CC BY
134
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. З е л е н ц о в В. В., Л а д о в С. В., Ч е р н ы й В. Г. Реформа системы образования и подготовка инженерных кадров для оборонных отраслей промышленности // Оборонная техника. - 2009. - № 1-2. - С. 3-8.
2. Проблемы подготовки кадров для оборонно-промышленного комплекса и высоких технологий: Сб. документов, решений и рекомендаций / Под ред. И.Б. Федорова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 183 с.
3. Научноеи научно-методическое обеспечение подготовки кадров по оборонным специальностям высшего профессионального образования / А.К. Ефремов,
B.В.Зеленцов, С.В.Коршунов и др. // Оборонная техника. - 2002. - № 11. -
C. 3-8.
4. В е л д а н о в В. А., Л а д о в С. В., К и ч к и д о в А. А. Разработка Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности "Боеприпасы и взрыватели" // Боеприпасы и высокоэнергетические конденсированные системы. - 2009. - № 2. - С. 175-182.
Статья поступила в редакцию 21.12.2009
УДК 629.7
В. А. Соловьев, В. Е. Любинский
МКС - НОВЫЙ ЭТАП МЕЖДУНАРОДНОГО СОТРУДНИЧЕСТВА В КОСМОСЕ
Рассмотрены существующие формы международного сотрудничества в освоении и использовании космического пространства. Оценена необходимость совместного участия развитых стран в реализации крупных программ будущего. Показано, что создание и успешная эксплуатация Международной космической станции усилиями сообщества нескольких стран заложили организационную и методологическую основу для выполнения масштабных проектов в международной кооперации. Освещены особенности и проблемы эксплуатации Международной космической станции и управления ее полетом.
E-mail: [email protected]; [email protected]
Ключевые слова: управление полетом, сегмент МКС, космический комплекс, модуль станции, корабль-спасатель, обитаемая планетная база.
Высокая заинтересованность многих стран в исследовании, освоении и целевом использовании космического пространства выявилась на ранних этапах становления практической космонавтики. Тогда же возникло и общее понимание пользы и необходимости развития международного сотрудничества в этой области. Средствами выведения на орбиту в то время располагали только две державы — СССР и США. В этот период на советских космических аппаратах (КА) в порядке услуги устанавливалась исследовательская аппаратура, разработанная научными организациями ряда других стран, например в рамках программы "Интеркосмос".
В дальнейшем это сотрудничество развивалось, приобретая следующие основные формы.
1. Установка на КА одного из участников программы (назовем его условно "хозяином КА") целевой аппаратуры другого участника (партнера), которая работает по его программе. "Хозяин КА" должен обеспечить эту аппаратуру условиями, требуемыми для ее нормального функционирования, а программу, реализуемую с ее помощью, — необходимыми ресурсами. Партнер должен либо предоставить методику выполнения работ с целевой аппаратурой, либо самостоятельно управлять этими работами, если такая возможность обеспечена. В ряде случаев для этого в состав экипажа КА включается космонавт — представитель партнера. Ряд международных программ такого рода выполнялся на станциях "Салют" и "Мир".
2. Отработка с использованием КА двух партнеров совместных операций в интересах перспективных программ. В качестве примера этого вида сотрудничества в космосе можно привести программы "Союз-Аполлон" и "Мир-Шаттл", в ходе которых отрабатывались операции сближения и стыковки американских КА ("Аполлон" и "Шаттл") с российскими, в первом случае — для создания в будущем системы спасения экипажей аварийных КА, во втором - для обеспечения программы международной космической станции (МКС).
3. Оказание помощи друг другу в обеспечении полетов КА средствами своих наземных сегментов, например предоставление услуг связи через свои наземные станции, спутники-ретрансляторы и т.д.
4. При выполнении совместной программы использование интегрированных в единый космический комплекс и функционирующих по единому плану КА партнеров. Примером такой программы служит создание МКС и ее совместная эксплуатация несколькими международными партнерами, включая Россию, США, Европу в составе нескольких государств, Японию, Канаду и другие страны. В будущем можно было бы представить аналогичный вариант сотрудничества в создании межпланетного корабля и планетных баз на Луне и Марсе.
В перспективе представляется необходимым предусмотреть международное сотрудничество, по крайней мере, в следующих космических программах.
