Продолжу «космическую» тему в своих постах. На этот раз хочу рассказать об одном малоизвестном аспекте программы «Энергия — Буран», а именно — о системе автоматической посадки орбитального корабля.
О программе «Энергия — Буран» написано немало, я бы порекомендовал всем интересующимся сразу отправиться на специальный сайт buran.ru, на котором очень много достоверной информации.
Если вкратце резюмировать, то программа «Энергия — Буран» предусматривала создание универсальной тяжелой ракеты-носителя «Энергия» стотонного класса и, в качестве полезной нагрузки для нее — орбитального многоразового корабля «Буран».
Корабль «Буран» во многом был аналогом американской системы Space Shuttle: крылатый и бесхвостый планер, плиточная теплозащита, грузовой люк, сходные массо-габаритные параметры (вывод 30 тонн и возвращение с орбиты 20 тонн груза, экипаж до 7 космонавтов), но, поскольку техника не стоит на месте, а наш корабль разрабатывался позже, имел и существенные отличия. «Буран», в отличие от американского аналога, был изначально предназначен для стыковки с орбитальными станциями и другими кораблями, имел систему спасения экипажа (ее отсутствие погубило в свое время экипаж «Челленджера»), и, самое главное — мог выполнять задачи выхода в космос, работы на орбите и посадки в полностью автоматическом режиме.
Оставим за рамками этой статьи этапы взлета, выхода на орбиту и маневрирования, стыковки и работы с полезным грузом. Рассмотрим подробнее посадку.
Как однажды метко заметил писатель Лукьяненко в книге «Звезды — холодные игрушки», посадка «Бурана» выполняется с «грацией падающего чугунного утюга». В этой иронической фразе, безусловно, есть смысл.
В общем случае посадку орбитального крылатого корабля можно разбить на четыре этапа:
Сход с орбиты выполняется достаточно просто — корабль разворачивается в положение «хвостом вперед, спиной вниз», маршевые двигатели выдают импульс, который снижает скорость ниже порога орбитальной, и корабль начинает сходить с орбиты. Двигатели ориентации к моменту входа в сколько-нибудь плотные слои атмосферы, а в нашем случае это происходило на высоте около 100 километров над Южной Америкой, разворачивают корабль в правильное «самолетное» положение. С момента входа в атмосферу до момента приземления проходит около 30 минут, за это время корабль должен полностью погасить орбитальную скорость (около 8 км/с), выйти в заданный район посадки и произвести посадку на взлетно-посадочную полосу.
Задачей следующего этапа становится выход в заданную точку в окрестностях аэродрома приземления с заданной скоростью и ориентацией. Задача осложняется несколькими моментами: во-первых большую часть путь корабль летит в облаке плазмы и не имеет возможности связи с землей, во-вторых к моменту начала аэродинамического торможения в атмосфере топливо для маршевого двигателя уже выработано, поэтому маневр увеличения скорости при обнаружении недолета невозможен, возможно только управление планером корабля при помощи рулевых двигателей малой тяги и элевонов.
Образно говоря, для гашения лишней скорости при перелете система управления должна немного задрать нос, повысится аэродинамическое сопротивление и скорость снизится, а для компенсации недолета — наоборот, опустить нос. Это, конечно, очень грубое приближение, но по сути оно верное.
Итогом второго этапа должен стать выход в точку в окрестностях аэродрома посадки на высоте около 4 километров и со скоростью чуть выше 300 км/ч. При большей скорости «Буран» будет слишком инерционен и не сможет выполнять нужные для посадки маневры, а при меньшей — просто свалится в неуправляемое пикирование из-за низкого аэродинамического качества («падающий чугунный утюг с крыльями»).
Затем следует самый сложный этап посадки — выход на посадочную полосу. Автоматика, используя датчики корабля, показания радиомаяков и поток информации из наземного центра управления, должна понять где в настоящий момент находися корабль, оценить силу и направление ветра в районе посадки, принять решение с какого конца ВПП заходить на посадку и зайти на полосу. Допускалась ошибка по скорости не более 20 км/ч, промах по оси ВПП не более 700 метров, боковое отклонение — не более 38 метров.
