УДК 629.78.075
В.П. Легостаев12, Е.А. Микрин12, И.В. Орловский1, Ю.Н. Борисенко1,
В.Н. Платонов12, С.Н. Евдокимов1 1 Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королёва 2 Московский физико-технический институт (государственный университет)
Создание и развитие систем управления движением транспортных космических кораблей «Союз» и «Прогресс»: опыт эксплуатации, планируемая модернизация
Рассматриваются вопросы эволюции создания систем управления движением транспортных космических кораблей «Союз» и «Прогресс». В настоящее время на РКК «Энергия» проводится новый этап модернизации кораблей «Союз ТМА» и «Прогресс М-М». Основным объектом модернизации является бортовой цифровой вычислительный комплекс (БЦВК): устаревший «Аргон-16» сменила современная, постоянно работающая на орбите, ЦВМ101 вместе с блоками согласующих устройств (БУС101-1 и БУС101-2). Проведённые летно-конструкторские испытания кораблей «Прогресс» подтвердили правильность выбранных технических решений при модернизации системы управления и возможность её использования на кораблях «Союз ТМА» и других перспективных российских кораблях.
Ключевые слова: космические корабли, «Союз», «Прогресс», системы управления, цифровые системы управления, модернизация, бортовой компьютер.
Существующая Международная космическая станция (МКС/КБ) создана для обширных научных международных исследований на низких орбитах вблизи Земли. МКС состоит из двух сегментов — российского (РС/ИБ) и американского (АС/ИБОБ). Модули других международных партнёров интегрированы в эти два сегмента (рис. 1).
Рис. 1
Транспортировка экипажей на МКС осуществляется американскими космическими кораблями «Shuttle» и российскими кораблями «Союз».
Транспортный корабль «Союз» эксплуатируется уже более 40 лет, продемонстрировав надёжную и безопасную доставку
экипажей на космические станции. С тех пор системы кораблей «Союз» несколько раз модернизировались, каждый раз расширяя свои функциональные возможности, повышая свою надежность, безопасность и эффективность (рис. 2).
При этапных изменениях модифицировалось также и название корабля: «Союз», затем «Союз Т», «Союз ТМ», в настоящее время эксплуатируется «Союз ТМА».
Первые транспортные корабли «Союз» управлялись как в основном автоматическом, так и в резервном ручном контуре аналоговыми системами управления.
I. «Союз Т» и «Прогресс»
С 1979 года эксплуатировался корабль «Союз Т», система управления которого построена на основе бортового цифрового вычислительного комплекса (БЦВК) «Аргон-16». Была сменена также датчи-ковая аппаратура, заменена двигательная установка, модернизированы все системы. Алгоритмы БЦВК позволили организовать оптимальное управление ориентацией, маневрированием на орбите, автономным сближением и стыковкой со станция-
•(adrcxab
хаїґХд иаігдтеїоя хияэииээос! кігїґ ebbj 6002 еіїноя э ЭХР\[ вн ‘и<1х ОІҐІЧ9 хи «зсіир^» єн) шгішізіа віґ£^ олоньоаояічіа одонж^н отин -ажоїґоп ^wowa^cIiisoHJocIn я кігдвсіоя іаіг -до каїгкігаіааїпЛЬо к 00І7 иіоончіпзїґ q
