatározás az első lépése, amint azt Vitruvius már a Kr.u. I. században leírta:
A napóraszerkesztés első lépése: az A-B meridiánvonal kitűzése. (Vitruvius: Tíz könyv az építészetről. (Fordította: Gulyás Dénes). Quintus Kiadó, Szeged, 2009. 193. old.
A napórák szerkesztése gyakorlatilag a Nap „t” irányszögének meghatározását jelenti egy adott földrajzi helyen. A fentiekben megadott sin(t)=sin(A) * cos(m) / -cos(d) egyenlet azonban átrendezhető oly módon, hogy a „t”-val jellemzett helyi csillagászati idő ismeretében kiszámolható a Nap meridiánhoz viszonyított „A” irányszöge, azaz közvetve az Észak-Dél irány. Ez elviekben azt jelenti, hogy egy napóra iránytűként is funkcionálhat! Persze egy ilyen Nap-iránytű tervezése sok számítást igényel, mivel egy év minden napjára, a nappalok minden órájára ki kell számolni a Nap irányszögét, ráadásul figyelembe kell venni a szélességi körrel jellemzett pozíciót is, a terveknek pedig fizikai realitást kell adni, azaz meg kell építeni magát az eszközt. Egy ilyen Nap-iránytű tervrajza látható az alábbi ábrán:

J. M. S. Kaufman és S. Krasnow Nap-iránytű tervrajza az 1943.07.06-ban beadott szabadalmi kérelméhez. (http://www.google.com.na/patents/US2441636)
A kérdés az, hogy van-e olyan szituáció, amikor szükség van egy ilyen bonyolult(nak tűnő) iránytűre? A következőkben néhány példát mutatunk be, amikor a tájékozódáshoz Nap-iránytűt (is) használtak.
A Nap-iránytűk egyik leggyakoribb alkalmazása a sivatagi tájékozódásban volt.
Az alábbi ábrán a fenti tervrajzon ábrázolthoz hasonló felépítésű Nap-iránytű látható.
Abrams” típusú II. Világháborús Nap-iránytű. (http://www.sundials.co.za/THE%20SUNDIAL%20GOES%20TO%20WAR%20web.pdf)
Az Abramsokat az USAAF és a RAF észak-afrikai hadműveleteiben használták 1942-ben. Minden B-24 „Liberator” bombázót elláttak egy Nap-iránytűvel és a legénységet felkészítették annak kezelésére arra az esetre, ha a repülőgép a sivatag felett balesetet szenvedne.
B-24 „Liberator” bombázó. (https://hu.wikipedia.org/wiki/B%E2%80%9324_Liberator)
A brit hadsereg sivatagi osztagában jórészt a „Cole Mk2” és „Cole Mk3” típusú Nap-iránytűket használták, ez utóbbival látták el a francia hadsereg „Marmon-Herrington” harcjárművek legénységét is az 1943-as sivatagi harcokban.
Cole Mk2” és
Cole Mk3” típusú Nap-iránytűk.  (http://www.sundials.co.za/THE%20SUNDIAL%20GOES%20TO%20WAR%20web.pdf)
Az „Abrams” és „Cole” típusú Nap-iránytűk felépítése meglehetősen bonyolult, kezelésük is alapos felkészültséget igényel. Ezeknél egyszerűbb, könnyebben alkalmazható Nap-iránytűt szerkesztett egy I. Világháborús veterán mérnök, Ralph Bagnold, aki őrnagyi rangban szolgált az angol hadseregben és főleg új-zélandi önkéntesekből sivatagi századot szervezett 1941-ben.

Bagnold” típusú Nap-iránytű 

és egy „Bagnold” Nap-iránytű egy „Chevy” katonai szállító járművön.
(http://www.sundials.co.za/THE%20SUNDIAL%20GOES%20TO%20WAR%20web.pdf)






Ismerve, hogy a meridián meghatározásának pontossága erősen függ a helyi (csillagászati) idő ismeretének hibájától, Bagnold különös gondot fordított a pontosidő ismeretére. Ehhez a BBC pontosidő-jelző szolgáltatását vette alapul, amit időnként csillagászati táblázatok segítségével még szextánssal is ellenőrzött. A pontos navigáció révén századával mélyen behatolt a sivatagba, ahol - elsősorban az olasz csapatokon - rajtaütéseket hajtott végre. A későbbiek során ötvözték a Bagnold Nap-iránytű egyszerűségét és a Cole Nap-iránytű sokoldalúságát és megalkották a „Howard” Nap-iránytűt, amely a brit hadseregben még az 1990-es években is használatban volt.

Howard” típusú Nap-iránytű. 