Для управления процессом посадки, помимо наземных средств контроля и управления, использовалась собственная БЦВМ (Бортовая цифровая вычислительная машина) «Бурана» «Бисер-4». Военный заказ определил архитектуру БЦВМ — она была реализована в виде четырех параллельных независимых вычислительных каналов и компаратора, который непрерывно сравнивал результаты на выходе каналов. В случае отклонения результатов какого-либо из каналов от трех остальных, он отключался и БЦВМ продолжала работать в штатном режиме. Таким же образом мог быть отключен еще один поврежденный вычислительный канал, чем достигалось автоматическое резервирование и отказоустойчивость БЦВМ. Вычислительные каналы (или ядра, в современной терминологии) работали на частоте 4 МГц и имели 128 КБайт оперативной памяти и 16 КБайт постоянной программной памяти. Подобная архитектура позволяла БЦВМ управлять процессом посадки «Бурана» даже в условиях ядерной войны (это входило в ТЗ по требованию военных).
Для программирования процесса посадки был выбран метод конечного приближения. В каждом цикле работы БЦВМ строила прогноз «попадания» корабля в заданную точку в зависимости от его текущего положения, скорости, состояния атмосферы на трассе посадки и множества других параметров, и если результаты прогноза расходились с необходимой для успешной посадки точкой — выдавались команды управления для того, чтобы скорректировать траекторию. Такой цикл повторялся вплоть до выхода корабля на финальную точку этапа посадки.
Был создан специальный проблемно-ориентированный язык программирования реального времени ПРОЛ2 и система автоматизации программирования и отладки САПО. Язык ПРОЛ2 во многом повторял известный логический язык Пролог, но был построен на базе русских служебных слов. Так же на Прологе была написана операционная система «Пролог-диспетчер», управлявшая работой БЦВМ.
Для испытания отдельных систем «Бурана» и корабля в целом проводилось численное моделирование всех этапов полета, были построены многочисленные наземные стенды а также были построены несколько самолетов-аналогов «БТС».
Самолет-аналог представлял собой планер «Бурана» с установленными в районе хвоста самолетными турбореактивными двигателями. Он мог самостоятельно взлетать с аэродрома и садиться на него, как с использованием тяги двигателей, так и в планирующем полете.
После отработки системы автоматической посадки корабля на математических моделях настала очередь натурных экспериментов. Они выглядели так: пилот поднимал самолет-аналог на максимальную высоту, переводил его в горизонтальный полет и выключал двигатели, а инженеры и программисты БЦВМ могли в реальном времени видеть, как бортовые системы управляют процессом посадки, чтобы потом исправить алгоритм. Конечно, это был несколько волнующий момент, однако все прошло гладко и по результатам серии испытаний программно-аппаратный комплекс автоматической посадки был допущен до полетов. Всего было выполнено 24 полета самолета-аналога ( www.buran.ru/htm/hrono.htm )
Первый и единственный полет корабля «Буран» состоялся 15 ноября 1988 года. Посадка прошла полностью в автоматическом режиме, все системы корабля и наземная часть системы автоматической посадки «Вымпел» сработали в штатном режиме.
Не обошлось, правда, без курьезного случая. «Буран» приближался к аэродрому несколько правее оси посадочной полосы, все шло к тому, что он будет «рассеивать» остаток энергии на юго-восточном подходе. Так думали специалисты и летчики-испытатели, дежурившие на объединенном командно-диспетчерском пункте. Однако при выходе в ключевую точку с высоты 20 км «Буран» «заложил» маневр, повергший в шок всех находившихся в командном пункте. Вместо ожидавшегося захода на посадку с юго-востока с левым креном корабль энергично отвернул влево, и стал заходить на ВПП с северо-восточного направления с креном 45º на правое крыло.