'(чігдвсіоя єн коіґ£Х гачньоа -ояічіо шгітеінаїтсіо ионьасііоа кинанігошча £эд чіаа оі) ієниїМооя эмэлэиэ иончігшгії -с!эни иіґи иончіпзіидсіо а опгітеінаїтсіо от^н -ьшмонояє еігкігаіааїпЛЬо «сІир\[» кійшвіо імоіє исіц '(шгіптаїа и кігдвсіоя хвіидсіо до шгітеїтеїофни ионсіоисіпв nimag э ион -нажоїгеє он чооігкігаіоаїпЛЬо эинэ1гавс1нХ W>1 002 иізончігйґ оїґ) ня 008~009 ихэон
-чіпзїґ э кэинэжшгдэ эинэлавсТн^ аонмоноі -ав эончтзкихно чіеао£иніжІо оігаїгоашн oig 'ш 002 иіоончіпзїґ э иинэжшгдэ игТтт иаігітеїтеїофни иончігаіітсІамЕи Х9ЇШ oj9tn -огеаиьэиээдо ‘«ocl^^j» edoiraoiroiriz'ed ojoh -HeaodiiirgAz' idog ен тзяаошзхэХ — ииьшліо ээ хічнаеш £н oHtfQ '«р\[Х smoq» Kirged -оя шйтеяифиЬЪм BHBiogedsBd ешчд кин -ВІИдО OJOHHKOiOOn «dHJAJ» шйінвіо иолэж -кі ‘ионіїтсІедшонПіМя я аоіаігон кіг1^
«р\[ эээ<Злос1ц» и «WX еоюэ» Ц
ічїґол 6006~6Z6I «эээс1лос1ц» и «sotoq» iiaifgedcoi XMHidoiioHedi кинеїґєоо Kiidoiopj •£ 'onj
ИІІНЛіЯСІІІІЛ Н01М1ЭИЭ IIоHHi:ao(IIIПII(|шҐОІV
0 «IVTO IV ojj(Ijo(Ih» woiuIom уимээытэом iioaoivdj 6003
шйшіа) пом)jijdm»om H0HtJ0(Ii!H.vtM'>»i\[ i:ax)4L%»uio(Uj оьньин 8661
«IV ojodjodn» яьовгіом иинээынмэом иояоілііj
'®'H- 686T
<с^іМХ-соіоз» чьоіиіон винэ*
ан-гО,_
«clHlv» BiihHitxj ві;н<пі'віи0(1
T001-9861
<<I\[JL-t<HOl*3>> ЧЬ'ОІЧІОМ имн^ыпоом рчм-шінхоїгиц v 0 0 с V Н 6 Т
т -two;)» чііоініом нн.чо^ынмлом иічім^лЧіиіоп итт 986T-6Z6T
ШІйоо T66T-U6T
<(1010, )» WO (ЦІ ОМ lIlIMJMIilIIM.IOM H14lv<*vd HXOli'lIJJ
Г86Г“£96Г
*«£шо^)» omged -оя ^wowa^diiioifHH еньиінаїґи ешчд xiadoi -оя кинаїгатеїн^ вмэлэнэ ‘«ooadjodjj» шмкіг -дтеїоя HwiaHidoHOHBdi iiwiaaos^dj імонаон -эо а чоиіґкіґавіооіґ опйішзіо ен iasAdj
•кігді^Іоя шлгелаеномэоя ннн -airaedn^ woHbAd ndn нанігошча чіічд юи кинэжшгдэ яоізєь^ ииїпогепкіааеє ‘хкігіте -Хіно хічнівішан а ‘илэомиЬЪхдоэн шГц
■опгдтеїоя Xbadioa^H iras^ щчньоаояічіо иічнноігїішзіо еігеаинтеї -оаїґои ‘шйішзіо вн ионнаїгаонвіо^ ‘«iaifjpj» iad^iBdBHHB ijoHHOHtiKifOHBdiad wKHHadaw -SH wiaaoifj^ он шйішзіо KHHaifaBdn^ bw -элэнэ HHHBaHinjbHdn и иинэжшгдэ ndjj
(•иомэлэиэ иoaodфиlп э £o^ -oq» зігдтеїоя вн и яві ‘KiiHaifaedH^ иомэлэ -иэ ijoaoJOifBHB э «ooadjodjj» и «£ого;э» хкіґ -glзdoя вн яея човіпзао£чіґоиои «eifjpj») ’иійі -нвіо єн wodoiKiroHBdiad э «eifjpj» doira -oiroitii'ed Hi4HHBaodiiada£adaH ijoaoidog кэ -ігкігак ‘ня Q£, иіоончігвіґ э ияаояічіо и кинэжшгдэ иинзніґошча ndn ииїінвіо и кіт -glзdoя винажиаіґ олончігаіиооніо Mdiaired -ви KiitnoiKdaK£H ‘імояиьівіґ імічнаона0
•шгіте
-Хіно хічнівішан £и імоіґохіча и аоєвяіо ка -HHBaBH£onai3d імияааьиівімоіав кахиїпогеїм -инв£ ‘wwedjodn ояаігнкоя нвіґшо шчд іш
9
S ojsc ‘I - '6002 - 'ИХФИ ічїґлах
Рис. 3. «Союз ТМА»
В конусе стыковочного узла станции (с полураствором около 30°) локатор «Курс» переключался в режим измерений, позволяющий алгоритмам управления БЦВК осуществить соприкосновение стыковочных узлов корабля и станции с точностью 0,1 -0,15 м и относительной скоростью около 0,3 м/с.
