航海钟的变迁

*钟表2013年第5期 文_杜恒彦、唐西平 编辑_梁璐航海钟又称航海天文钟或精密钟，是高精度、可携带的机械计时仪表。可以用来指示时刻、测量时间间隔、航海定位和野外天文观测。随着科技进步、电子技术的发展及晶体振荡器的普遍应用，走时准确的石英航海钟逐渐取代了机械式航海钟。但现代工艺航海钟因其独特蚱蜢时计的造型和赋予的历史文化价值，已成为现代贵重的工艺收藏品。航海钟发明近二百年来，历经了古代航海钟、现代机械、石英航海钟、现代工艺航海钟的变迁。古代航海钟的发明与发展远洋航海中，为了确定船在海面的准确位置及航向， 必须测定经纬度。通过观测太阳或者北极星的高度可以确定纬度，没有任何天体能够用来直观地显示经度的差异。因此航海家们只能依靠测量航速来估算自己的 相对位置。从科学上讲，经度问题可以换算为时间。地球每天（24小时） 转动一周是360度，每小时的时差就相当于经度15（360除以24）。因 此，只要知道两地的时间差异，就可以知道两者之间的经度差了。1656年，荷兰科学家惠更斯制作出世界上第一台摆钟，并于两年后出版了一本描述摆钟原理的专著时钟。他曾经专门为航海而制作了两 台航海钟，并曾经出海进行过检验。可是，钟摆只能在平静的海面上使 用，一旦出现风浪，摆钟就不准了。为此惠更斯发明了螺旋平衡弹簧， 代替钟摆，试图利用这个弹簧，制造一种能够在海上使用的摆钟，但做 出来的样品钟准确度仍然太低， 海员们不可能依靠它来确定经度。因此 科学界都认为只能依靠天文学家，通过观测星相的办法测出当地时间， 但并未能达到有效精度，而且用起来也很麻烦。由于没有准确的钟表来 测定精度，经常发生航船迷航遇险的事情。仃07年，一支英国舰队在战胜了法国舰队之后胜利返航，却在途中遭遇大雾，迷失了方向，造成4艘战舰撞上了海岛沉没，1500多名水手丧 命的惨重损失。这件事再一次让英国政府意识到寻找经度的重要性。 仃14年，随着英国政府海上霸主地位的确立， 解决航海经度的难题迫在 眉睫，英国国会通过了经度法案（Longitude Act），规定任何人只要能找出在海上测量经度的方法，便可以拿到2万英镑的奖金。荷兰、西班牙、法国也已悬出类似的巨额奖金。一位名叫 约翰 哈里森”（John Harrisor的英国钟表匠，为了得到这笔2万英镑奖金，通过自己掌握的制造钟表的原理和技能，充满信心开始 研究制造航海钟。他经过多年研制，仃36年终于造出了第一台航海钟，后人把它命名为H1。这台1米见方、重达42公斤的庞然大物采用了哈 里森发明的 蚂蚱腿”装置，即用两根弹簧把两个金属钟摆的两头连在一 起，使钟摆的摆动频率摆脱了海浪颠簸的影响。哈里森带着H丨进行了一次短途航海旅行，结果证明用它来测量经度比当时所有的方法都要准 确。但是，哈里森发现一些不足之处，想出了自己能改进的方法，仃41年又制作了一台H2。可还没等H2完工，哈里森又发现了一个致命缺点， 便又开始制作H3。H3花了他19年时间，H1、H2和H3都是庞然大 物，因为当时的钟表界都认为只有大的钟表才会准确。一个偶然事件终 于让哈里森意识到，小型高频振子才是避免受环境影响的最佳办法。他 毅然决定推倒重来，开始制作 H4。仃59年，哈里森终于造出了一块直 径为13厘米，重1.45千克的比怀表大一点的航海表。这H4携带方便， 准确性也大大提高了。经度委员会”让哈里森的儿子带着H4远征牙买加，经过81天的海上航行，H4只慢了 5秒钟，大致相当于3公里，其 误差率远小于 经度委员会”制定的最大限度。在国王的支持下，哈里森 终于在80岁时候拿到了全额奖金。