CC BY
789
А. Н. Щерба, А. И. Вайнтрауб, Е. Н. Шаповалов
ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ (ВТОРАЯ ПОЛОВИНА ХХ в.)
Целью пуска ракеты-носителя (РН) является выведение космического аппарата (КА) на заданную орбиту с требуемой точностью. Для решения задачи выведения ракета-носитель (РН) должна доставить КА в точку пространства, принадлежащую этой заданной орбите, сообщив ему при этом вполне определенную по величине и направлению скорость. Понятно, что для этого движение РН должно быть управляемым. Управление движением РН на участке выведения осуществляет специальная система ракеты, называемая системой управления.
Следует отметить, что каждая очередная разработка системы управления — это новый, более совершенный управляющий комплекс. При этом средствами системы управления обеспечивается реализация не только новых качеств самой этой системы, но и прогрессивных проектных решений конструкции объекта управления, его систем, агрегатов, бортового оборудования. Тем самым облик и возможности системы управления оказывают существенное влияние на эксплуатационные и тактико-технические характеристики ракет-носителей.
Ряд новшеств в системах управления, созданных в СССР (России), был применен впервые в мировой практике и существенно повлиял на дальнейшее развитие ракетнокосмической техники.
Перейдем к рассмотрению этапов развития СУ ракет-носителей, отмечая, что деление на этапы достаточно условно.
Первый этап охватывает временной интервал от окончания Второй мировой войны до середины 50-х гг. Этот этап связан с появлением и развитием баллистических ракет (БР) малой и средней дальности и их систем управления. Следует отметить, что, несмотря на различие задач, структуры систем управления БР и РН практически одинаковы, поэтому начальный этап развития СУ связан с созданием боевых баллистических ракет. При разработке первых отечественных баллистических ракет использовался зарубежный опыт, накопленный при создании немецких баллистических ракет ФАУ-21.
Для управления ракетой-носителем в процессе полета необходима информация о текущих параметрах движения и расходования топлива, о величине давления в камерах сгорания и т. д. Такая информация может быть получена с помощью бортовых или внешних (например, размещенных на стационарных наземных командных пунктах) измерительных приборов и систем.
Первая отечественная баллистическая ракета Р-1, созданная под руководством С. П. Королева в середине 1940-х гг., имела одноконтурную систему управления, т. е. содержала только контур стабилизации углового положения оси ракеты и автомат управления дальностью. Контур угловой стабилизации обеспечивал программный разворот и стабилизацию углового положения корпуса ракеты. Автомат управления дальностью обеспечивал выключение двигательной установки при достижении ракетой расчетной скорости2.
© А. Н. Щерба, А. И. Вайнтрауб, Е. Н. Шаповалов, 2008
Таким образом, в ракете Р-1 использовалась автономная инерциальная система управления.
Термин «автономная инерциальная» подчеркивает не только свойство независимости функционирования СУ от внешних технических средств, но и отражает принцип действия информационно-измерительной системы, используемой для определения текущих параметров движения.
Инерциальными называются системы управления, в которых вся первичная информация, необходимая для управления движением, получается с помощью измерительных устройств, использующих свойство инерции материальных тел. Такие измерительные устройства также называются инерциальными. К ним, например, относятся гироскопические приборы, маятниковые и струнные акселерометры.
Однако гироскопические приборы (измеритель скорости и определители направления — гирогоризонт и гировертикант), входившие в СУ ракеты Р-1, были несовершенны, а дополнительная радиокоррекция в боковом направлении и по дальности отсутствовала, вследствие чего точность доставки ракеты была низкой.
Поэтому, когда к середине 1950-х гг. были созданы отечественные баллистические ракеты (Р-2, Р-5), имевшие гораздо большую дальность, для управления ими использовалась радиоинерциальная система. Радиоинерциальная СУ является комбинированной и использует принципы автономного инерциального и командного управления. С помощью двух командных пунктов путем радиоизмерений можно косвенно определить боковое отклонение и текущую дальность стрельбы ракеты. В зависимости от величины и скорости бокового отклонения система боковой радиокоррекции формирует команду для системы боковой стабилизации РН. Радиоуправление дальностью заключается в формировании команды на выключение двигательной установки (ДУ) РН в момент достижения текущей дальностью расчетного значения3.
Осуществляли разработку аппаратуры на первом этапе развития СУ уже сложившиеся научные коллективы, сосредоточенные в двух научно-исследовательских институтах (НИИ)4.