Грузовые корабли «Прогресс» для полетов к станции «Мир» были заменены кораблями «Прогресс М» с цифровой системой управления, применявшейся в корабле «Союз ТМ». «Прогресс М» был также оборудован аппаратурой телеоператорно-го управления, которая позволяла экипажу станции при нештатных ситуациях осуществлять ручное управление движением грузовика со специального пульта, пользуясь изображением станции и её мишенью на телекамере грузовика, передаваемым на телеэкран станции.
III. «Союз ТМА» и «Прогресс M/M1»
Следующая модификация кораблей «Союз», получившая индекс «Союз ТМА», была разработана для обеспечения
пилотируемых транспортных операций с МКС. На рис. 3 представлен внешний вид корабля.
Структурная схема системы управления движением (СУД) корабля представлена на рис. 4.
Аппаратура СУД рассредоточена по трём отсекам: спускаемому аппарату
(СА), возвращаемому на Землю, приборноагрегатному (ПАО) и бытовому отсеку (БО). Заштрихованным отмечены доработанные по сравнению в «Союзом ТМ» приборы: шестиосный акселерометр БИЛУ, компьютер управления спуском КС020-М и оборудованный компьютерами пульт космонавтов «Нептун-МЭ» (рис. 5).
Программное обеспечение (ПО) КС020-М с использованием датчиков и аппаратуры спуска реализует путём разворотов спускаемого аппарата по крену управляемый спуск в атмосфере с наведением на заданный полигон Земли.
Максимальная перегрузка при номинальном спуске не превышает 4д, точность посадки — не хуже 22 км (3а) относительно расчётной точки.
Основной режим управляемого спуска резервируется в порядке приоритета ручным управляемым спуском, автоматическим баллистическим спуском, резервным баллистическим спуском.
Баллистические спуски выполняются на резервный полигон с большей перегрузкой (до 8,5д) и с большими разбросами точки посадки (до 150 км).
Унифицированное ПО БЦВК «Аргон-16» кораблей «Союз ТМА» и «Прогресс М/М1», предназначенных для полётов к МКС, было также доработано с целью выполнения повышенных требований безопасности и надёжности выполнения их стыковок к МКС, а также снижения скорости стыковки до 0,15-0,20 м/с.
Предпринятые меры обеспечили выполнение стыковок к МКС всех направленных к ней российских кораблей «Союз» и «Прогресс», в том числе при возникавших нештатных ситуациях, что подтверждает правильность разработанных схем и алгоритмов обеспечения надежности и безопасности.
К марту 2009 года к МКС выполнено 61 стыковка российских кораблей (включая перестыковки «Союзов» и стыковку корабля «Прогресс», доставившего на МКС модуль СО-1).
Рис. 4. Структурная схема системы управления движением (СУД) «Союз ТМА»
Рис. 5. Пульт космонавтов «Нептун-МЭ»
Статистика автоматических и ручных стыковок к МКС российских кораблей и нештатных ситуаций при их выполнении приведена в табл. 1.
Наиболее тяжелая нештатная ситуация сложилась при стыковке «Союза ТМА-5». когда при приближении к МКС произошел нерасчётный отказ одного из тормозных двигателей, что привело к значительному падению эффективности торможения. Тем
не менее контрольные алгоритмы, не рассчитанные на подобный отказ, на дальности около 40 м выявили аномальность работы двигателей и остановили движение корабля на МКС. Экипажу была дана рекомендация выбрать другую пару тормозных двигателей и продолжить причаливание «Союза» к МКС при ручном управлении, что и было успешно реализовано.