仃69年，另一位钟表匠拉克姆肯德尔在哈里森H4的设计结构原理 上制作出H4复制品，被称为肯德尔 K1，他又继续制造出K2、K3，进 一步完善了航海钟，并都经受住了长时间的航海考验，得到推广应用。为了表彰英国天文学家在这个领域里的功绩，1884年国际天文学界召 开会议，正式把格林尼治皇家天文台所在地定为本初子午线，也就是零经度。从此，地球被分成了东西两个半球。如今普通人都可以很轻松地 拥有卫星全球定位系统，哈里森的 4台钟表，以及肯德尔的 K1，现在 都被格林尼治天文台博物馆收藏展出。国内舰船钟的研发与更新我国是一个拥有漫长的海岸线和广阔的海洋国土，有过有海无防而遭受帝国主义列强侵略的屈辱历史。 在全国解放前夕，为适应当时沿海军 事斗争形势的需要，着眼于履行国家统一、保卫国家主权和海洋权益的 使命，中共中央作出了组建人民海军的战略决策。1949年4月23日，中国人民解放军的第一支海军 一一华东军区海军在江苏省泰州白马庙 宣告成立，人民海军从此诞生。建国初期，为了有效地保卫领海，向苏 联购买现成舰艇和通过转让方式引进技术进行仿制，就成了新生的人民海军建设的主要途径。通过购买了大批苏联海军装备，加上中国建造、 改造的船艇，到1955年底，中国海军已经初具规模，为中国海军的发 展打下了一定的物质基础。舰船用航海钟全靠从苏联及东欧国家进口。1、机械航海钟的研发与生产1957年初，根据国际形势变化和国防建设的需要， 烟台钟表厂遵照国 家轻工业部的指示，开始研制国防急需的舰船用航海钟。要求当年内试 制完成产品，其技术指标要达到国外产品标准。航海钟的精度指标和制 造水平与当时烟台钟表厂生产的民用大钟、闹钟差别非常大。从设计技术人员、加工设备、生产技术等都提出全新的要求。面对紧迫的任务、 困难的条件、军队国防的急需，钟表厂技术人员毅然决然接受了研制任务。在试制过程中，研制人员参照苏联和匈牙利的船钟样机想方设法、 创造条件、刻苦攻关，终于比预定时间提前完成任务，1957年10月国内第一台舰船航海钟试制成功。经过海军舰艇安装试用，其走时精度、 防震、防水等指标均达到设计标准，填补国产舰船航海钟国内空白。在 样机的基础上，通过设计改进、工装量具的更新以及关键技术设备的反 复试制、攻关，1959年国庆节前试制成功第二批舰船航海钟，为建国十周年献了一份厚礼。随之将舰船航海钟列入了军工生产计划，国家投资 140多万元，钟表厂进行专用设备仪器的技术改造，扩大了产品的生产 能力，1960年10月将产品按军工品统一编号定型为104型航海钟。之后又试制了 106、107、109等航海钟。104航海钟在1963年6月16日 通过了由海军装备部、轻工业部、三机部联合组织的技术鉴定，1964年获得国家经委颁发的军工新产品奖。1964年12月，山东烟台钟表厂试制的108潜水艇航海钟通过山东省轻工业厅技术鉴定。根据国家调整工业布局及三线建设方针，1966年6月29日，山东省经委决定将山东烟台钟表厂生产航海钟的军工车间迁往聊城，筹建山东烟台钟表厂聊城分厂。1967年9月开工投产，专业从事军用航海钟生产。 1970年更名为聊城钟表厂。至 2000年累计生产9万只，最高年产量是 1977年生产了 7637只，为国家海军建设做出重要贡献。1978年104、108航海钟获全国科学大会奖。1980年5月山东聊城钟表厂生产的104、 108航海钟安装在参加我国发射运载火箭实验的远洋舰只上，圆满完成 任务，受到中共中央、国务院和中央军委的通令嘉奖。1985年12月104 航海钟先后获山东省优质产品和轻工业部优质产品。同期，1964年上海手表厂608车间研制成功并投入生产的105型航海 钟，搬迁到西安后由风雷仪表厂接续生产。