CC BY
40
УДК 629.7.06
К ВОПРОСУ О ТЕОРИИ КОСМИЧЕСКОГО ТРЕНАЖЕРОСТРОЕНИЯ
© 2012 г. Б.А. Наумов, В.М. Жуков
Центр подготовки космонавтов Gagarin Cosmonaut
им. Ю.А. Гагарина Training Genter
Рассмотрена совокупность теоретических задач, решение которых позволит сформулировать научно обоснованные рекомендации по формированию комплекса технических средств подготовки космонавтов.
Ключевые слова: тренажер; тренажерная система; комплекс технических средств подготовки космонавтов; теоретическая задача.
We consider a set of theoretical problems whose solution would yield evidence-based recommendations for the formation of a complex of means of cosmonaut training.
Keywords: simulator; simulator system; a set of cosmonaut training; theoretical problem.
Отечественная пилотируемая космонавтика прошла сложный путь развития от первых космических кораблей «Восток» до современных орбитальных пилотируемых комплексов (ОПК).
Современная концепция развития орбитальных пилотируемых средств, как в нашей стране, так и за рубежом, предусматривает создание и развертывание на околоземной орбите многоблочных орбитальных пилотируемых комплексов, рассчитанных на длительный период эксплуатации. Создание и монтаж на орбите таких комплексов происходит поэтапно, на протяжении нескольких лет.
Программа полета на ОПК определяет требования и задачи по подготовке будущих экипажей. Исходя из
этих задач происходит формирование облика и состава комплекса технических средств подготовки космонавтов (ТСПК), который предназначен для практической отработки экипажами всех элементов космического полета. Основными компонентами данного комплекса являются тренажеры транспортных пилотируемых кораблей и орбитальных модулей, имитаторы условий космического полета, средства подготовки по работам в открытом космосе, технические средства, предназначенные для проведения теоретической и практической подготовки, средства подготовки к действиям после посадки и т.д. Типовой комплекс технических средств подготовки космонавтов представлен на рис. 1.
Рис. 1. Типовой комплекс технических средств космонавтов
зации выполнения отдельных операций космического полета.
Проблематичность выработки конкретных требований к перспективным техническим средствам подготовки космонавтов заключается в том, что в долгосрочном плане не могут быть достаточно конкретизированы как сами методы, так и объемы деятельности космонавтов. Поэтому процесс разработки требований к ТСПК является многоэтапным и итерационным. Процесс создания, модернизации и эксплуатации ТСПК, представленный на рис. 3, показывает, что этот комплекс на протяжении своего жизненного цикла постоянно подвержен доработкам, модернизации и функциональному расширению. При этом весь комплекс работ жизненного цикла ТСПК проходит на фоне непрерывно проводимых тренировок. Это принципиальное отличие космических тренажеров от тренажеров других сложных динамических систем.
Созданные по различным космическим программам комплексы ТСПК позволили обеспечить успешное выполнение космических полетов. Однако необходимо отметить, что формирование данных комплексов проводилось эвристическими методами. В настоящее время теории тренажеров нет, как нет такой теории и для других человеко-машинных систем. Опытный путь синтеза и разработки тренажеров, по мнению академика А.А. Красовского [2], весьма дорого обходится и приводит к крупным просчетам и потерям. Новые тенденции создания и развития обучающих систем и тренажеров только усиливают необходимость теоретического базиса. Проведенный системный анализ созданных ТСПК [1] показывает разобщенность Головных разработчиков в подходах к созданию космических тренажеров. Эти работы ведутся разрозненно, так как отсутствует единая методология и увязка этих работ в интересах создания тренажерных систем более высокого уровня. В результате резко снижаются возможности по стандартизации и унификации технических средств подготовки и обучения. В настоящее время эмпирический путь синтеза ТСПК, крайне трудоемкий, дорогой и несовершенный, к сожалению, преобладает и в мировой практике.
18
«Восток» «Восход» «Союз» «Лунные» «Салют» «Алмаз» «Буран» «Мир» «РС
МКС»
Рис. 2. Количество тренажеров, разработанных по всем космическим программам: П - комплексные тренажёры; Н - специализированные тренажёры
Для выполнения программы подготовки космонавтов по конкретной программе полета ОПК (ОПК «Салют», ОПК «Мир», ОПК «Международная космическая станция») разрабатывалось и создавалось до ста образцов ТСПК. Все они различались по типам, видам исполнения, назначениям и задачам [1].
На рис. 2 показано количество статических тренажеров, разработанных для различных космических программ.
При создании тренажеров стремятся достичь максимальной адекватности реальному объекту в условиях космического полета. Учитывая сложность (а иногда и невозможность) моделирования в наземных условиях факторов космического полета (невесомость, перегрузки и т.д.), добиться абсолютной адекватности на космических наземных тренажерах не удается. Исходя из вышесказанного основной принцип космического тренажеростроения предлагается сформулировать следующим образом: «Абсолютно адекватный условиям реального космического полета тренажер в наземных условиях создать невозможно».
Этот принцип позволяет сформулировать следующие следствия:
Следствие 1
Цель создания наземного космического тренажера заключается в достижении достаточного уровня адекватности, обеспечивающего профессиональную подготовку космонавтов.
Следствие 2
Недостаточный уровень параметрической адекватности наземных космических тренажеров, а также уровень подготовки космонавтов к выполнению однократно выполняемых в космическом полете операций и операций с периодом выполнения, превышающим время деавтоматизации навыков, могут быть компенсированы за счет тренировок в ходе космического полета в составе реальных ЧМС.