5. Создание и эксплуатация международной системы спасения экипажей КА, терпящих бедствие в космосе. Эта система должна обеспечить эвакуацию экипажа с КА, утратившего в полете способность возвращения на Землю. В ее состав, очевидно, должны входить несколько кораблей-спасателей, находящихся в высокой степени готовности к полету на различных космодромах, разнесенных по географической долготе. Координировать работу системы должен центральный орган (своего рода штаб). Все пилотируемые корабли, обслуживаемые этой системой, и корабли-спасатели должны быть оснащены
совместимыми средствами сближения и стыковки, совместимыми радиосредствами для обмена необходимой информацией и одинаковую атмосферу обитаемых отсеков. Выполнение этих условий странами — разработчиками кораблей, входящими в разные космические программы, также является предметом международного сотрудничества, требующего согласования проектов кораблей в указанной части.
6. Совместная разработка и эксплуатация средств непосредственного исследования Марса человеком. Если же в программах освоения Марса межпланетные корабли будут создаваться все-таки разными странами или группами стран, то имеет смысл полет кораблей выполнять одновременно по близким траекториям, чтобы иметь возможность оказывать взаимную помощь в критических ситуациях.
7. Создание непрерывно функционирующей и постоянно расширяющейся обитаемой базы на Марсе. Такая база, изначально используемая при исследовании Марса людьми, со временем могла бы служить убежищем для части человечества и средством сохранения современной цивилизации в случае глобальной катастрофы, делающей Землю, возможно на длительный срок, непригодной для жизни.
Необходимость объединения усилий ряда стран для реализации указанных перспективных программ не вызывает сомнения и диктуется рядом обстоятельств:
— такие программы будут выполняться в интересах всех стран, занимающихся пилотируемой космонавтикой (п. 5), и всего человечества (п. 6 и 7);
— большие затраты, необходимые для выполнения работ, связанных с этими программами, в ближайшие десятилетия по силам только международному сообществу;
— для реализации таких проектов потребуется использование обширного комплекса прогрессивных технических решений и средств, создание которого в обозримый период времени будет возможно только усилиями нескольких стран.
Сейчас исследование различных концепций перспективных космических систем и разработка их отдельных элементов достаточно успешно ведутся в нескольких странах мира, включая Россию, США, ряд европейских государств.
Осмысливая весь огромный объем работ, выполненных при проектировании МКС и на девятилетнем этапе эксплуатации МКС в пилотируемом режиме, можно с уверенностью утверждать, что для решения поставленной задачи были найдены, детально разработаны и успешно использованы эффективные принципы международного сотрудничества при создании космических комплексов высочайшей сложности [1-4]. Были предложены, опробованы и внедрены надежные методы
их реализации. Эти принципы, несомненно, в значительной мере применимы и к приведенным ранее перспективным программам.
Процесс их согласования с американским партнером был нелегким и долгим. В результате были достигнуты договоренности, которые потом выполнялись обеими сторонами.
В основу организации сотрудничества международных партнеров при проектировании МКС и ее эксплуатации были положены два основных принципа. Первый — принцип единоначалия как основа координирования и интеграции деятельности всех звеньев контура управления и партнеров. Второй — соблюдение национальных интересов стран, участвующих в проекте. В соответствии с "Меморандумом о взаимопонимании" — основополагающим документом, который определяет взаимоотношения между партнерами, — координирующая и "интегрирующая" роль в этой схеме отведена НАСА (Национальному управлению США по аэронавтике и исследованию космического пространства). Защиту национальных интересов партнеров обеспечивают различные многосторонние советы и группы.
Партнерами были выработаны общие требования к МКС в целом и частные требования к каждому из сегментов станции (российскому (РС) и американскому (АС)), а также к элементам американского сегмента — европейскому и японскому модулям станции и канадскому манипулятору. Были определены требования и к различным интерфейсам между сегментами партнеров (механическим, информационным, электрическим и др.). Каждый партнер должен был выполнить эти требования, используя собственные технологии, методы, технические средства и программное обеспечение.
Участие России в программе МКС позволило США избежать больших затрат средств и времени на создание модуля станции с двигательной установкой (ДУ) для обеспечения маневров станции, поддержания и коррекции ее орбиты, ускорило начало полета станции в пилотируемом режиме, поскольку в составе служебного модуля "Звезда", выведенного на орбиту уже в середине 2000 г., в начальный период сборки станции, имелись и ДУ, и средства обеспечения жизнедеятельности экипажа.
