Космонавтика

ГЛАВНЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ "УПРАВЛЯЮЩИЙ"

Управление функционированием современного космического аппарата - сложный технологический процесс, обеспечивающий деятельность экипажа, работу бортовых систем, решение научно-исследовательских и народнохозяйственных задач, предусмотренных программой полета. Ключевая роль в выполнении этих задач принадлежит Центру управления полетами (ЦУПу) - самому крупному научно-исследовательскому подразделению ЦНИИмашиностроения, главного мозгового центра Российского авиационно-космического агентства.

В нем не только оперативно анализируют информацию, поступающую от космических аппаратов, но и направляют их работу, связанную с полетом, осуществляют взаимодействие со службами космодрома, командно-измерительного и поисково-спасательного комплексов, Центра подготовки космонавтов, с академическими и отраслевыми научно- исследовательскими организациями, разработчиками соответствующей техники, а также с представителями средств массовой информации.

Отсюда осуществляют управление полетами орбитальной станции "Мир", работающей с 20 февраля 1986 г.; Международной космической станцией, строительство которой на орбите началось 20 ноября 1998 г.; космическим аппаратом "Океан-0", предназначенным для дистанционного зондирования земной поверхности и Мирового океана; разгонным блоком ракеты-носителя "Зенит-35Ь> (международный проект "Морской старт"). В активе ЦУПа опыт управления кораблем многоразового использования "Буран", автоматическими межпланетными станциями - полеты к Луне, Венере, комете Галлея, к Марсу и его спутнику Фобосу.

Свою деятельность Центр отсчитывает с запуска в СССР 4 октября 1957 г. первого в мире искусственного спутника Земли. Конструкторы назвали его простейшим - ПС-1. Он имел всего лишь два автоматически переключаемых радиопередатчика, источник питания, вентилятор, датчики давления и температуры. Но уже тогда стало ясно: необходим специализированный центр сбора и обработки данных о полетах подобных, а тем более сложных аппаратов. С этой целью стали развертывать специальные наземные станции слежения и управления полетом, а в Государственном союзном научно-исследовательском институте N 88 (ныне Центральный научно-исследовательский институт машиностроения Российского авиационно-космического агентства(*)) создали вычислительный центр (организатором и первым руководителем его стал М. А. Казанский). В строй он вступил в октябре 1960 г. На него возложили функции сначала дублирующего, а затем головного баллистического центра, которым руководил И. К. Бажинов (1917-1991). Первыми космическими аппаратами, управляемыми с участием этой организации, были автоматическая станция "Луна-4" и пилотируемые корабли "Восток-5 и б".

В 1965 г. вычислительный центр преобразовали в координационно- вычислительный центр и возложили на него задачи информационного обеспечения государственных комиссий, обработки и отображения информации при летно-конструкторских испытаниях пилотируемых кораблей и автоматических станций, спутников научного и народнохозяйственного назначения. А головным баллистическим центром он становится при обеспечении полетов пилотируемых кораблей "Союз" и автоматических межпланетных станций.

Большая заслуга в становлении координационно-вычислительного центра принадлежит доктору технических наук, директору НИИ-88 (ныне ЦНИИМАШ) Ю. А. Мозжорину (1920-1998). В 1956-1961 гг. под его руководством был создан первый в мире космический командно-измерительный комплекс, представляющий собой сложную совокупность наземных средств обеспечения полетов различных околоземных и межпланетных аппаратов. Непосредственное руководство организацией всего центра управления полетами осуществлял кандидат технических наук А. В. Милицин.

В начале 70-х годов для реализации совместного с США экспериментального проекта "Союз - Аполлон" на базе этого подразделения создали наш Центр с новым комплексом технических средств. Первыми космическими аппаратами, управление которыми он осуществлял, стали беспилотные корабли "Союз", модернизированные для выполнения новых задач. Они проходили летно- конструкторские испытания под названием искусственных спутников Земли "Космос-638" и "Космос-672".