В головной организации — НИИ-885 Министерства промышленности средств связи — под руководством Н. А. Пилюгина создавалась большая часть автономной аппаратуры, а также (на первом этапе) и радиоаппаратура (руководители работ М. И. Борисенко и М. С. Рязанский).
Гироскопическая приборная техника значительно сложнее других электро-автоматических элементов. Поэтому с самого начала разработки систем управления дальнобойных ракет гироскопическое направление было выделено и развивалось отдельно в НИИ-10 Министерства судостроительной промышленности под руководством В. И. Кузнецова. В последующем (1963) группа творческих работников института перешла в самостоятельную организацию НИИ-944, основным направлением деятельности которой было создание гироскопических приборов: измерителей скорости, гироскопов направления, а позднее — гироскопических стабилизированных платформ (ГСП).
Второй этап (конец 1950-х — середина 1970-х гг.) характеризуется разработкой систем управления для межконтинентальных баллистических ракет (МБР) и созданных на их базе ракет-носителей. На этом этапе системы управления приобретают конструктивную завершенность, т. е. в них появляются все подсистемы, используемые в современных ракетах-носителях.
Начало второго этапа можно связать с созданием в 1950-х гг. под руководством С. П. Королева первой отечественной межконтинентальной баллистической ракеты Р-7.
Для обеспечения устойчивости системы угловой стабилизации ракеты Р-7 под руководством М. В. Келдыша была разработана строгая математическая модель ракеты как объекта стабилизации с учетом упругих колебаний корпуса и колебаний жидкости в баках. Дополнительные степени свободы учитывались при выборе параметров корректирующих контуров автомата угловой стабилизации5. Увеличение дальности стрельбы, а следовательно, и времени действия возмущений привело к необходимости стабилизации движения центра масс относительно программной траектории. Стабилизацию движения центра масс осуществляли три системы: нормальной стабилизации (НС), боковой стабилизации (БС), программного регулирования кажущейся скорости (РКС).
Для увеличения максимальной дальности стрельбы ракеты Р-7 под руководством
В. П. Мишина и Б. Н. Петрова была разработана система опорожнения баков и синхронизации (СОБИС). Введение этой системы позволило увеличить максимальную дальность ракеты примерно на 10 %, что составило более 1000 км6. В дальнейшем принципы управления относительным расходом компонентов ракетного топлива (обобщающий термин «система управления расходом топлива») использовались во всех СУ межконтинентальных баллистических ракет и ракет-носителей с жидкостными двигательными установками.
Автономное управление выключением двигателя при достижении ракетой Р-7 заданной скорости не обеспечивало требуемой точности по дальности стрельбы. Поэтому под руководством М. С. Рязанского была разработана радиосистема управления (РСУ) дальностью, а автономный автомат управления дальностью остался в качестве резерва7. Громоздкость и уязвимость РСУ были очевидны уже при ее создании, и в дальнейшем, по мере совершенствования автономной системы управления, РСУ была упрощена, а впоследствии упразднена.
Что же касается автономной системы управления, то и по сей день принципы ее построения не изменились. Вот уже более пятидесяти лет она работает на первой и второй ступенях всех модификаций ракет-носителей, созданных на базе баллистической ракеты Р-7 («Восток», «Восход», «Молния», «Союз»)8.
На втором этапе развития СУ началось интенсивное внедрение автономных инер-циальных систем, а дальнейшие разработки систем радиоуправления были прекращены. Это привело к выделению в 1965 г. из головного института НИИ-885 подразделений под управлением Н. А. Пилюгина, которые образовали НИИ автоматики и приборостроения (в настоящее время Научно-производственный центр автоматики и приборостроения). Вновь созданный институт продолжил развивать направление по созданию автономных систем управления ракетной техникой. В это же время был образован ряд смежных институтов и заводов, что позволило существенно повысить качество разработки аппаратуры систем управления ракет-носителей9.
Создание первой в стране высокоточной автономной инерциальной системы управления привело к достижению примерного паритета в основных технических характеристиках отечественных приборов и их лучших зарубежных аналогов.
Однако к середине 1970-х гг. потенциальные возможности аналоговых (не цифровых) приборов были исчерпаны и разработчики начали вводить в системы управления дискретную и вычислительную технику. Вначале это были простые специальные вычислители, затем — первые бортовые цифровые вычислительные машины (БЦВМ).
