CC BY
7УДК 629.78.072.8
разработка требований к подготовке экипажей космической станции
© 2015 г. Бронников С.в.
Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: post@rsce.ru
Для того, чтобы подготовить экипаж космической станции к выполнению космического полета, необходимо создать систему подготовки экипажей (СПЭ) и обеспечить ее функционирование. Эти задачи могут быть решены, если заданы цели функционирования СПЭ. В статье приведены результаты выполняемых РКК «Энергия» работ по определению целей СПЭ, разработке требований к технической подготовке экипажей космической станции. Показано, что старшей системой по отношению к СПЭ является автоматизированная система управления космическим полетом, которая определяет цель функционирования СПЭ. На основе анализа процессов управления делается вывод о том, что взаимодействие между автоматизированной системой управления космическим полетом и СПЭ должно осуществляться на этапе их проектирования и эксплуатации. Рассмотрена структура целей подготовки, форма спецификатора, задающего цель, основные источники исходных данных для разработки целей. Введено понятие уровня квалификации космонавта по выполняемой задаче. Описан процесс разработки целей, критерий качества этого процесса, способы повышения его эффективности.
Ключевые слова: система подготовки экипажей, автоматизированная система управления космическими полетами, космическая станция, цель системы, квалификационные требования.
developing requirements for space station crew training
Bronnikov S.V.
S.P. Korolev Rocket and Space Public ^rporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin Street, Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:post@rsce.ru
In order to prepare a space station crew for a space mission, it is necessary to establish and support the operations of the crew training system (CTS). These tasks can be fulfilled, if the CTS operational objectives are defined. The paper provides results of the work performed at RSC Energia to define the CTS objectives, and to develop requirements for technical training of the crews of Space Station. It was shown that the system of a higher tier with respect to the CTS is the automated spacecraft mission management system (ASCMMS), which drives the objectives of the CTS operation. Based on the analysis of the management processes, a conclusion is drawn that there should communication between ASCMMS and CTS at both design and operational phases. The paper addresses the structure of the training objectives, the objective specifier format, major sources of input for the development of the objectives. The notion of the level of crew competency in the task at hand is introduced. The process of objectives development, criterion for the quality of this process, the methods for improving its efficiency are described.
Key words: crew training system, automated space missions management system, space station, system objective, qualification requirements.
БРОННИКОВ Сергей Васильевич — кандидат технических наук, начальник отделения РКК «Энергия», e-mail: sergey.bronnikov@rsce.ru BRONNIKOV Sergey Vasilievich — Candidate of Science (Engineering), Head of Department at RSC Energia, e-mail: sergey.bronnikov@rsce.ru
Введение
Для того чтобы подготовить экипаж космической станции (КС) к выполнению космического полета, необходимо создать и обеспечить функционирование системы подготовки экипажей (СПЭ). Под СПЭ понимается совокупность функционально взаимосвязанных учебно-тренировочных средств и обучающего персонала, обеспечивающего подготовку экипажей КС к выполнению космического полета по заданной программе.
Как и на основании чего должны формироваться и функционировать СПЭ КС, входящей в состав космического комплекса (КК) [1], разрабатываться цели и требования к СПЭ? Актуальность этого вопроса связана с тем, что от ответа на него зависит порядок проектирования, разработки и функционирования системы в составе КК, в т. ч. организация работ между предприятиями, обеспечивающими создание и эксплуатацию КК, что влияет на эффективность КК в целом.
Научные публикации по теме взаимодействия СПЭ с другими системами в составе КК, рациональной организации процесса разработки целей и задач подготовки экипажей нам неизвестны. Однако на практике этот вопрос, конечно, решался, причем по-разному на различных этапах развития космонавтики. В данной работе впервые на основе системного подхода рассмотрена технология определения целей СПЭ.
Связи СПЭ
СПЭ, как любая другая система, может быть создана, если ей задана цель. Цель обусловливает структуру и поведение системы [2]. СПЭ — это самостоятельная система, которая должна создаваться и функционировать независимо. С другой стороны, в соответствии с принципами системного подхода, СПЭ является составной частью системы более высокого уровня. Для правильного определения цели должна быть установлена иерархия подчиненности, так как цель задает старшая система.