Таблица 1
Статистика автоматических и ручных стыковок к МКС российских кораблей и нештатных
ситуаций при их выполнении
Стыковки «Прогресс М», «Прогресс М1», «Прогресс» с СО-1 «Прогресс М-01М» «Союз ТМ» «Союз ТМА» Итого
Полностью автоматические 30 4 12 46
В том числе преодолённых нештатных ситуаций при автоматических стыковках 1 1 2 4
Автоматическое сближение и плановое ручное причаливание 1 (Переход на ТОРУ) 1
Автоматическое сближение и ручное управление причаливанием при нештатных ситуациях 2 (Переход на ТОРУ) 1 1 4
Ручные перестыковки 4 7 11
Всего штатных стыковок и перестыковок 30 7 17 54
Всего стыковок при нештатных ситуациях 3 1 1 3 8
Всего стыковок с ручным управлением при причаливании 3 1 4 8 16
ВСЕГО СТЫКОВОК 33 8 20 61
Рис. 6. Структурная схема модернизированной СУД корабля «Прогресс М-01М»
IV. «Союз ТМА» с модифицированной системой управления и «Прогресс М-01М»
В настоящее время проводится новый этап модернизации кораблей «Союз» и «Прогресс».
Эта модернизация отличается от предыдущих тем, что она связана не с текущей необходимостью её проведения (создание «Союза Т» был связано с необходимостью обеспечения полёта 3-х человек на корабле, «Союза ТМ» — обеспечение полётов к тяжёлой станции «Мир», «Союза ТМА» — обеспечение полётов к МКС).
Целью проходящей модернизации прежде всего является создание потенциала для перспективных российских транспортных кораблей. Структура новой системы управления, архитектура, возможности нового ПО, модульность его построения позволяют сравнительно легко адаптировать её к новым датчикам, к новым за-
дачам, к принципиально другим конструкциям будущих кораблей.
В ноябре 2008 года состоялся первый полёт к МКС нового грузового корабля «Прогресс М-01М» с модернизированной системой управления, представленной на схеме рис. 6.
На схеме закрашены новые приборы.
Главным объектом модернизации стал новый цифровой вычислительный комплекс: устаревший «Аргон-16» сменила современная, постоянно работающая на орбите ЦВМ101 вместе с блоками согласующих устройств (БУС101-1 и БУС101-2).
ЦВМ101 — троированный, аппаратно мажорированный компьютер с процессором ИБС 3081, что особенно важно для реализации сложных алгоритмов СУДН.
Случай двойного отказа БЦВК на участке причаливания резервируется (как и на «Прогрессе М») с использованием системы ТОРУ.
Кроме того, в системе управления одноосный троированный акселерометр заменен на пятиосный БИПС-М (оси расположены по конусу, что позволяет использовать прибор при одном и даже двух отка-
зах, а также использовать измерительную информацию акселерометра по трём связанным осям корабля).
На борт установлена новая цифровая телеметрическая система МБИТС. Заменен блок формирования изображений (БФИ-М) на бортовом дисплее, передаваемый по телевизионному каналу в Центр управления полетом и на пульт экипажа
МКС.
Модернизирован коммутационно-пре-образующий блок системы управления БСУ-7М.
Заново перекомплексировано программное обеспечение (ПО) системы управления.
Новое ПО прошло полный цикл моделирования режимов управления и отработки на стендах.
Замеренные на стендах ресурсы
ЦВМ101, оставшиеся после реализации ПО «Прогресса М-01М», составляют около 60% по каждой позиции (память ПЗУ. ОЗУ, времени работы программ на такте), что подтверждает возможность дальнейшей модернизации СУДН на основе использования ЦВМ101 и её дальнейших модификаций. Разработанное ПО может быть также адаптировано для использования и на других современных бортовых ЦВМ.
Программы БИНС (бескарданной инер-циальной навигационной системы) по информации датчиков угловых скоростей математически моделируют положение связанного базиса корабля относительно инерциальных (текущего и Л2000). орбитального и других базисов.
Сейчас в качестве датчиков угловых скоростей используются поплавковые КХ 97 — 010 М. Их в ближайшей перспективе планируется заменить на волоконнооптические трёхосные измерители ТИУС, а затем на шестиосные (оси по гексаде) ИУС-М, позволяющие держать 2-3 отказа.