Антон Степанов, участник описываемых событий:
"В момент резкой смены курса «Бурана» одна из женщин-операторов наших ЭВМ закричала «Вернись!», — ее лицо надо было видеть — на нем был сразу и страх, и надежда, и переживания за корабль как за родное дитя".
Г.Е.Лозино-Лозинский:
"… После того, как «Буран» вышел на орбиту, я своими глазами видел, как в Центре управления полетами «группа товарищей» заранее готовила «Сообщение ТАСС» о том, что из-за таких-то и таких-то неполадок (они изобретались тут же) благополучно завершить этот эксперимент не удалось. Эти люди особенно оживились, когда, уже заходя на посадку, «Буран» вдруг начал неожиданный маневр..."
Послеполетный анализ показал, что вероятность выбора такой траектории была менее 3%, однако в сложившихся условиях это было самое правильное решение бортовых компьютеров корабля.
В данный момент все экземпляры «Бурана» потеряны, весь задел по программе уничтожен. Слетавший в космос корабль был законсервирован до лучших времен и полностью уничтожен при обрушении крыши в ангаре на Байконуре 12 февраля 2005 года. Второй летный корабль продолжает находится на Байконуре в практически разрушенном состоянии. Третий корабль был продан малоизвестной компании «Сиа Интернешнл», но не вывезен ей и находится на заводе. Четвертый и пятый разобраны на заводе на металлолом.
Кстати, тот корабль, который стоит в Парке Горького не является космическим кораблем, это испытательный самолет-аналог БТС.
Почему же «А с кем работаете Вы?». Потому, что мне посчастливилось уже год работать вместе с одним из программистов системы посадки «Бурана», Александром Юрьевичем Сундуковым. Статья вдохновлена его рассказами на обеденных перерывах.
А с какими интересными людьми обедаете Вы? -)))
www.buran.ru
www.buran.ru/htm/vympel01.htm
www.buran.ru/htm/algoritm.htm
www.keldysh.ru/departments/dpt_23/dpt_23.html
www.xserver.ru/computer/langprogr/razn/16
Кратко о программе
О программе «Энергия — Буран» написано немало, я бы порекомендовал всем интересующимся сразу отправиться на специальный сайт buran.ru, на котором очень много достоверной информации.Если вкратце резюмировать, то программа «Энергия — Буран» предусматривала создание универсальной тяжелой ракеты-носителя «Энергия» стотонного класса и, в качестве полезной нагрузки для нее — орбитального многоразового корабля «Буран».
Корабль «Буран» во многом был аналогом американской системы Space Shuttle: крылатый и бесхвостый планер, плиточная теплозащита, грузовой люк, сходные массо-габаритные параметры (вывод 30 тонн и возвращение с орбиты 20 тонн груза, экипаж до 7 космонавтов), но, поскольку техника не стоит на месте, а наш корабль разрабатывался позже, имел и существенные отличия. «Буран», в отличие от американского аналога, был изначально предназначен для стыковки с орбитальными станциями и другими кораблями, имел систему спасения экипажа (ее отсутствие погубило в свое время экипаж «Челленджера»), и, самое главное — мог выполнять задачи выхода в космос, работы на орбите и посадки в полностью автоматическом режиме.
Как садился Буран
Оставим за рамками этой статьи этапы взлета, выхода на орбиту и маневрирования, стыковки и работы с полезным грузом. Рассмотрим подробнее посадку.
Как однажды метко заметил писатель Лукьяненко в книге «Звезды — холодные игрушки», посадка «Бурана» выполняется с «грацией падающего чугунного утюга». В этой иронической фразе, безусловно, есть смысл.
В общем случае посадку орбитального крылатого корабля можно разбить на четыре этапа:
- Сход с орбиты
- Гашение орбитальной скорости в атмосфере
- Маневрирование для захода на полосу
- Посадка на полосу
Сход с орбиты выполняется достаточно просто — корабль разворачивается в положение «хвостом вперед, спиной вниз», маршевые двигатели выдают импульс, который снижает скорость ниже порога орбитальной, и корабль начинает сходить с орбиты. Двигатели ориентации к моменту входа в сколько-нибудь плотные слои атмосферы, а в нашем случае это происходило на высоте около 100 километров над Южной Америкой, разворачивают корабль в правильное «самолетное» положение. С момента входа в атмосферу до момента приземления проходит около 30 минут, за это время корабль должен полностью погасить орбитальную скорость (около 8 км/с), выйти в заданный район посадки и произвести посадку на взлетно-посадочную полосу.