Выходом, продукцией СПЭ являются экипажи, которые должны функционировать в составе автоматизированной системы управления космическим полетом (АСУКП) [3], она является старшей системой по отношению к СПЭ и задает цель функционирования СПЭ [4]: сколько, к какому сроку, каких экипажей должно быть подготовлено.
КК является развивающейся системой, в которую на всем протяжении его эксплуатации вводятся новые элементы (корабли,
модули, научно-исследовательское оборудование, их составные части). Программа полета КС существенно изменяется от экспедиции к экспедиции.
В этих условиях обеспечение необходимого согласования целей и задач СПЭ и АСУКП может быть осуществлено на основе обобщенной концепции обратной связи, заключающейся в следующем: «процедура, используемая в процессе проектирования, распространяется на все время реальной работы с учетом информации о свойствах управляемого процесса, которая была неизвестна априори» [5]. Таким образом, взаимодействие между АСУКП и СПЭ является не разовым (только на этапе проектирования), а постоянным (включая этап эксплуатации), и поэтому система подготовки должна рассматриваться как подсистема АСУКП. Из АСУКП в СПЭ в процессе взаимодействия должна поступать информация, определяющая ее цели и задачи, а обратно в АСУКП должна поступать информация о степени достижения этих целей, результаты решения поставленных задач.
Связь между АСУКП и СПЭ может быть представлена в виде, приведенном на рис. 1. Для изображения механизма управления при графическом описании структуры системы используется модуль управляемого контура [2]. Уступ смещения изображения младшей системы по вертикали вниз графически отображает временную иерархию: исследуемая система может рассматриваться только после того, как будут рассмотрены действия старшей системы. Параметры цели передаются по линиям прямой связи (сплошные линии). По линиям обратной связи (пунктир) передаются данные о фактическом выполнении заданной цели. По управляющему входу 3 в СПЭ поступает информация из старшей системы — АСУКП, включающая количество и состав необходимых для обеспечения эксплуатации КК экипажей, требования к экипажам, описание задач экипажей и т. д.
Рис. 1. Связи системы подготовки экипажа (СПЭ): 1 — результаты работы автоматизированной системы управления космическим полетом (АСУКП); 2 — цели работы АСУКП; 3 — цели работы СПЭ; 4 — результаты работы СПЭ; 5 — цели работы подсистем СПЭ; 6 — результаты работы подсистем СПЭ
По линиям обратной связи (связь 4) из СПЭ в АСУКП передаются результаты подготовки экипажей, заключения о степени готовности каждого космонавта и экипажа в целом к работе. На основании поставленных целей (связь 3), информации о результатах работы подсистем СПЭ, включающей данные о текущей степени подготовленности космонавтов (связь 6), СПЭ разрабатывает и корректирует план работы своих подсистем (связь 5). В состав СПЭ могут входить подсистемы эксплуатации учебно-тренировочных средств, подсистемы теоретического обучения, обеспечения тренажной, медицинской подготовок и др.
Взаимное влияние СПЭ и АСУКП проявляется, например, в том, что при возникновении во время полета случайного отказа какого-либо бортового оборудования из АСУКП в СПЭ направляется новая цель подготовки — ремонт этого оборудования. В СПЭ корректируется программа подготовки экипажа для того, чтобы очередной экипаж был в состоянии выполнить эту работу. И, наоборот, при разработке в АСУКП плана полета распределение полетных задач выполняется с учетом конкретных результатов подготовки космонавтов в СПЭ.
Структура цели
В математическом виде глобальная цель работы СПЭ может быть сформулирована в следующем виде. Должны быть подготовлены экипажи C = {C1 , ... , CN }, где C — множество экипажей; N — количество экипажей, находящихся на подготовке.
Глобальная цель (первый уровень) порождает множество локальных целей, достижение которых обеспечивает ее осуществление. Локальные цели должны охватывать подготовку экипажей к выполнению множества оперативных задач, которые могут возникнуть во время полета (рис. 2).