Начальная выставка базисов и последующая их коррекция осуществляется с помощью прибора ИКВ (инфракрасной вертикали Земли). измеряющего два угла рассогласования измерительной оси прибора с направлением на центр Земли.
ПО ЦВМ101 позволяет вместо ИКВ использовать для той же цели аппаратуру спутниковой навигации АСН (планируется
установить на российские корабли в ближайшей перспективе). а при необходимости использовать и высокоточные звёздные датчики.
Основным датчиком при автономном сближении сейчас является уникальный радиолокатор «Курс». дающий измерения с дальности 200 км практически в полной сфере вокруг станции МКС.
В соответствии с его возможностями построены схемы автономного сближения кораблей «Прогресс» и «Союз». На рис. 7-10 проиллюстрировано выполнение движения полёта корабля по этим схемам. На рис. 7 и 8 в качестве примера приведены траектории движения полёта корабля «Прогресс М-52» (движение в плоскости орбиты станции с дальности 600 км и вблизи МКС). На рис. 9 и 10 — относительное движение в фазовой плоскости р,р с дальности 600 км и на дальностях ближе 20 км.
В ближайшее время планируется дополнить при сближении использование аппаратуры «Курс» измерениями аппаратуры АСН.
В перспективе рассматривается замена радиолокатора сближения «Курс» на использование на дальнем участке сближения АСН на корабле, АСН на станции и МБРЛ (межбортовая радиолиния), а на ближнем участке — оптическим локатором и/или видеометром.
Рассматривается также использование на ближнем участке аппаратуры «Курс ММ», работающей в миллиметровом радиодиапазоне. Выбор новой аппаратуры сближения будет сделан на основе анализа её технологичности, эффективности, надёжности, соотношения «цена/качество».
В соответствии с ограничениями новой аппаратуры по дальности действия и конусом работы вокруг стыковочных узлов МКС или других станций будут доработаны также алгоритмы сближения и причаливания.
В настоящее время в РКК «Энергия» форсируются работы по внедрению ЦВМ101 в систему управления «Союза ТМА» новой серии.
Блок-схема СУД этого корабля приведена на рис. 11.
На схеме заштрихованы новые или модернизированные приборы: СУ по отношению к СУ существующего «Союза ТМА».
Прогресс М-62 26.12.2007. Автономное сближение (В ОСК станции).
Разн(
25.0
щ 44.18
/ * ' 10.36
3 к 10.0 3.56 МП. --нв---"' у ш' 10.16
2 и? 9.39 " 9.36 1п^ж,, йё 3.4 6
ГО 1 9.1 «МП. •33 9.21 ' 9. .26
8.56.16 3.01 9.06 9.11
.0
-25.0
-50.0
-75.0
-100.0
-125,0
-150.0
-175.0
-200.0
Имп Время Дальнос гь Модуль имп. Время раб. Тип ДУ
1 9 .16 33 415 17 км 12 65 м/с 35.0 сек СКД
2 9 .39 08 221 21 км 1 14 м/с 28.6 сек дпо
3 10 .02 13 114 86 км 25 94 м/с 66.2 сек СКД
4 10 .44 18 2 84 км 7 11 м/с 21.4 сек скд
5 10 .49 16 1 16 км 4 95 м/с 58.4 сек ДПО
6 10 .51 52 60 км 2 41 м/с 33.4 сек ДПО
600.0 -550.0 -500 0 450.0 -400.0 -350.0 -300.0 -250.0 -200.0 -1 50.0 -1 00.0 Разность коорд. вдоль орбиты (км]
-50.0
.0
Рис. 7
Прогресс М-62 26.12.2007. Автономное сближение (В ОСК станции)
Разность коорд. по высоте (км]
N Б ИМП г
««5152п 10. 0.53.41 тк 49.16 4 имп.
т&._ ‘■'1 *10.43
"■■-и 10-42 0.41
Ц10.40 \
Имп. Время 4 10.44.1 5 10.49.1 6 10.51.5 Дальность 3 2.84 км 6 1.16 км 2 .60 км 1одуль имп. В 7.11 м/с 4.95 м/с 2.41 м/с ремя раб. Тип 21.4 сек СК 58.4 сек ДП 33.4 сек ДП 1,1о:зэ. ДУ \ Д 1 а 0 *1и-38
0 1.0 2.0 3.0 4.0
Разность коорд. вдоль орбиты (км]
Прогресс М-62 26.12.2007. Автономное сближение (Фазовая траектория).