上海中国钟厂应上海市国防 工办要求而开发舰艇航海钟，为江南造船厂的潜艇和沪东造船厂的快艇 配套，截止2000年共生产105快艇钟3501只。2、石英航海钟的研发与生产1966年邢台地震发生后，轻工业部给烟台钟表厂下达了研制日差小于 0.5S勺高精度石英钟与地震记录仪配套，用于地震观测。钟表厂技术 人员以较短时间研制成功 SY1型指针式石英天文钟。第一批 5只石英 天文钟于1967年10月交到地震观测第一线，这也是国内研制的第一只 石英钟。1971年烟台钟表厂试制成功舰船用 110石英报房钟，随之精准 的石英航海钟逐步取代了机械航海钟。1) 100A、100B型石英航海钟天文钟1968年，由西安风雷仪表厂与轻工部钟表研究所共同研制出100A型石英航海天文钟，用于航海、天文测量及实验室中作时间标准，标志着 舰船航海钟研制水平有了一定程度的提高。1970年试制200只，1971年至1988年约生产2000只。1974年，西安风雷仪表厂开始研制 100B 石英航海天文钟，1981年11月通过轻工业部组织的技术鉴定并正式投 产，至1988年累计生产1286只。1983年获轻工部科技成果四等奖。2) 航海测天表航海测天表是海军舰艇和远洋轮船上航行时进行测试定位用的配套 仪器之一。1972年轻工业部提出了研制指针式石英测天表的任务，由轻 工业部钟表研究所承担。1975年5月试制出第一批1仃A石英指针式航 海测天表样机提供海军使用，各项指标均达到使用要求。1977年，海军提出研制半秒跳式的测天表，轻工业部钟表研究所于1980年研制成功，命名为1仃B指针式航海测天表。经1981年鉴定会 认为，该产品使中国的航海测天表又上了一个新台阶。轻工业部钟表研究所从1981年又开始研制1仃C型数字式航海测天表， 可满足既能显时又能测时的要求。1984年试制出样机，1985年通过部 级技术鉴定。3) 高频石英航海天文钟高频石英航海天文钟是一种精度很高的计时仪器，其运针的方式为半秒跳，长三针。它适用于航海、天文、地震、大地测量和实验室作为时 间标准。由轻工业部钟表研究所于1981年至1983年研制成功。主要技 术性能指标已达到国外先进的瑞士欧米茄公司80年代初生产的1525精密石英航海天文钟的水平。 截至2000年已生产1435只。该产品于1986 年获轻工业部科技进步三等奖。4) SY5C型石英船钟1981年烟台钟表研究所在研制成功 SY5型指针式石英钟的基础上， 试制生产了 SY5C型石英船钟。机心采用了金属夹板和轮系，外壳为磨 光黄铜壳，晶体采用了高频石英谐振器。它具有计时精度高，工作可靠， 使用方便，耗电省，防潮、防溅等特点。SY5C型石英船钟于1982年获 山东省科委科研成果三等奖。北极星BKJ-1 B-5双面船钟子钟5) SY5B1型石英报房钟SY5BI型石英报房钟是1980年代烟台钟表研究所研制并生产的舰船 无线电室必备的计时仪器，是电子技术与机械钟表制造工艺相结合的新 型产品。机心使用了频率高、温度系数小的石英谐振器作频率基准，通 过集成电路的功能驱动步进电机带动指针指示时间，所用的晶体经过精心筛选老化处理。该钟具有计时准确、工作可靠、防潮防溅等优点，可 以同时指示北京时间和格林尼治时间。6) 舰船用石英子母钟系统为适应我国海军装备建设和船舶工业发展的需要，1990年烟台钟表研 究所承担了烟台市科委下达的 舰船计时子母钟系统”研制项目。经过一 年的努力，完成了研制任务并投入了试生产。舰船子母钟系统已成为烟 台钟表研究所的BKJ系列定型产品。19911992年，烟台钟表研究所研制成功 THZM-1型高精度石英子 母钟系统，用于海军舰船上。