Для МКС также принят и успешно применяется принцип, согласно которому при невозможности осуществления функции, обычно выполняемой сегментом одного из партнеров, эта функция должна быть выполнена сегментом другого партнера
Пополнение станции необходимыми запасами топлива в процессе ее полета осуществляется с помощью российских автоматических транспортно-грузовых кораблей-заправщиков "Прогресс". С помощью собственной ДУ на топливе, сэкономленном при сближении со станцией, практически каждый "Прогресс" выполняет операции коррекции
и поддержания ее орбиты. Эти же корабли обеспечивают снабжение РС МКС необходимыми грузами и расходуемыми компонентами, а также удаление отходов и использованного оборудования. Грузопоток для АС МКС реализуется американскими кораблями "Шаттл" и двумя автоматическими транспортно-грузовыми кораблями — европейским АТУ и японским ИТУ. Корабль АТУ оснащен российской системой дозаправки и так же, как "Прогресс", способен доставлять на МКС запас топлива массой до ~900 кг. В настоящее время частота полетов кораблей "Прогресс" — шесть раз в течение года, корабля АТУ — существенно реже, — примерно раз в полтора года. При необходимости российская, американская и европейская стороны предоставляют друг другу услугу доставки части грузов партнера на "Союзе", "Шаттле" или АТУ соответственно.
Корабли "Союз" служат для доставки на МКС членов экипажа станции, а также для срочного покидания станции экипажем при возникновении опасной ситуации. Привлечение для этой цели российских "Союзов" избавило США от необходимости трудоемкого, длительного и дорогостоящего создания своих специальных спасательных кораблей для постоянного дежурства в составе станции.
В период с февраля 2003 г. по июль 2005 г., когда американские "Шаттлы" были временно выведены из эксплуатации в связи с катастрофой корабля "Колумбия", российские корабли "Союз" и "Прогресс" обеспечили смену экипажа МКС и ее снабжение грузами и топливом, не допустив простоя станции и, возможно, ее гибели. Это еще одно подтверждение эффективности международного сотрудничества в космосе и необходимости его развития при реализации сложных и ответственных перспективных программ.
Эксплуатация МКС представляет собой сложный и весьма трудоемкий процесс, включающий в себя решение следующих задач.
Прежде всего, это обеспечение станции расходуемыми компонентами (в основном топливом для ДУ и средствами поддержания жизнедеятельности экипажа) и разнообразными грузами (научной аппаратурой, комплектами приборов и оборудования для замены неисправных или выработавших свой ресурс и т.д.). Для определения состава необходимого грузопотока нужен строгий учет текущих потребностей станции и экипажа, состояния ее ресурсов, нуждающихся в периодическом пополнении. Нужно также обеспечить подготовку (в том числе изготовление) отправляемых грузов и своевременную доставку их на орбиту. При необходимости доставки на станцию грузов в заданные ограниченные сроки есть возможность воспользоваться услугами партнера в его ближайшем рейсе к МКС — отправить российский груз на американском "Шаттле" или американский на нашем "Прогрессе". В таких случаях грузы должны проходить согласованную между
партнерами процедуру сертификации безопасности в отношении доставляющей стороны и станции.
На орбитальных станциях всегда существует проблема, которой нужно заниматься в течение всего полета. Это размещение прибывших с Земли грузов и обеспечение в дальнейшем легкого их поиска и доступа к ним. Эта проблема не обошла стороной и МКС. Решается она экипажем с использованием системы инвентаризации, в которой фиксируется наличие и местонахождение каждого предмета на станции. В задачу экипажа входит ввод информации в эту систему и отражение всех изменений в размещении имущества. Все вещи, находящиеся на станции, и возможные места их хранения снабжены штрихкодовой маркировкой.
Для достижения станцией поставленной цели нужно осуществлять управление ее полетом, состоящее в его планировании, в обеспечении выполнения разработанного плана, в контроле состояния и работы бортовых систем станции и ее экипажа, в обнаружении и устранении отклонений от нормы, ликвидации складывающихся нештатных (в том числе аварийных) ситуаций.