С 1973 г. на ЦУП возлагают задачи по управлению полетами всех отечественных космических кораблей, пилотируемых орбитальных станций, в том числе долговременных комплексов "Салют - Союз - Прогресс". С 1986 г. Центр работает с орбитальной станцией "Мир". В 1988 г. он обеспечивал функционирование космического корабля многоразового использования "Буран". Отсюда управляли всеми девятью пилотируемыми аппаратами по программе "Интеркосмос" и полетами международных экипажей с участием представителей Франции, Индии, Сирии, Болгарии, Афганистана, Японии, Великобритании, Австрии, Германии, Европейского космического агентства, США и Словакии.

Здесь постоянно работает Главная оперативная группа управления по программе "Мир". В ее состав входят ученые, конструкторы, баллистики, врачи, специалисты по бортовым системам, по обслуживанию технических средств Центра.

Управление орбитальной станцией "Мир" ведут из четырех залов: из Главного - всей станцией, из трех остальных (так называемых оперативных или малых) - пилотируемыми кораблями "Союз-ТМ", автоматическими грузовыми кораблями "Прогресс-М" (в 2000 г. их семейство пополнил модернизированный грузовик "Прогресс-МГ") и модулями "Квант", "Квант-2", "Кристалл", "Спектр" и "Природа", входящими в состав станции.

Еще один Главный зал организовали для управления кораблем "Буран". Сейчас он переоборудован под программу Международной космической станции - отсюда будут управлять ее российским сегментом, а один из малых залов уже работает по этой программе, управляя полетом функционально-грузового блока "Заря" - первого модуля новой станции, создаваемой при участии США, России, стран Западной Европы, Японии и Канады.

Малые залы ЦУПа предназначены для работы с автоматическими межпланетными станциями и околоземными космическими аппаратами научного и народнохозяйственного назначения.

При реализации международных проектов в ЦУПе трудятся консультативные группы стран-участниц. Раньше это было эпизодическим явлением, теперь же их присутствие стало практически постоянным. Так, специалисты Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (НАСА) непрерывно присутствуют в ЦУПе с 1995 г., когда начались совместные полеты российских космонавтов и американских астронавтов на станции "Мир" и кораблях "Спейс шаттл". В настоящее время у нас развернут сектор управления американскими модулями, которые войдут в состав Международной космической станции. Задача работающих тут специалистов НАСА - управление полетом разрабатываемого в США сегмента в случае выхода из строя их ЦУПа, расположенного в городе Хьюстоне, штат Техас. Аналогичный отечественный сектор управления организован нашими специалистами в американском Центре. Оба ЦУПа соединены всеми необходимыми линиями связи, и между ними идет круглосуточный обмен информацией.

К непосредственному управлению полетом наш Центр приступает сразу после отделения космического аппарата от последней ступени ракеты- носителя и несет ответственность за весь полет до окончания работы двигательной установки корабля на торможение для схода с орбиты. На этапах подготовки к старту и выведения на орбиту мы контролируем работу бортовых систем по данным телеметрической информации, наблюдаем за экипажем по телевидению, прослушиваем его переговоры со стартовой командой. На центральном экране Главного зала отображается полет ракеты-носителя на всем участке выведения. После отделения корабля наземные станции слежения начинают прием и передачу нам телеметрической, траекторией информации и телевизионных изображений с борта. Все эти данные оперативно обрабатывает вычислительный комплекс ЦУПа и выдает их на средства отображения в залы управления. Телеметрическую информацию детально анализируют в группах поддержки, которые дают специалисту, ответственному за комплексный анализ, заключение о состоянии и работе каждой бортовой системы.

Сменный руководитель полета, суммируя информацию, полученную от различных служб, принимает решение о дальнейшей программе полета. Соответствующие команды передаются на борт космического аппарата. Их реализация осуществляется с помощью средств командно-программного обеспечения.

Для приема информации ЦУП оснащен мощным узлом связи, способным вполне удовлетворять потребностям среднего города. Вместе с комплексом телекоммуникаций он обеспечивает обмен всеми видами информации не только со станциями слежения и отечественными организациями, участвующими в управлении полетом, но и всеми ведущими космическими центрами наших зарубежных партнеров - США, Европейского космического агентства, Германии и др.