На втором уровне цель подготовки экипажа задается в виде спецификатора ответственности членов экипажа, в котором указывается функциональная позиция F для каждого члена ¿-го экипажа. Например, на МКС может использоваться пять функциональных позиций члена экипажа: Fi е {командир экипажа, бортинженер, врач экипажа, ответственный за сегмент, специалист по полезной нагрузке}, т. е. р = 1, ..., 5.
На третьем уровне цель подготовки задается в виде состава задач, которые предстоит выполнять экипажу в полете, включая потенциальные задачи, которые могут быть обусловлены возможными нештатными ситуациями.
Деятельность экипажа охватывает Р бортовых комплексов {5.}: бортовых систем, полетных операций, полезных нагрузок, профилактических и ремонтных работ. Множество {5.} задается в виде списка, включающего следующие непересекающиеся подмножества:
• множество бортовых систем К1;
• множество типовых работ, которые выполняются экипажами на борту К2;
• множество работ по дооснащению и ремонту бортового оборудования, выполняемых данным экипажем в течение своего полета КС;
• множество полетных операций, запланированных в период полета данного экипажа КАС;
• перечень нештатных ситуаций К5.
Рис. 2. Структура целей подготовки
На четвертом уровне определяются квалификационные требования к членам экипажа. На начальном этапе пилотируемых полетов до 1980-х гг. все члены экипажа готовились, в основном, по одной программе, различия в квалификационных требованиях к членам экипажа отсутствовали. В связи с ростом количества и сложности бортовых комплексов для снижения объема подготовки каждого космонавта при эксплуатации КС «Мир» впервые были введены квалификационные уровни по бортовым комплексам: уровень 1 (наиболее низкая квалификация), уровень 2 (средняя квалификация), уровень 3 (наиболее высокая квалификация). Под квалификацией понимается совокупность свойств космонавта, характеризующих объем его профессиональных знаний и навыков, которыми он должен обладать для выполнения деятельности во время полета на КС. Квалификация уровня 1 позволяет члену экипажа пользоваться при необходимости данным бортовым комплексом в тех режимах, которые требуются для его безопасного нахождения на борту, например, пользоваться системой связи или жизнеобеспечения. Квалификация уровня 2 предусматривает выполнение членом экипажа штатных операций и технического обслуживания соответствующего бортового комплекса, а также выполнение оперативных действий при возникновении нештатной ситуации, требующей немедленного реагирования для обеспечения безопасности экипажа, живучести КС. Квалификация уровня 3 — это наивысшая квалификация по данному бортовому комплексу. Она предусматривает выполнение космонавтом всех задач по управлению в штатных и нештатных ситуациях, техническому обслуживанию и ремонту. В случае возникновения нерассмотренной в бортовой документации нештатной ситуации космонавт с квалификацией уровня 3 должен обладать достаточными знаниями и умениями, чтобы самостоятельно перевести бортовой комплекс в безопасный режим. Дальнейшее развитие дифференциация подготовки членов экипажа получила в программе Международной космической станции (МКС) в процессе совместной работы международных партнеров. Уровни квалификации были уточнены и получили наименования: уровень 1 стал называться «пользователь (П)», уровень 2 — «оператор (О)», уровень 3 — «специалист (С)».
Каждому бортовому комплексу соответствует множество задач экипажа Б = [й^, ... , (] = 1, ..., Р), 2. — число задач экипажа по 1-му бортовому комплексу. Состав задач экипажа определяется путем анализа конструкторской
документации на КС, в частности, проектной документации по конструкции и компоновке КС, технического описания и инструкции по эксплуатации бортовых систем. Каждой а-ой квалификации по 1-му бортовому комплексу 0а соответствует множество задач Б.а, которые может выполнять космонавт, имеющий данную квалификацию. Причем задачи более низкой квалификации являются подмножеством более высокой, т. е. V/ > а; Б., ^ Б ; /, а е 1, ... , 3; т. е.
иЗ А 1а ,
, Б. = Б.0. Для того, чтобы назначить требу-
а - 1 ]а ;3 ^ ' г J
емую квалификацию для каждого космонавта, сначала на основе анализа состава и объема работ экипажа в соответствии с планируемой программой полета для ¿-го экипажа по 1-му бортовому комплексу определяется минимальное требуемое количество космонавтов а-ой квалификации Па.