A Nap-iránytűk nem csak a sivatagi tájékozódásban tettek nagy szolgálatot, alkalmazták őket a tengeri navigációban is. Az amerikai haditengerészet mentőcsónakjaiban egészen az 1970-es évek végéig rendszeresítették a „Marean-Kielhorn” típusú Nap-iránytűt, amelynek elve sokkal inkább egy szextánshoz hasonlított, mint egy napórához, így nem vízszintesen, hanem függőlegesen kellett tartani, és színszűrőkkel is rendelkezett a Naphoz viszonyított mérésekre.
Marean-Kielhorn” típusú Nap-iránytű. (http://www.sundials.co.za/THE%20SUNDIAL%20GOES%20TO%20WAR%20web.pdf)
A II. Világháborúban nem csak az angolszász csapatoknál alkalmazták a Nap-iránytűt, hasonló szerkezetek feltűntek a német légierőnél is. A C. Plath Hamburg cég már a II. Világháború előtt kifejlesztett egy Nap-iránytűt, amely egy beépített Junghans precíziós órát is tartalmazott, a csillagászati időt pedig rádió adó-vevőn keresztül közvetítették.
C. Plath Hamburg” gyártmányú Nap-iránytű és „Pintsch Berlin” típusú időmérő. (http://www.knirim.de/rlmbhi.pdf)
A berendezést leginkább a tengerek fölötti navigálásra használták leginkább Anglia bombázásakor. A dokumentációk szerint a Messerschmitt Bf 110 és a Heinckel He 111 típusú bombázók, valamint a Junkers Ju 290 szállítógépek legénységét látták el a készülékkel. A pontos időt rádión adták meg.



Messerschmitt Bf 110, Heinkel He 111 típusú bombázógép, Junkers Ju 290 szállítógép
(https://en.wikipedia.org/wiki/Messerschmitt_Bf_110, https://en.wikipedia.org/wiki/Heinkel_He_111, https://en.wikipedia.org/wiki/Junkers_Ju_290.)
A jórészt éjszaka végrehajtott bombázásokhoz a napórát mikrométerdob szextánsra, majd buborék-oktánsra cserélték le. Ez utóbbinál az észlelőtükör egy gömb („buborék”) középpontjában volt, a félgömb vízszintes pereme képezte a mesterséges horizontot. 
Mikrométerdob szextáns és 
A navigáláshoz két emberre, a navigátorra és az óraleolvasóra volt szükség. Miután a készülék és az óraleolvasó óráját a bázis órájával másodperc pontosan egyeztették, megkezdték a repülést. A navigátor egy forgó dobon helyezkedett el, mellette ült az óraleolvasó. Amikor a navigátor befogta az oktáns célkeresztjébe az adott tájékozódási objektumot (pl. csillagot), megszólalt: „zéró” és elindította az oktáns óráját. A „zérót” hallva az óraleolvasó feljegyezte a karóráján látható időt. A célkeresztet folyamatosan a célobjektumon tartva az oktáns az előre meghatározott 40 vagy 60 vagy 90 másodperc múlva rögzítette az oktáns skálájának változását. Az időből és a skála adatából az útra egy előre  megadott képlettel kiszámolták a repülőgép pozícióját, amit a repülési naplóban rögzítettek és a térképre berajzoltak, majd folytatták tovább a pozíciómeghatározást.
a Navigátor és óraleolvasó pozíciómeghatározás közben. (http://www.knirim.de/rlmbhi.pdf.)
A repülési pozíció ily módon történő ellenőrzésére a katonai szállító és a polgári repülésben is mind nagyobb igény volt, ezért az utasszállítókon is plexi kupolákat alakítottak ki a navigátoroknak vagy a vezetőfülkében felfelé is megnövelték a kilátást.

Antonov AN-26 szállítógép (www.facebook.com Hűen a Hazához, ...), Lisunov Li-2 és Iljusin IL-14 személyszállító repülőgépek plexi kupolával. (Sztraka Ferenc Légi fényképész)
Azt gondolhatnánk, hogy a műholdas helymeghatározás széleskörű elterjedésével a Nap-iránytűk kora végleg lejárt, azonban éppen az űrkutatás az a terület, ahol alkalmazása ismét fontossá vált. 1997. július 4-én több mint féléves utazást követően leszállt a Marsra a Pathfinder marsjáró, amely közel 3 hónapon keresztül továbbította a Mars légkörére, klímájára, talajösszetételére vonatkozó adatokat. A robot a kamerái segítségével több mint 16000 képet küldött a Mars felszíni képződményeiről is, amelyekkel azonban az volt a gond, hogy nem lehetett azonosítani a képen látható formákat, mivel nem jelezte semmi, hogy a kamerák milyen irányban állnak. A hasonló problémák megoldására Bill NYE mérnök, televíziós műsorvezető Nap-iránytű alkalmazását javasolta. A vezetése alatt álló csoport Nap-iránytűjét 1999. április 21-én a Cornell Egyetemen (Ithaka, New York, USA) tartott sajtótájékoztatón mutatták be. Érdemes megemlíteni a tervező csoport illusztris tagjait:
- Jon LOMBERG, a Mauna Kea Center for Astronomy Education, Hawai tanácsadója,
- Tyler NORDGREN, a U.S. Naval obszervatórium csillagásza,
- Woodruff SULLIVAN, a Washingtoni Egyetem csillagásza és napóra szakértője,
- Louis FRIEDMAN, a U.S. Planetary Society titkára,
- Steven SQUYRES, a Cornell Egyetem csillagásza,
- Jim BELL, a Cornell Egyetem csillagásza.
A csoport által tervezett Nap-iránytű tulajdonképpen egy 6 dkg-os, 8x8 cm-es alumínium lapra festett számlapból és egy árnyékvetőből állt. Funkciója kettős volt: az évszak és napszak meghatározása, valamint segítség a marsjáró kamerájának fókusz- és színbeállításához. A marsi Nap-iránytűt a Spirit és az Opportunity marsjárók 2004. évi megérkezéséhez tervezték, felépítését a következő ábra mutatja:

A Spirit és az Opportunity marsjárók 2004. évi megérkezéséhez tervezett Nap-iránytű. (A Nap-iránytűt a http://www.planetary.org/explore/projects/earth-dial/instructions.pdf leírás alapján bárki maga is elkészítheti.)
Óravonalak nincsenek a Nap-iránytűn, a marsjáró mozgása, irányváltoztatásai miatt azok fölöslegesek. A marsi Nap-iránytű „működése” hasonló a földiéhez, azzal a különbséggel, hogy nem a Földre, hanem a Marsra vonatkozó értékekkel kell számolni. (Például az Egyenlítő hajlásszöge a pályasíkhoz nem 23,45 fok, hanem 25,2 fok, vagy a rotációs periódus nem 23 óra 56 perc, hanem 24 óra 37 perc, továbbá a sziderikus keringési idő nem 365,25 földi nap, hanem 668 marsi nap, azaz sol.) Bill NYE ötletét a NASA jónak találta, és meg is valósította a marsjárókon. A Nap-iránytűt úgy helyezték el, hogy az mindig a kamera látóterében legyen, így az árnyék alapján mindig következtetni lehetett a Nap helyzetére. Ha alaposabban megnézzük a marsjárók képeit, akkor felfedezhető rajtuk a Nap-iránytű.
A Nap-iránytű mind a Spirit, mind az Opportunity esetében jól vizsgázott, ezért kisebb módosítással (évszám, szlogen, feliratok és rajzok) felhasználták a 2012. augusztus 6-án Marsra érkező Curiosity marsjárón is.

A Curiosity marsjáró Nap-iránytűje. 

A Földről a Marsra utazó embernek számos kihívással kell megküzdenie, ezek egyike a földi és marsi időszámítás (év, évszakok, napok hosszának) különbözősége. Kezdetben valószínűleg a helyi időknek (is) lesz létjogosultsága, amely jelzésére a legalkalmasabb eszköz a napóra. A marsi napóra szerkesztésének algoritmusa hasonló a földiéhez, olyannyira, hogy például egy földi koordinátákkal megadott marsi „Budapesten” egy délre néző fal északra mutató árnyékvetőjű napórája akár Vitruvius leírása alapján is egyszerűen megszerkeszthető, de akinek nincs kedve szerkesztgetni, ehhez már szabadon letölthető számítógépes program is rendelkezésre áll.
A Mars térképe. (http://marstrek.jpl.nasa.gov/ nyomán.)
Egyszerű szerkesztésű napóra-modell a marsi „Budapestre”. (Lennox-Boyd és www.shadowspro.com nyomán.)
A NASA által 2030-2035. között tervezett első Mars-utazás számos problémája között szerepel az idő mérése és a mindennapi tájékozódás megoldása is a vörös bolygón. A Föld és a Mars eltérő forgási és keringési ciklusai miatt a földi időszámításhoz szokott utazó a Marson könnyen összezavarodhat. Vélhetően kezdetben a lokális idő meghatározására támaszkodhat csak, amint az történt az emberi civilizáció hajnalán is a Földön. Erre a célra a legegyszerűbb megoldás egy napóra. Mivel a Mars mágneses tere nagyon gyenge, a mágneses iránytű alkalmazása a navigálásra nem jöhet szóba, láttuk azonban, hogy egy Nap-iránytű hogyan segíthet a probléma megoldásában. Lehet, hogy a Marsra utazók okosórák helyett napórákat visznek majd magukkal? Majd meglátjuk!

"Természetesen 10 múlt kettővel"  Lynch (Forrás: http://www.toonpool.com/cartoons/sundial%20time_113498)
Írta és szerkesztette: Herczeg Tamás (64.) nyugállományú Mikrobiológus -Budapest- a MTA Magyar Csillagászati Társaság és a Napóra Szakosztály tagja
Bubble-Sextants - Octants; Celestial Aerial Navigation: http://szextant.blogspot.hu/2017/04/196-sextants-octants-for-celestial.html
above: NEW+! NoHigher! Hu. text: We let's create Sun-dial - Készítsünk Napórát!.  TheUpper scanned pics from Juci'bacsi's collect from early 1960's: "Nagy Barkácskönyv" - "Nagy Barkácskönyv - Carpenter Big book" DDR issue 1959  NEW+HiRes! Mixed scan: Courtesy FREE!
FIN!

No comments:

Post a Comment