Относительная скорость (и/с)
.0
-25.0
-50.0
-75.0
-100.0
Имп. Время Дальность Модуль имп. Время рай. Тип ДУ
1 9.16.33 415.17 км 12.65 м/с 35.0 сек СКД
2 9.39.08 221.21 км 1.14 м/с 28.6 сек ДПО
3 10.02.13 114.86 км 25.94 м/с 66.2 сек СКД
і| 10.261 \ : і 1021 3 ИМП.
\ \ 10 ,10.16 \тх 02.13 І10ГЦ N 56 'щ 9.51
lOjbb \ъл ь
? имп. Э.ЗШВ \ \
'ч V'3 1 : ч ИМП. 16.33 q tl и qj l!:j ГО
; ~~~~я Э.Л J ..16
-125.0
-150.0
-175.0
.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 450.0 500.0 550.0 600,0
Относительная дальность (км]
Рис. 9
Прогресс (1-62 26.12.2007. Автономное сближение (Фазовая траектория).
2.0
.0
-2.0
4.0
-6.0
-8.0 1 0.0
-12.0
-14.0
-16.0
-18.0
-20.0
-22.0
-24.0
-26.0
-28.0
-30.0
-32.0
-34.0
s КЛ 10.53. 6 И 10.51. ■1 ш. ж щ- Имп . 4 10 5 10 6 10 Время .44.18 .49.16 .51.52 Дальн 2. 1. ость !* 84 км 16 км 60 км одуль имп. I 7.11 м/с 4.95 м/с 2.41 м/с ремя р 21.4 с 58.4 с 33.4 с аб. Тип ДУ ек СКД ек ДПО ек ДПО
:... !
А 1СМ ІМПІШ 18 10.42 ji]. i0 10.38
10,33
Ж;;' *, 10.33
10.32 : *"В
: Ж.
X 10.28 ’ж.
Ч :
\ 10.27
2.0
4.0
6.0 8.0
Относительная
10.0 12.0 дальность [км|
14.0
16.0 18.0
20.0
Рис. 11. Структурная схема модернизированной СУД транспортного корабля «Союз ТМА»
Как и на «Прогрессе M-01M», главный модернизируемый прибор — это БЦВМ ЦВМ101 с новым программным обеспечением. Ядром ПО ЦВМ101 модернизированного корабля «Союз» является ПО «Прогресс M-01M».
На новый «Союз» также планируется установить модернизированный пульт космонавтов «Нептун» с более современными вычислительными средствами и средствами отображения информации.
Новый пульт пройдёт испытания в составе корабля «Союз ТМА-15», полет которого состоится в мае 2009 года.
Все компьютеры «Союз ТМА» с модифицированной системой управления (ЦВМ101, КС020, компьютеры пульта) объединяются в единую вычислительную сеть — БЦВК. БЦВК интегрируется в бортовую вычислительную систему МКС после стыковки «Союза» к станции. Это позволит оперативно изменять в БЦВК «Союза» навигационную информацию в случае необходимости выполнения срочного спуска «Союза» с экипажем на Землю, что также удобно и для выполнения штатного спуска корабля.
V. Выводы
В ноябре 2008 года выполнен полёт корабля «Прогресс M-01M», готовится к полету второй грузовой корабль «Прогресс M-02M» с модернизированной системой управления, построенной на базе современного компьютера ЦВМ101.
На основе использования ЦВМ101 в РКК «Энергия» проводится также модернизация системы управления пилотируемого корабля «Союз ТМА».
Архитектура модернизированной системы управления кораблей «Прогресс M-01M» и модернизированного корабля «Союз ТМА», архитектура разработанного ПО пульта космонавтов «Нептун МЭ» и модернизированного ПО компьютера управления спуском КС020-М (корабля «Союз ТМА») закладывают основу для дальнейшей модернизации пилотируемых и грузовых российских кораблей, для модернизации и смены аппаратуры СУДН и использования её на будущих российских кораблях.
Поступила в редакцию 27.03.2009.