На основе этих данных далее разрабатываются требования к квалификациям каждого члена экипажа по каждому бортовому комплексу таким образом, чтобы обеспечить требуемое количество космонавтов каждой квалификации по всем бортовым комплексам. Локальная цель «минимальное количество космонавтов требуемой квалификации» задается для обеспечения гибкости в работе СПЭ. В процессе подготовки в зависимости от ситуации квалификация члена экипажа может быть пересмотрена при выполнении локальной цели более высокого уровня — по минимальному количеству квалификаций.
документация
Все цели подготовки объединяются в обобщенный перечень требований, или исходных данных, в проектной документации КС, которая используется как техническое задание в процессе выполнения подготовки.
Для представления целей СПЭ используются два типа проектных документов: постоянно действующий документ № 1 «Организация деятельности экипажей» и серия временно действующих документов № 2: «Требования к технической подготовке экипажей».
На этапе создания КК выпускается документ № 1, определяющий цели подготовки:
• состав задач экипажа;
• уровни квалификации;
• распределение функций между членами экипажа;
• требования к подготовке экипажей, которые включают общие требования;
• требования к особенностям проведения работ, оценке уровня подготовленности, к изучению нормативной документации по деятельности экипажа.
Этот документ действует в течение всего этапа эксплуатации КК.
Цели и структура функционирующей СПЭ не являются неизменными. В зависимости от складывающейся обстановки, возникновения новых задач, вариаций характеристик внешней среды и других факторов они могут и должны меняться. Для учета изменений на каждом крупном этапе эксплуатации КС (например, этапе экспедиции) выпускается документ № 2, в котором определяются цели подготовки: составы экипажей, сроки подготовки, а также уточняются данные, приведенные в документе № 1. Также определяются задачи экипажа по конкретному полету, новые задачи экипажа, требования к подготовке с учетом опыта эксплуатации КС. Документ № 2 действует до окончания подготовки экипажей по данному этапу полета. Однако этот документ также корректируется несколько раз в течение подготовки экипажа, так как изменения возникают непосредственно во время подготовки.
Периодически документ № 1 дорабатывается, в него переносят требования из документа № 2, имеющие долговременный характер, удаляются требования, потерявшие свою актуальность.
критерий качества процесса разработки целей
Основным критерием качества методики разработки целей подготовки является степень соответствия проектных целей подготовки задачам реального полета по итогам многих полетов. Имеется два независимых направления максимизации этого показателя. Первое — это анализ и определение состава конструкторской документации, которая должна быть проработана с целью получения исходных данных для формирования целей. Для первоначального формирования целей на этапе создания КС, а также для их корректировки в процессе эксплуатации должна подвергаться анализу конструкторская документация, в которой имеются данные по деятельности экипажа: схема деления КС, программа полета, нештатные ситуации, руководство по эксплуатации, бортовые инструкции экипажа, технические решения по доработкам/модернизации КС, заключения по анализу отклонений, возникших в ходе полета.
Второе направление — это организация анализа деятельности экипажа во время полета, предложений экипажа по совершенствованию КК по результатам полета. Одна из основных целей анализа деятельности экипажа — выявление предпосылок ошибок или затруднений
в деятельности экипажа во время полета [6], обусловленных недостатками процесса подготовки космонавтов.
пример
Представленная методика использовалась при обеспечении полетов космонавтов на КС «Салют», «Мир», применяется в настоящее время в программе МКС. В целом спецификатор целей подготовки реального экипажа КС — это документ, содержащий сотни страниц. Поэтому в качестве примера в табл. 1-3 приведены фрагменты реальных спецификаторов для Российского сегмента МКС.