Уже на ранней стадии разработки принципов и методологии управления полетом МКС было решено, что управление КА (и, следовательно, сегментами МКС), принадлежащими разным странам, как правило, осуществляется разными Центрами управления полетом. Поэтому для обеспечения выполнения международных программ, требующих взаимодействия в космосе КА нескольких стран-партнеров, необходимо было решить задачу синхронного и взаимно увязанного управления полетом из нескольких центров управления (распределенного управления). При этом возникают сложности самого различного свойства — от разного подхода к управлению сложными техническими объектами до языкового барьера. До 2008 г. управление полетом РС и АС МКС осуществлялось соответственно двумя Центрами управления полетом — ЦУП-М в подмосковном городе Королев и ЦУП-Х, расположенным в Хьюстоне (штат Техас, США). С появлением в 2008 г. в составе станции европейского модуля "Колумбус" и началом полетов европейского грузового корабля АТУ к управлению подключились два европейских Центра управления полетом — ЦУП-Со1 и ЦУП-АТУ. После стыковки в 2008 г. с МКС японского модуля "Кибо" в процессе управления участвует также и японский ЦУП.
Следует отметить, что решение вопроса об управлении полетом разных сегментов и элементов МКС было достигнуто в итоге длительного обсуждения с американской стороной, вначале предлагавшей осуществлять централизованное управление всей станцией, выполняемое американскими специалистами из ЦУП-Х. Удалось убедить всех участников дебатов, что управление полетом чужого, практически
уникального космического аппарата из центра, значительно удаленного от его разработчиков с их стендовыми базами и моделирующими средствами, привлечение которых к решению возникающих проблем крайне необходимо, особенно в нештатных ситуациях, — весьма рискованная затея.
В настоящее время обязанности и ответственность между ЦУП-М и ЦУП-Х распределены следующим образом.
ЦУП-М отвечает за управление РС МКС; разрабатывает процедуры и правила управления полетом для РС; планы различного уровня для РС МКС; участвует в разработке интегрированных совместных планов МКС; является ведущим при выполнении динамических операций сближения, стыковки и расхождения российских транспортных кораблей "Союз" и "Прогресс" с МКС, коррекции орбиты МКС; отвечает за работоспособность и ресурсы РС; передает в ЦУП-Х телеметрическую информацию (ТМИ) РС, а также необходимую часть ТМИ АС, получаемую в ЦУП-М через российские средства; при необходимости передает (через РС и российские линии связи) управляющую информацию (команды радиоуправления и текстовые сообщения для экипажа), направляемую из ЦУП-Х для АС; обеспечивает резервирование управления АС американской группой поддержки, размещенной в ЦУП-М, с использованием российских линий связи и американских средств, сопряженных с ЦУП-М.
ЦУП-Х осуществляет общую интеграцию программы МКС. Он отвечает за безопасность экипажа, работоспособность станции в целом и ресурсы АС; координирует разработку совместных планов полета МКС; управляет работой систем АС; обеспечивает резервирование управления РС МКС из ЦУП-Х российской региональной группой управления (РРСУ-Х) с использованием американских линий связи и технических средств РРСУ-Х, сопряженных с ЦУП-Х, кроме того, ЦУП-Х является ведущим центром при полете "Шаттла".
Наличие нескольких ЦУПов приводит к необходимости взаимной увязки действий, проводимых на сегментах партнеров, составления интегрированных планов полета МКС, автоматизированного обмена телеметрией, командами и другой, значимой с точки зрения управления полетом информацией всех партнеров. Таким образом, при управлении полетом МКС ЦУПы партнеров работают в тесном взаимодействии, обмениваясь всеми необходимыми видами информации по заранее согласованным интерфейсам и в соответствии с заранее разработанными процедурами. Наиболее напряженным и сложным является управление в полетных операциях, выполняемых одновременно средствами двух сегментов. В таких операциях процедуры управления, реализуемые разными партнерами, требуют особо тщательной проработки, взаимной увязки и согласования.
После увеличения численности экипажа МКС (начиная с мая 2009 г. станция летает с экипажем из шести человек; до этого в его состав входили два-три человека) управление полетом заметно усложнилось. Если раньше в течение одного года к станции стартовали два корабля "Союз" и четыре корабля "Прогресс", то сейчас — четыре "Союза" и шесть "Прогрессов", следствием чего явилось практически удвоение числа ответственных и сложных полетных операций, в которых персонал управления работает с повышенной нагрузкой и напряжением (сближение и стыковка кораблей со станцией, маневры, спуск с орбиты, дозаправка станции ракетным топливом).