Задачей следующего этапа становится выход в заданную точку в окрестностях аэродрома приземления с заданной скоростью и ориентацией. Задача осложняется несколькими моментами: во-первых большую часть путь корабль летит в облаке плазмы и не имеет возможности связи с землей, во-вторых к моменту начала аэродинамического торможения в атмосфере топливо для маршевого двигателя уже выработано, поэтому маневр увеличения скорости при обнаружении недолета невозможен, возможно только управление планером корабля при помощи рулевых двигателей малой тяги и элевонов.
Образно говоря, для гашения лишней скорости при перелете система управления должна немного задрать нос, повысится аэродинамическое сопротивление и скорость снизится, а для компенсации недолета — наоборот, опустить нос. Это, конечно, очень грубое приближение, но по сути оно верное.
Итогом второго этапа должен стать выход в точку в окрестностях аэродрома посадки на высоте около 4 километров и со скоростью чуть выше 300 км/ч. При большей скорости «Буран» будет слишком инерционен и не сможет выполнять нужные для посадки маневры, а при меньшей — просто свалится в неуправляемое пикирование из-за низкого аэродинамического качества («падающий чугунный утюг с крыльями»).
Затем следует самый сложный этап посадки — выход на посадочную полосу. Автоматика, используя датчики корабля, показания радиомаяков и поток информации из наземного центра управления, должна понять где в настоящий момент находися корабль, оценить силу и направление ветра в районе посадки, принять решение с какого конца ВПП заходить на посадку и зайти на полосу. Допускалась ошибка по скорости не более 20 км/ч, промах по оси ВПП не более 700 метров, боковое отклонение — не более 38 метров.
Хард 'n' Софт
Для управления процессом посадки, помимо наземных средств контроля и управления, использовалась собственная БЦВМ (Бортовая цифровая вычислительная машина) «Бурана» «Бисер-4». Военный заказ определил архитектуру БЦВМ — она была реализована в виде четырех параллельных независимых вычислительных каналов и компаратора, который непрерывно сравнивал результаты на выходе каналов. В случае отклонения результатов какого-либо из каналов от трех остальных, он отключался и БЦВМ продолжала работать в штатном режиме. Таким же образом мог быть отключен еще один поврежденный вычислительный канал, чем достигалось автоматическое резервирование и отказоустойчивость БЦВМ. Вычислительные каналы (или ядра, в современной терминологии) работали на частоте 4 МГц и имели 128 КБайт оперативной памяти и 16 КБайт постоянной программной памяти. Подобная архитектура позволяла БЦВМ управлять процессом посадки «Бурана» даже в условиях ядерной войны (это входило в ТЗ по требованию военных).
Для программирования процесса посадки был выбран метод конечного приближения. В каждом цикле работы БЦВМ строила прогноз «попадания» корабля в заданную точку в зависимости от его текущего положения, скорости, состояния атмосферы на трассе посадки и множества других параметров, и если результаты прогноза расходились с необходимой для успешной посадки точкой — выдавались команды управления для того, чтобы скорректировать траекторию. Такой цикл повторялся вплоть до выхода корабля на финальную точку этапа посадки.
Был создан специальный проблемно-ориентированный язык программирования реального времени ПРОЛ2 и система автоматизации программирования и отладки САПО. Язык ПРОЛ2 во многом повторял известный логический язык Пролог, но был построен на базе русских служебных слов. Так же на Прологе была написана операционная система «Пролог-диспетчер», управлявшая работой БЦВМ.