Таблица 1
Фрагмент спецификатора по заданию количества космонавтов каждой квалификации одного из экипажей мкС
№ п/п Бортовой комплекс Минимальное количество космонавтов требуемой квалификации
С О П
1 Срочное покидание в аварийных ситуациях — 3 —
2 Расконсервация/консервация — 2 —
3 Система инвентарного учета — — 3
4 Перенос грузов — 2 —
5 Информационно-управляющая система 2 — —
6 Бортовая вычислительная система 2 — 1
7 Система управления бортовым комплексом/бортовой аппаратурой 2 — 1
8 Система бортовых измерений 2 — 1
9 Средства радиосвязи 2 — 1
10 Телевизионная система 2 — 1
11 Средства обеспечения газового состава 1 1 1
12 Средства противопожарной защиты 1 1 1
13 Средства водообеспечения 1 1 1
14 Средства санитарно-гигиенического обеспечения 1 1 1
15 Двигательные установки 1 — —
16 Конструкция и компоновка — 2 1
17 Система обеспечения теплового режима 1 1 1
Примечание. С — специалист; О — оператор; П — пользователь.
Таблица 2
Фрагмент спецификатора по заданию минимальной квалификации членов одного из экипажей мкС
№ п/п Бортовой комплекс Минимальная требуемая квалификация членов экипажа
Член экипажа
1 2 3
1 Срочное покидание в аварийных ситуациях О О О
2 Расконсервация/консервация О О —
3 Система инвентарного учета П П П
4 Перенос грузов О О —
5 Информационно-управляющая система С С —
6 Бортовая вычислительная система С С П
7 Система управления бортовым комплексом/бортовой аппаратурой С С П
8 Система бортовых измерений С С П
9 Средства радиосвязи С С П
10 Телевизионная система С С П
11 Средства обеспечения газового состава С О П
12 Средства противопожарной защиты С О П
13 Средства водообеспечения С О П
14 Средства санитарно-гигиенического обеспечения С О П
15 Двигательные установки С С П
16 Конструкция и компоновка С С П
17 Система обеспечения теплового режима РС С С О
Примечание. С — специалист; О — оператор; П — пользователь.
Таблица 3
Фрагмент спецификатора по заданию квалификационных уровней одного из экипажей мкС для системы управления бортовым комплексом
№ п/п Название задачи Минимальный уровень квалификации
1 Контроль состояния системы по информации бортовых дисплеев на основе визуального осмотра и доклад в ЦУП С
2 Открытие панели клавиатуры С
3 Проведение ремонтных работ, замена блоков, аккумуляторов, жестких дисков, кабелей, версий программного обеспечения С
4 Распознавание нештатных ситуаций и выработка мер по их ликвидации С
Продолжение таблицы 3
№ п/п Название задачи Минимальный уровень квалификации
5 Анализ сообщений пульта: несуществующая команда, нажата неправильная клавиша, связь не установлена, связи нет, связь прервана, абонент занят О
6 Выбор режима работы пульта: выбор форматов, режим «управление», режим «контроль», режим «тестирование», режим «регистрация», режим дистанционного управления, смена языка отображения О
7 Диагностика отказа светового блока, замена светового блока светильников О
8 Контроль и управление пультом сигнализации систем: включение/ отключение режима управления пультом от бортового компьютера, маскирование (размаскирование) аварий, установка времени отдыха экипажа О
9 Распознавание и ликвидация отказа предохранителя защиты цепи питания О
10 Тестирование пульта: контроль исправности аппаратно-программных средств пульта О
11 Установка и корректировка текущего времени О
12 Выполнение действия при появлении аварийных, предупредительных сообщений на пульте сигнализации П
13 Использование розеток бортовой сети (подключение бортовой аппаратуры, научной аппаратуры, целевых нагрузок, оборудования, переносимого из другого сегмента) П
14 Контроль и управление пультом сигнализации с бортового компьютера экипажа: вызов требуемого формата пульта сигнализации, контроль работоспособности пульта сигнализации П
15 Определение источника аварий по модулям (в случае одновременного срабатывания двух или трех аварий) П
16 Ручная выдача аварий. Отбой аварий, выданных вручную П
17 Управление светильниками П
18 Управление часами: включение часов, корректировка времени, работа с секундомером П
Примечание. С — специалист; О — оператор; П — пользователь.