Следствие 3
Недостаточный уровень адекватности наземных космических тренажеров по ряду параметров может быть компенсирован за счет автоматизации и роботи-
Программа полетов орбитального пилотируема о кемплекса ((Ж)
Программа подготовки космонавтов (экипажей по ОПК)
Определение структуры; состав а и
вида технических средств подготовки космонжтов (ТСПК)
Проектирование, сееданне, модификация, доработка ТСГК
Подготовка космонавтов каТСТПС т ех ниче оса я SKcrui уэтац кя ТСПК
Замечания по методическому
обеспечению подготовки космонавтов. поработеТСПК
Летная зйсплуатация ОПК
Замечай!« по работе ОПК, по программе подготовки, по ТСПК
Рис. 3. Процесс создания, модернизации и эксплуатации комплекса технических средств подготовки космонавтов
Анализ опыта создания в Центре подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина тренажерных комплексов в составе комплекса ТСПК по программам ОПК «Салют», «Мир», «МКС» (Головной разработчик -центр тренажеростроения и подготовки персонала, г. Москва) наглядно показал, что тренажер должен рассматриваться не как жесткая замкнутая система, как это имеет место при создании автономных тренажеров, а как совокупность унифицированных аппаратных и программных модулей со стандартными интерфейсами и связями между ними [3]. Данная концепция и технология проектирования тренажерных средств позволяет:
- отказаться от жестких закрытых структур автономных тренажеров и перейти к гибким открытым структурам, позволяющим обеспечивать непрерывное развитие (наращивание) тренажерных средств, проводить с минимальными затратами и трудностями их модернизацию;
- улучшить технические и эксплуатационные характеристики тренажерных средств не только за счет применения дорогостоящего оборудования и высокоточных моделей, но и за счет структурных построений тренажерных комплексов, обеспечивающих возможность проводить быструю замену элементов и блоков тренажеров;
- проводить декомпозицию жесткой структуры автономного тренажера на унифицированные модули, имеющие стандартный интерфейс, с последующей их интеграцией для «сборки» под конкретные задачи, решаемые на тренажерах;
- сократить сроки создания тренажеров;
- сберегать ресурсы и сокращать стоимость создания тренажеров;
- обеспечить возможность создания новых тренажеров или модернизацию действующих без остановки тренировок на других тренажерах, входящих в тренажерный комплекс.
Опыт международного сотрудничества в области космического тренажеростроения, а также результаты создания и эксплуатации автономных тренажеров, тренажерных комплексов и других компонентов ТСПК в Центре подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина дают материалы для обобщений в интересах создания специальной теории космического тренажеростроения. Учитывая тенденцию усложнения перспективных ОПК и транспортных пилотируемых систем, остро ставится вопрос о создании оптимальных комплексов ТСПК.
Теоретическое обоснование оптимизации комплексов ТСПК является сложной научно-технической проблемой, связанной с решением следующих задач:
- научное обоснование типов и состава ТСПК;
- разработка системы технико-экономических показателей эффективности создания и применения ТСПК;
- обеспечения максимальной пропускной способности ТСПК и высокой эффективности их использования;
- определения рационального количества однотипных ТСПК;
- оптимизация структуры построения ТСПК;
- анализ возможных вариантов структурного построения ТСПК;
- построения комплекса ТСПК в виде единого интегрированного тренажерного комплекса;
- разработка методов количественной оценки качества ТСПК.
В последние годы широкое применение получили компьютерные тренажеры, используемые в основном как обучающие системы. Наиболее перспективно смотрятся компьютерные тренажеры, построенные по технологии виртуальной реальности. На них доста-
точно легко и наглядно имитировать различные критические ситуации (задымление, пожар, разгерметизация и т.д.), что трудно реализовать на физических тренажерах. При этом виртуальные тренажеры значительно дешевле физических, мобильнее и не требуют длительных сроков изготовления. Решение проблемы оптимального сочетания в комплексе ТСПК физических тренажеров, функционально-моделирующих стендов и компьютерных тренажеров является важной теоретической и практической задачей.
Актуальна необходимость создания комплекса ТСПК с распределенной структурой, обеспечивающей дистанционный доступ к его ресурсам. Это позволит, используя современные информационные технологии, проводить самоподготовку космонавтов и инструкторов с удаленных терминалов, оперативно контролировать ход проведения тренировок и т.д. Таким образом решается задача трансформации существующего тренировочного процесса в интерактивный тренировочный процесс.
Поступила в редакцию
В интересах рационального использования выделяемых ресурсов, исключения неоправданного дублирования работ, необоснованного расширения номенклатуры тренажерных средств проблемы развития ТСПК должны рассматриваться комплексно, с системных позиций, а создание ТСПК должно осуществляться на основе единой научно-технической политики и принципах программно-целевого планирования.
Литература
1. Наумов Б.А., Шевченко Л.Е. Космические тренажеры. Этапы развития. Звездный городок, 2003. 178 с.
2. Красовский А.А. Основы теории авиационных тренажеров. М., 1995. 303 с.
3. Шукшунов В.Е. Тренажерные комплексы и тренажеры. М., 2005. 384 с.
16 мая 2012 г.
Наумов Борис Александрович - канд. техн. наук, доцент, ведущий научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение «Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина». Тел. 8 (985) 222-88-12.
Жуков Вячеслав Михайлович - д- р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение «Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина». Тел. 8 (903) 794-81-12.
Naumov Boris Aleksandrovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor, leadinging research assistant «Gagarin Cosmonaut Genter». Ph. 8 (985) 222-88-12.
Zhukov Vyacheslav Mikhailovich - Doctor of Technical Sciences, professor, main research assistant «Gagarin Cosmonaut Genter». Ph. 8(903) 794-81-12.
