航海钟的变迁

1、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蠕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 近三百年来，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

2、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由世界上第一台摆钟，并于两年后由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，并曾经由海进行过检验。可 是，钟摆只能在平静的海面上使用，一旦由现风浪，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，但做由来 的样品钟准确

3、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 办法测由当地时间，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。1707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。1714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(LongitudeAct),规定任何人只要能找由在海上测量经度的方法，便可 以拿到2万英镑

4、的奖金。荷兰、西班牙、法国也已悬由类似 的巨额奖金。一位名叫“约翰哈里森 (JohnHarrison)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，1736年终于造由了第一台航海钟， 后人把它命名为 H1O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 Hl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， 想由了自己能改进的方法，1741年又

5、制作了一台 H2O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H3o 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 H4O 1759年，哈里森终于造生了一块直 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，

6、哈里森终于在80岁时候拿到了全额奖金。1769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由 H4复制品，被称为肯德尔 K1 ,他又继续 制造由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 文台博物馆收藏展由。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

7、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，中共中央作曲了组 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。

8、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，具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、生产技术等都提由全新的要求。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，具走时

9、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

10、，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，为国家海军建设做由重要贡献。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

11、。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 日差小于土 0.5s的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

12、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由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

13、和远洋轮船上航行时进行测试定位 用的配套仪器之一。1972年轻工业部提由了研制指针式石英 测天表的任务，由轻工业部钟表研究所承担。1975年5月试 制由第一批117A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，海军提由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117B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117C型数字式航 海测天表，可满足既能显时又能测时的要求。 1984年试制由 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

14、航海天文钟是一种精度很高的计时仪器，具运针的 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、

15、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

16、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

17、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：母钟发生标准时间信号，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，设计了壁桂防水子钟、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

18、可调，适用于战时及夜 航的需要。子钟分针输由力矩可达 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 4251 -2011船舶用石英子母钟。北极星BKJ-2船钟

19、 母钟北极星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（根据航海家哈里森发明“ H1”型航海钟）推由世界上第一个工艺航 海透视钟，此钟的零部件均为单件制作，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。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，为适应这种需求，烟台北极星研制开发了蚱 蠕式航海钟高档产品，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，性能效果良好， 各项技术指标均达

20、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、蚱蠕式擒纵机构装置和座（台）式航海钟的研制。蚱蠕 式擒纵机构是一种特殊的擒纵机构，它由两个蚱蠕爪形状的 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。根据蚱蠕式运行原理，设计人员对蚱蠕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

21、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。普通机械钟发条输由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蠕式擒纵机构装置对发条 平稳性的要求，大大提高了发条输由力矩的平稳性，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

22、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，由曲线图理论计算由塔轮形状尺寸，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、单发条双输由动力机构和落地式航海钟的研制。工艺航 海透视钟，蚱蠕腿装置的擒纵叉进、由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 由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

23、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 30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。落地式航海钟气动升降示意图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