Одной из задач эксплуатации станции является доставка потребителям информации и материалов, полученных на ее борту в результате выполнения целевой программы. При этом нужно обеспечить своевременную передачу с борта станции на Землю цифровой информации, полученной в ходе проведения различных экспериментов, исследований и наблюдений, и отправку ее постановщикам этих работ. Большие объемы этой информации в целях разгрузки каналов связи могут быть доставлены на Землю, будучи зафиксированы на магнитных или оптических дисках, с помощью кораблей "Союз" или "Шаттл". Тем же путем возвращаются со станции и материальные образцы, которые должны быть подвергнуты дальнейшему исследованию на Земле. Кроме доставки объектов такого рода часто возникает необходимость возвращения на Землю отдельных приборов и элементов оборудования, например, для исследования их состояния после длительного пребывания на станции, для определения причин их отказа в работе, которые трудно выявить в полете. В ряде случаев приходилось возвращать и исправную аппаратуру, снятую с пристыкованных к станции транспортных кораблей, для ее использования в последующем (например, приборы систем сближения и стыковки). Ввиду того, что возможности корабля "Союз", касающиеся массы и габаритов возвращаемых грузов, ограничены, существенную помощь в решении этой задачи в порядке сотрудничества часто оказывали американские "Шаттлы".
В ходе эксплуатации МКС приходится решать еще ряд достаточно сложных и ответственных задач. Одна из них — соблюдение безопасности экипажа станции, т.е. надежное обеспечение срочного покидания станции экипажем при возникновении неустранимого пожара или разгерметизации модулей станции, в которых находятся средства жизнеобеспечения экипажа, или отсеков, через которые обеспечивается проход космонавтов к кораблям "Союз", выполняющим в данном случае роль спасательных шлюпок. В этих ситуациях в срочном порядке, во-первых, нужно решить задачу изоляции модулей, в которых произошла авария, от остальных отсеков станции, чтобы попытаться сохранить ее жизнеспособность. Во-вторых, если экипаж покидает станцию в полном составе, он должен разделиться на две заранее сформированные команды, которые должны "разбежаться" по двум
"Союзам". Если авария случится во время пересменки экипажей, когда на станции находится 9 человек, то уходить экипажу нужно будет в три "Союза" (третий — это тот, который доставил на станцию очередную смену из трех космонавтов). Это наиболее сложный случай. Все корабли должны будут в определенном порядке отойти от МКС, а затем поочередно совершить посадку. В этой ситуации от экипажа и наземного персонала ЦУПа требуется быстрая безошибочная работа как в ходе принятия решений, так и при их реализации. Хотя методика обнаружения, оценки темпа развития этих ситуаций и принятия решения о дальнейших действиях для МКС давно создана и отработана, а экипажи подготовлены к ее выполнению, однако большое разнообразие возможных деталей происходящего может потребовать в ряде случаев достаточной гибкости и оперативности экипажа и персонала управления полетом при выработке оптимальной программы действий. При изменении конфигурации станции (а она изменяется с присоединением новых модулей или при стыковке прибывающих кораблей к различным ее причалам) российские специалисты каждый раз совместно с американскими коллегами разрабатывают или уточняют подробную схему покидания станции. Если такая ситуация возникнет, то в процессе работы по выходу из нее над космонавтами и наземными управленцами при подготовке решения всегда будет довлеть сознание высокой ценности станции и тяжести ее потери, которая неизбежна после эвакуации экипажа. Это можно сравнить с состоянием летчика-испытателя, которому в считанные секунды нужно решить — катапультироваться из самолета или попытаться спасти ценную машину.
Таким образом, анализируя пройденный путь реализации программы МКС, можно утверждать, что предложенные принципы международного сотрудничества полностью оправдали себя и могут быть приложены к созданию и эксплуатации будущих космических систем высокой сложности, решающих значимые задачи в интересах человечества.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Соловьев В. А., ЛюбинскийВ. Е. Управление полетом Международной космической станции // Космонавтика и ракетостроение. -1998. - № 12. -С. 26-30.
2. Соловьев В. А., Лысенко Л. Н. Обобщение опыта выполнения российско-американских программ в интересах управления полетом Международной космической станции // Полет. - 1999. - № 1. - С. 15-20.
3. Соловьев В. А., Любинский В. Е. Управление полетом МКС: развитие методов и средств управления орбитальными комплексами // Полет. - 2005. - № 6. - С. 3-6.
4. С о л о в ь е в В. А., Л ю б и н с к и й В. Е. Новые подходы к управлению полетом МКС с использованием российского и европейского Центров управления полетом // Труды ХХ1Х академ. чтений по космонавтике. - М., 2005. - С. 270271
Статья поступила в редакцию 21.12.2009