该产品中的报房用钟可指示格林尼治时间， 填补了国内空白。子母钟系统属国内首创，达到国际八十年代水平。BKJ 系列舰船子母钟1995年通过了海军装备部的军检，广泛用于人民海军 舰艇和民用船舶上。母钟部分以微电子机处理器作为母钟核心，软件设 计采用了模块式结构。考虑到舰船上电子干扰信号强，采用了自动复位 措施，即遇到强干扰时，能重新启动微机处理器工作，以确保母钟正常 运行。为保证计时精度，振荡部分的核心部件选用了特性优越的进口高 频石英晶体。该系列产品完全可以满足计时准确，工作可靠，维护方便， 耐冲击抗振动的航海及实战要求。其特点和性能是： 母钟发出标准时间信号，控制所带子钟同步运行。为适应舰艇、船 舶在远洋航行中跨越时区的需要，该系统增加了独特的正反针快速拨针 功能，使其可以方便的调整时间。为满足双向拨针需要，子钟采用了双 向运动步进电机。在母钟信号的驱动下，子钟可正反两个方向运转，且 双向运转性能一致，运行可靠。 根据舰船上不同的使用场合，设计了壁挂防水子钟、集控台子钟、厨房子钟等十几个类型的子钟。其中发光钟面采用了发光EL板，照明效果明显，亮度可调，适用于战时及夜航的需要。子钟分针输出力矩可达1.1 X 10-2Nm大大提高了走时可靠性。BKJ1型舰船子母钟可带40只子钟，BKJ2型舰船子母钟可带100只以上的子 钟。北极星精密航海计时仪和舰船子母钟系统应用在我国远望”号（远望一号至四号）综合性远洋测控船上，保障监测船的同步时间为零时差。远望”号担负我国卫星、飞船、和其他航天器全程飞行试验海上测量和控制回收任务，是我国航天测控网的重要组成部分，为神舟飞船保驾护航。2011年由烟台北极星股份有限公司、 烟台钟表研究所等有限公司起草制定了国家轻工行业标准 QB/T 42512011船舶用石英子母钟。北极星BKJ-2船钟母钟1110298756LI/J北极星BKJ-1 B-8照明子钟现代工艺航海钟研发与生产目前，世界上随着钟文化的推广，英国肯密狄钟厂（根据航海家哈里件均为单件制作，经精工打磨，由高级钟表匠精心装配，调试而成，是应这种需求，烟台北极星研制开发了蚱蜢式航海钟高档产品，完成了座（台）式、落地式航海钟产品研发。产品经过国内外用户的使用反馈,表市场上机械式钟表的复苏， 人们对高档机械钟的需求越来越大，为适随着国内消费水平的不断提高， 消费理念的不断更新，以及国内外钟森发明“ H1型航海钟）推出世界上第一个工艺航海透视钟， 此钟的零部集计时与观赏，收藏于一体的古朴，典雅的精美工艺机械时钟。性能效果良好，各项技术指标均达到了设计和产品标准要求， 2011年 11月项目通过了山东省科技厅组织的科技成果鉴定。 现代工艺航海钟主 要创新点：1、蚱蜢式擒纵机构装置和座（台）式航海钟的研制。蚱蜢式擒纵机构是一种特殊的擒纵机构，它由两个蚱蜢爪形状的擒纵叉及定位簧和两 个左右并排的哑铃状平衡摆及摆轴和与之连接的双扇形齿组成，构成了摆杆连动机构。平衡摆与擒纵叉通过定位簧弹性连接，时钟运行时，平 衡摆以摆轴为中心作往复联动摆动，使该时钟能基于任何一个位置互相 进行补偿，即使时钟放置位置不在静止状态，也可以消除倾斜和摇动的 影响，实现准确计时。根据蚱蜢式运行原理，设计人员对蚱蜢式擒纵机构进行了动力参数计 算和结构优化设计，同时进行擒纵机构装置与传动部分的结合研究以及 如何保证主要零部件加工精度的研究。保证了机心的走时延续性要求和 工作可靠性。在加工中严格控制和精确调整相配合零部件的径向和轴向 间隙，保证各零件装入夹板的同轴度， 从而保证擒纵调速机构和轮系的 传动效率，提高摆幅的稳定性。在装配中严格的地装配、调整定位簧的 修圆调平和擒纵机构间隙的调整，有效提高擒纵机构的效率。