Как уже отмечалось, поступающая к нам информация передается в вычислительный комплекс, который условно делится на четыре функциональные части: баллистическую, телеметрическую, командную и средств отображения.

Решение совокупных задач по обоснованию схемы полета космических аппаратов, ее реализации и получению полного объема необходимой навигационной информации составляет сущность баллистико-навигационного обеспечения. Наши специалисты определяют, где находится объект, какой маневр нужно ему совершить для того, чтобы провести коррекцию траектории как на околоземной орбите, так и на межпланетных трассах. Причем каждая конкретная схема полета космического аппарата обусловливает определенные особенности баллистических расчетов. Например, при решении задачи схода корабля с орбиты приходится моделировать работу бортовой системы автоматического управления спуском последнего, его аэродинамические и динамические характеристики, случайные возмущения плотности атмосферы Земли, учитывать условия входа аппарата в нее, максимальные перегрузки, тепловые потери, его нагрев.

Сложность задач баллистико-навигационного обеспечения зависит от назначения аппарата, программы и этапа его полета. Скажем, для околоземных пилотируемых кораблей можно выделить три участка, на которых требуется разное баллистико-навигационное обеспечение: формирование рабочей орбиты, полет и возвращение аппарата на Землю. На первом участке определяют фактическую траекторию его движения и рассчитывают маневры для выхода на заданную орбиту.

При полете по рабочей орбите периодически контролируют параметры аппарата, выявляют постепенно накапливающиеся возмущения и проводят ее коррекцию. Для реализации программы научных экспериментов требуется большой объем специальных баллистических расчетов: прогноз условий освещенности наблюдаемых районов, определение углов разворота спутника или станции для наведения научных приборов на исследуемые объекты и др. Наиболее ответственный - участок спуска аппарата и его приземления. Здесь необходимо выбрать район, рассчитать маневр схода с орбиты и траекторию спуска, время и координаты места посадки. Для проведения всех перечисленных расчетов создано математическое обеспечение в виде автоматизированных программных систем, позволяющих принимать и обрабатывать навигационную информацию, поступающую по каналам связи со станций слежения, выдавать информацию потребителям, наглядно отображать полученные данные.

Не менее сложна задача контроля бортовой аппаратуры и управления ею для обеспечения заданных условий полета и проведения запланированных работ. Следовательно, необходимо контролировать текущее состояние оборудования. Для этого на борту космических аппаратов устанавливают множество датчиков, измеряющих самые разные физические величины: температуру отдельных элементов конструкции, давление газа, наличие токов в цепях питания приборов, перепады давлений в гидронасосах - всего не перечесть.

Полученные значения параметров, преобразованные в электрические сигналы, передаются на вход бортовой телеметрической системы, которая объединяет сигналы в несколько информационных потоков, с помощью радиопередатчиков излучаемых в эфир. Их-то через земные станции слежения и собирает ЦУП. Здесь в телеметрической части вычислительного комплекса их обрабатывают и анализируют. Из большого потока данных выбирают только достоверные, расшифровывают их и привязывают ко времени все существенные значения контролируемых величин. Количество измеряемых параметров на кораблях "Союз-ТМ" и "Прогресс-М" достигает 1000, на базовом блоке орбитальной станции "Мир" - 5000, на каждом из модулей - 2000.

По результатам их анализа составляют заключение о работоспособности отдельных бортовых систем, запасах и расходах различных ресурсов (рабочего тела, электроэнергии и т.п.), точности соблюдения заданных режимов управления, герметичности отсеков, температурно-влажностном режиме, ориентации в пространстве. На этой основе вырабатываются рекомендации персоналу управления о ходе дальнейших работ.

Обработка, анализ и отображение информации производятся в режиме реального времени. Это означает: во время сеансов связи с космическим аппаратом значения контролируемых его параметров становятся известны специалистам практически без задержек. Такое стало возможным благодаря наличию в ЦУПе одной из самых современных высокоскоростной (до 100 Мбайт/с) локальной вычислительной сети, построенной на базе оптоволоконных каналов связи.