Испытания и полет
Для испытания отдельных систем «Бурана» и корабля в целом проводилось численное моделирование всех этапов полета, были построены многочисленные наземные стенды а также были построены несколько самолетов-аналогов «БТС».
Самолет-аналог представлял собой планер «Бурана» с установленными в районе хвоста самолетными турбореактивными двигателями. Он мог самостоятельно взлетать с аэродрома и садиться на него, как с использованием тяги двигателей, так и в планирующем полете.
После отработки системы автоматической посадки корабля на математических моделях настала очередь натурных экспериментов. Они выглядели так: пилот поднимал самолет-аналог на максимальную высоту, переводил его в горизонтальный полет и выключал двигатели, а инженеры и программисты БЦВМ могли в реальном времени видеть, как бортовые системы управляют процессом посадки, чтобы потом исправить алгоритм. Конечно, это был несколько волнующий момент, однако все прошло гладко и по результатам серии испытаний программно-аппаратный комплекс автоматической посадки был допущен до полетов. Всего было выполнено 24 полета самолета-аналога ( www.buran.ru/htm/hrono.htm )
Первый и единственный полет корабля «Буран» состоялся 15 ноября 1988 года. Посадка прошла полностью в автоматическом режиме, все системы корабля и наземная часть системы автоматической посадки «Вымпел» сработали в штатном режиме.
Не обошлось, правда, без курьезного случая. «Буран» приближался к аэродрому несколько правее оси посадочной полосы, все шло к тому, что он будет «рассеивать» остаток энергии на юго-восточном подходе. Так думали специалисты и летчики-испытатели, дежурившие на объединенном командно-диспетчерском пункте. Однако при выходе в ключевую точку с высоты 20 км «Буран» «заложил» маневр, повергший в шок всех находившихся в командном пункте. Вместо ожидавшегося захода на посадку с юго-востока с левым креном корабль энергично отвернул влево, и стал заходить на ВПП с северо-восточного направления с креном 45º на правое крыло.
Антон Степанов, участник описываемых событий:
"В момент резкой смены курса «Бурана» одна из женщин-операторов наших ЭВМ закричала «Вернись!», — ее лицо надо было видеть — на нем был сразу и страх, и надежда, и переживания за корабль как за родное дитя".
Г.Е.Лозино-Лозинский:
"… После того, как «Буран» вышел на орбиту, я своими глазами видел, как в Центре управления полетами «группа товарищей» заранее готовила «Сообщение ТАСС» о том, что из-за таких-то и таких-то неполадок (они изобретались тут же) благополучно завершить этот эксперимент не удалось. Эти люди особенно оживились, когда, уже заходя на посадку, «Буран» вдруг начал неожиданный маневр..."
Послеполетный анализ показал, что вероятность выбора такой траектории была менее 3%, однако в сложившихся условиях это было самое правильное решение бортовых компьютеров корабля.
Итоги
В данный момент все экземпляры «Бурана» потеряны, весь задел по программе уничтожен. Слетавший в космос корабль был законсервирован до лучших времен и полностью уничтожен при обрушении крыши в ангаре на Байконуре 12 февраля 2005 года. Второй летный корабль продолжает находится на Байконуре в практически разрушенном состоянии. Третий корабль был продан малоизвестной компании «Сиа Интернешнл», но не вывезен ей и находится на заводе. Четвертый и пятый разобраны на заводе на металлолом.
Кстати, тот корабль, который стоит в Парке Горького не является космическим кораблем, это испытательный самолет-аналог БТС.
О второй части заголовка
Почему же «А с кем работаете Вы?». Потому, что мне посчастливилось уже год работать вместе с одним из программистов системы посадки «Бурана», Александром Юрьевичем Сундуковым. Статья вдохновлена его рассказами на обеденных перерывах.
А с какими интересными людьми обедаете Вы? -)))
Ссылки
www.buran.ru
www.buran.ru/htm/vympel01.htm
www.buran.ru/htm/algoritm.htm
www.keldysh.ru/departments/dpt_23/dpt_23.html
www.xserver.ru/computer/langprogr/razn/16