普通机械钟发条输出力矩呈曲线形不断衰减问题，导致时钟走时误差大。均力轮系统能保证蚱蜢式擒纵机构装置对发条平稳性的要求，大大 提高了发条输出力矩的平稳性，时钟走时误差小，精确度比普通时钟提高一个档次。座（台）式航海透视钟头轮设计采用发明专利技术的内棘 轮均力轮和限位片保险结构的动力系统，通过实验计算测绘发条的力矩 曲线图，由曲线图理论计算出塔轮形状尺寸，最后确认一种理想的发条 和塔轮参数，解决了座（台）钟发条力矩平稳性的问题，满足了技术要 求。2、单发条双输出动力机构和落地式航海钟的研制。工艺航海透视钟，蚱蜢腿装置的擒纵叉进、出瓦与特大擒纵轮的设计本身存在技术不足， 走时精度较差，时钟日累计误差平均在 5分钟之间；工艺航海透视钟 创新设计采用单发条双输出动力机构以陀飞轮机构指示时间的设计，在前夹板内侧的发条轴上设一方轴并固装一走头轮组件，走头轮组件中的头轮片与所设置的走时传动机构相啮合连接，走时传动机构是由走二轮组件、走三轮组件、走四轮组件、走五轮组件和走六轮依次啮合连接组 成的齿轮传动轮系；走时控制机构由走四轮组件、过轮组件与套装在其 轴端上的时针管啮合连接； 走六轮轴端部安装的陀飞轮机构，通过合理 的选取走时和摆动轮系传动比，满足走时和摆动的同步运行。计时平均 日差提高到土 3（秒/日。落地式航海透视钟则采用重锤为动力绳缆驱动，使时钟的走时误差达到最小化，精度比普通发条驱动时钟提高一个档次。走时平均日差提高 到土 15秒 /日。在落地式航海透视钟的上钟体首次尝试采用设计先进的气 动升降与控制装置。升降与控制技术指标及性能可靠，方便了用户使用。 该落地钟机心与座（台）钟机心零件通用率为90%以上,符合标准化要求。3、表面处理的新工艺研究。 该产品属于高档透视系列，表面处理要 求很高，因此座钟钟壳外观精选高档红木，漆面采用生漆处理工艺，色 泽光亮，抗老化，不退色。落地钟钟壳外观精选高档硬枫木，并制定水 油结合油漆新工艺。水色涂装工艺缺点是木材易变形， 喷漆后光泽暗淡, 油色涂装工艺缺点是木材花纹不明显，类似于塑料表面的感觉。而水油结合油漆新工艺则可以克服以上两种工艺的缺点，可达到色泽鲜艳，亮度柔和适中，漆层饱满，给人一种浑重大气、雍容华贵的感觉。钟针和夹板柱螺钉的枪蓝颜色采用电泳漆新工艺、 机心金属件表面镀24K纯金 采用单件加工、手工打磨等手段，做到了件件晶颖剔透。可视的外观设 计，将时钟擒纵装置裸露安装在钟面外面，工作时从时钟正面可看到擒 纵装置不停地转动显示动感，提高了时钟的观赏性。结语钟表产品更新换代到今天，已经成为一种装饰符号，一种身份、文化 的象征，因此钟表的外观装饰至关重要。 航海钟设计最初目的是增加计 时的准确性，而现在工艺航海钟出现在钟表中是为了显示制造钟表的高 超技艺和精美工艺。工艺航海钟带动了钟表从设计理念、加工工艺、外 观装饰技术的全面提高。目前国内外销售的工艺航海钟均为座钟，以发条为动力，采用蚱蜢式擒纵机构具有双摆联动和走秒功能，上条周期为37天。与国内外同类技术对比，北极星公司产品有座钟和落地钟两大系列，分别以发条和 重锤为动力，均采用蚱蜢式擒纵机构，不仅具有双摆联动和走秒功能。 同时座钟还具有单发条双功能输出和陀飞轮计时功能。落地钟还具有气动升降及控制装置。上条（升锤）周期为 7天。工艺航海钟很大的提高了机械钟（特别是座（台）、落地钟）的档次， 将现行的机械钟制造技术提升到一个更高的水平，从技术上保证对机械钟高档产品的要求。独特的透视机心结构极具观赏性，带动了高端机械 时钟的发展。产品已应用推广到国内各销售网点并出口到欧盟市场，受 到消费者的青睐，市场前景广阔。