С внедрением в практику ракетостроения бортовых цифровых вычислительных устройств связан третий этап развития систем управления.
Следует отметить, что применение БЦВМ привело к видоизменению структуры системы управления. Так, из состава бортового оборудования СУ исчезли усилители-преобразователи и различного рода программные устройства (генераторы импульсов, программные токораспределители и т. д.). Практически перестали применяться логические релейные устройства, а на аналоговые приборы возлагались усиление мощности, электрическое сопряжение и прочие специфические задачи.
С внедрением цифровой техники изменилась не только приборная реализация, но и логика работы системы управления.
Достигнутые в 70-х гг. показатели качества БЦВМ, командно-измерительных приборов и других элементов автоматики позволили реализовать в системах управления РН («Зенит» и «Энергия») метод наведения по «свободной» траектории, предполагающий текущее программирование движения РН - итерационный процесс пересчета программной траектории с учетом текущих условий движения10.
К настоящему времени в нашей стране создан целый ряд ракет-носителей, отличающихся высокими качественными показателями и обеспечивших стране приоритет в решении актуальных задач исследования и практического освоения космического пространства (первый искусственный спутник Земли, облет и фотографирование Луны, полет человека, выход его в открытый космос, мягкая посадка на Луну и ближайшие планеты, сближение и стыковка космических аппаратов, создание орбитальной станции, длительное пребывание человека в орбитальном полете, автоматическая посадка орбитального корабля на взлетно-посадочную полосу и т. д.). Эти успехи не случайны, они предопределены передовыми позициями, которые отечественная наука завоевала в том числе в области создания и производства систем управления. В настоящее время развитие цифровых систем управления ракет-носителей обеспечивает реализацию сложных и эффективных алгоритмов управления (навигации, наведения, стабилизации движения, управления режимами ДУ и др.).
Необходимо отметить, что перечисленные достижения связаны с советским периодом развития страны. Останется ли Россия Великой космической державой? Ответ на этот вопрос мы должны получить на современном этапе развития космической техники.
В настоящее время в этом направлении появились обнадеживающие положительные тенденции.
Последним достижением цифровых систем управления ракет-носителей является создание СУ модернизированной РН «Союз-2». При ее создании осуществлен переход на новую электронику в гиростабилизированной платформе на базе больших интегральных схем и на новую БЦВМ. Это позволило существенно уменьшить массу и электропотребление СУ, унифицировать конструктивное исполнение бортовой аппаратуры, что положительно сказалось на снижении ее стоимости. Текущее программирование движения РН (т. н. «терминальное» управление) позволяет добиться снижения энергетических затрат и повысить точность выведения космических аппаратов.
Дальнейшее совершенствование систем управления идет в направлении улучшения массовых и эксплуатационных характеристик, повышения точности и надежности. Введение в состав СУ аппаратуры спутниковой навигации позволит сократить время предстартовой подготовки и существенно повысить точность выведения, в том числе и при реализации нетрадиционных баллистических схем11.
1 Ракетные войска стратегического назначения: истоки и развитие. М., 2004. С. 116.
2 Военно-космические силы. М., 1997. Кн. 1. С. 24.
3 ЧертокБ. Е. Ракеты и люди. Горячие годы «холодной войны». М., 1999. С. 126.
4 Фаворский В. В., Мещеряков И. В. Космонавтика и ракетно-космическая промышленность: В 2 кн. М., 2003. Кн. 1. С. 172-174.
5 Брусиловский А. Д. От Р-1 до Н-1. Беседы с профессором Борисом Рабиновичем: воспоминания и размышления. Королев, 2005. С. 70.
6 Однажды и навсегда... Документы и люди о создателе ракетных двигателей и космических систем академике Валентине Петровиче Глушко. М., 1998. С. 464.
7 Бердичевский Б. Е. Траектория жизни: Люди, самолеты, ракеты. М., 2005. С. 122.
8 Павутницкий Ю. В., Мазарченков В. А., Шиленков М. В., Герасимов А. Б. Отечественные ракеты-носители. СПб., 1996. С. 24-27.
9 Фаворский В. В., Мещеряков И. В. Космонавтика и ракетно-космическая промышленность: В 2 кн. М., 2003. Кн. 1. С. 174.
10 Космический ракетный комплекс «Зенит» глазами его создателей. М., 2003. С. 18.
11 Уманский С. П. Ракеты-носители. Космодромы. М., 2001. С. 32.