Эффективность методики подтверждается тем, что в процессе многолетнего ее применения не зафиксировано ситуаций, когда вследствие неправильного (неполного) определения целей подготовки и, следовательно, отсутствия соответствующей подготовки, экипаж не выполнил конкретные полетные задачи, что привело к существенным последствиям, т. е. к невыполнению значительной части программы полета или
возникновению реальной угрозы безопасности экипажа и работоспособности станции, или к выходу из строя жизненно важных бортовых систем.
заключение
Статья обобщает результаты работ РКК «Энергия» по подготовке экипажей КА. Впервые в математической постановке сформулирована цель работы СПЭ. Исследованы связи СПЭ. Введено понятие уровня квалификации космонавта по выполняемой задаче. Показано, что СПЭ является подсистемой АСУКП и должна проектироваться и эксплуатироваться во взаимодействии с ней.
Представленные материалы могут использоваться для повышения качества и эффективности процесса подготовки экипажей, создания соответствующих интерактивных автоматизированных рабочих мест, разработки соответствующей нормативной документации, специального руководства, описывающего правила разработки целей СПЭ.
Предложенная методика может применяться при подготовке операторов сложных систем различных отраслей, например, военных систем, автоматизированных систем управления технологическими процессами и других.
Список литературы
1. ГОСТ Р 53802-2010. Системы и комплексы космические. Термины и определения. М.: Стандартинформ, 2011. 28 с.
2. Дымарский Я.С., Морозов В.П. Элементы теории управления ГАП. Л.: Машиностроение, 1984. 334 с.
3. Соловьев В. А., Лысенко Л. Н, Любинс-кий В. E. Управление космическими полетами. Учеб. пособие. Ч. 1. / Под общ. ред. Лысенко Л. Н. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. 478 с.
4. Бронников С.В. Вопросы системного подхода к системе подготовки оперативного персонала // ХХХ1 Научные чтения, посвященные разработке творческого наследия К.Э. Циолковского (Калуга, 17-20 сентября 1996 г.). Изд-во Российской академии наук, комиссия по разработке научного наследия К.Э. Циолковского. С. 146-147.
5. Саридис Дж. Самоорганизующиеся стохастические системы управления. М.: Наука, 1980. 401 с.
6. Bronnikov 5У., Nechaev A.P., Isaev G.F. Metodological approach to study of cosmonauts errors and its instrumental support // 12-th Man in space Symposium, 8-13 June 1997, Washington, D.C. P. 169.
Статья поступила в редакцию 04.12.2014 г.
References
1. GOSTR 53802-2010. Sistemy i kompleksy kosmicheskie. Terminy i opredeleniya [Space systems and complexes. Terms and definitions]. Moscow, Standartinformpubl., 2011.28p.
2. Dymarskii Ya.S, Morozov V.P. Elementy teorii upravleniya GAP [Elements of AFM management theory]. Leningrad, Mashinostroeniepubl., 1984.334p.
3. Soloviev V. A., Lysenko L. N, Lyubinskii V. E. Upravlenie kosmicheskimi poletami. Ucheb. posobie [Space Flight Control: Text-Book]. Part 1. Ed. Lysenko L. N. Moscow, MGTUim. N.E. Baumana, 2009.478p.
4. Bronnikov S.V. Voprosy sistemnogo podhoda k sisteme podgotovki operativnogo personala [Issues of the system approach to the operating personnel training system]. XXXI Nauchnye chteniya, posvyashhennye razrabotke tvorcheskogo naslediya K.E. Tsiolkovskogo (Kaluga, 17-20 september 1996). Rossiiskaya akademiya naukpubl., komissiyapo razrabotke nauchnogo naslediya K.E. Tsiolkovskogo,pp. 146-147.
5. Saridis Dzh. Samoorganizuyushchiesya stohasticheskie sistemy upravleniya [Self-organizing stochastic control systems]. Moscow, Naukapubl., 1980. 401 p.
6. Bronnikov S.V., Nechaev A.P., Isaev G.F. Metodological approach to study of cosmonauts errors and its instrumental support. 12-th Man in space Symposium, 8-13 June 1997, Washington, D.C, p. 169.