Одна из важнейших задач ЦУПа - научно-методическое обеспечение целевых работ, предусмотренных программой полета космического аппарата. Эта деятельность разнообразна по содержанию и, как правило, имеет важное научное или народнохозяйственное значение. К ней относятся исследование земной поверхности, планет Солнечной системы, звезд, галактик, космической среды; изучение влияния факторов космического полета на организм человека, на растения и животных различных видов; создание в условиях невесомости новых материалов и т.д. Если, скажем, планируется фотографирование поверхности нашей планеты, то заранее определяем облачность над обследуемым районом. При регистрации солнечных вспышек с помощью наземных средств заранее устанавливаем факт повышения солнечной активности для того, чтобы выбрать наиболее оптимальный момент.

Некоторые космические исследования требуют одновременных соответствующих работ на Земле. Так, проведение комплексных экспериментов по дистанционному зондированию земной поверхности из космоса нередко сопровождается синхронной съемкой тех же районов с самолетов и вертолетов, а также наземными контактными измерениями. Сравнение полученных результатов позволяет выявить характер их искажений, вносимых атмосферой.

Эффективность управления космическим аппаратом в значительной степени зависит от своевременного предоставления специалистам оперативной информации о ходе выполнения программы полета. Каждая составляющая информационного потока оперативно доставляется специалистам непосредственно на рабочие места с использованием комплекса коллективных и индивидуальных средств отображения данных. К первым относятся большие экраны, на которых с помощью телевизионных и оптических проекторов, а также алфавитно-цифровых табло представляется положение корабля на орбите, время до начала очередного сеанса связи, ближайшая программа работ, общая оценка выполненных задач и многое другое. Ко вторым - видеоконтрольные устройства, устанавливаемые непосредственно на рабочих местах специалистов. Они помогают выбирать только те данные, которые интересуют персонально каждого из них.

Слаженность в работе систем управления, умение находить решение в любой ситуации достигаются путем тщательной и кропотливой подготовки к их полетам. И ЦУП, как правило, начинает готовиться к любому старту еще в ходе создания космического аппарата. В этот период мы модернизируем технические средства, разрабатываем новые программно-математические комплексы, готовим рабочие помещения.

На этапе тренировок обычно используют все средства ЦУПа и действующую модель космического аппарата. Персонал занимает свои рабочие места и сначала знакомится с действиями, которые будет выполнять при реализации программы конкретного полета. Это составляет приблизительно половину всего периода тренировок. Остальная часть отводится на выработку навыков к работе в нештатных ситуациях.

А параллельно специалисты ищут новые решения по управлению, разрабатывают программы, формируют массивы информации, ориентируясь на реальный космический полет. Командно-программная информация по автоматическим линиям связи передается на моделирующий стенд - аналог космического аппарата, включая макеты жилых отсеков. Изображения объектов окружающего пространства (Земли, Солнца, звезд, других космических аппаратов и т.д.) воспроизводят имитаторы внешней обстановки. В полете космонавты наблюдают их через иллюминаторы или с помощью специальных приборов.

Центральное звено моделирующего стенда - вычислительный комплекс, работающий по программам, в математической форме описывающим угловые и поступательные движения космического аппарата, воздействие на него окружающей среды и работу бортовых систем. Иногда стенд включает реальную аппаратуру, что позволяет проверять ее работу во взаимодействии с остальными бортовыми системами в условиях, максимально приближенных к полетным.

Управление работой стенда и контроль результатов моделирования осуществляют с помощью многофункциональных пультов. Они обеспечивают ввод в вычислительный комплекс начальных баллистических условий полета, позволяют выбирать нужные режимы работы бортовых систем, вводить в системы различные "неисправности", имитировать команды наземных станций слежения.

Технические средства ЦУПа функционально связаны с моделирующим стендом такими же линиями связи, как и с космическим аппаратом.

Словом, в нашем Центре все настроено на высшую надежность, за которой стоит достоверность информации и безопасность на орбите.

* См.: А. Ф. Морозенко, В. М. Шутов. Королев - столица российской космонавтики. - Наука в России, 2000, N 1.


Доктор технических наук В. И. ЛОБАЧЕВ, начальник Центра управления полетами.

Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD