Текст книги "Научный орбитальный комплекс"

Автор книги: Константин Феоктистов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 5 страниц)

ТРАНСПОРТНЫЕ ГРУЗОВЫЕ КОРАБЛИ «ПРОГРЕСС»

Назначение грузовых кораблей – доставка сухих грузов, воды и топлива на орбитальный комплекс. «Прогресс» создан на базе конструкции и бортовых систем корабля «Союз» (см. последнюю страницу обложки). Его главные отличия от корабля «Союз» связаны с тем, что он должен работать в автоматическом варианте и не предназначен для возвращения на Землю. В принципе можно было бы создать пилотируемый грузовой корабль многоразового действия, но для его выведения потребовалась бы существенно более мощная ракета-носитель (а, следовательно, и более дорогая).

Это легко понять на примере корабля «Союз». Из всего состава корабля возвращается на Землю только спускаемый аппарат с массой, меньшей половины массы корабля. И когда корабль летит с экипажем, он может захватить с собой всего лишь несколько десятков килограммов груза. Чтобы доставить 2–2,5 т груза, нужно увеличить массу корабля на 2,5–3,0 т (с учетомконструкции). А если бы мы захотели сделать корабль многоразовым, то нам следовало бы объединить все его отсеки в одно целое и закрыть тепловой защитой. С учетом этого масса корабля должна была бы увеличиться в 1,5–2 раза, и, следовательно, для его выведения потребовалась бы ракета-носитель почти такой же мощности, что и ракета-носитель станции.

Если говорить об экономически эффективной транспортной системе Земля—орбита—Земля, то представляется елесообразным делать полностью многоразовый не только корабль, но и ракету-носитель. Но для решения этой задачи требуется существенно большее время. Поэтому при проектировании корабля «Прогресс» было принято решение делать его одноразовым и для его выведения использовать ракету-носитель корабля «Союз».

Грузовой корабль состоит из трех отсеков: приборно-агрегатного, отсека компонентов дозаправки и грузового. В грузовом отсеке доставляются научное оборудование, оборудование, необходимое для проведения ремонтно-профилактических работ, запасы средств жизнедеятельности (регенераторы, поглотители, нища, вода, одежда и т. п.). Корпус отсека сваривается из двух сферических полуоболочек и цилиндрической проставки между ними. Одной (нижней) стороной отсек устанавливается на опорном шпангоуте (отсека) компонентов дозаправки. На верхней части отсека размещается автономный стыковочный агрегат (типа штырь) с переходным люком, позволяющим экипажу станции после пристыковки грузового корабля к станции входить в грузовой отсек и переносить доставленное оборудование на станцию (транспортный грузовой корабль стыкуется со стороны агрегатного отсека Станции – к промежуточной камере).

В отличие от стыковочного агрегата пилотируемого корабля на агрегате грузового установлены два гидроразъема, которые стыкуются с соответствующими разъемами на стыковочном агрегате промежуточной камеры. Через эти разъемы идет заправка станции горючим и окислителем. Внутри грузового отсека – обычный воздух при нормальном атмосферном давлении. Объем отсека около 6,6 м³. В нем ожет быть размещено до 1300–1400 кг оборудования. Громоздкое оборудование (типа регенераторов и т. п.) закрепляется непосредственно на силовой раме отсека, мелкое оборудование и небольшие приборы размещаются в контейнерах.

После переноса доставляемых грузов на борт станции перед отстыковкой корабля в освободившийся объем грузового отсека экипаж переносит отработавшее оборудование (типа регенераторов, поглотителей и т. п.), замененные неисправные приборы, контейнеры с отходами, появившимися в это время (чтобы лишний раз не использовать шлюзовые камеры), использованное белье и т. п. Объем станции ограничен и, если этого не делать постоянно, она оказалась бы загроможденной.

В отсеке компонентов дозаправки размещаются два блока с горючим (несимметричным диметилгидразином), два бака с окислителем (азотным тетраксидом), баллоны со сжатым воздухом (для наддува станции) и азотом (для наддува баков с топливом при его передавливании в объединенную двигательную установку станции), пневмогидроавтоматика (редукторы давления, клапаны, датчики и т. п.).

Компоненты, размещенные в баках, химически агрессивны и ядовиты для человека, и поэтому недопустим какой-либо контакт их паров (например, в случае потери герметичности баков, магистралей и т. п.) с объемом жилых отсеков, а следовательно, и с объемом грузового отсека. Отсек компонентов дозаправки негерметичен, магистрали, идущие к заправочным разъемам на стыковочном узле, также проложены и по наружной поверхности. Аналогично, магистрали, идущие от заправочных разъемов станции к бакам с объединенной двигательной установки, проложены снаружи промежуточной камеры в негерметичном агрегатном отсеке. Корпус отсека компонентов дозаправки термостатируется за счет прокачки жидкости внутреннего контура СТР по трубкам, приваренным к оболочке отсека.

Приборно-агрегатный отсек близок по конструкции и составу аппаратуры и оборудования, размещаемого в нем, к аналогичному отсеку корабля «Союз». Заметно отличается приборная часть отсека, объем которой увеличен вдвое за счет введения цилиндрической проставки. В дополнительном объеме размещается аппаратура управления дозаправкой и та часть радиоаппаратуры, которая на корабле «Союз» размещалась в орбитальном отсеке.

На наружных поверхностях корабля установлены антенны радиокомплекса, чувствительные элементы: два инфракрасных построителя местной вертикали (вместо одного на «Союзе»), ионные построители направления вектора скорости, а также управляющие реактивные двигатели. Установка второго инфракрасного построителя местной вертикали связана с тем, что на беспилотном корабле необходимо повысить надежность системы автоматической ориентации. Датчик, обеспечивающий построение местной вертикали, работает в инфракрасной области спектра. Этот выбор объясняется тем, что в случае использования датчика, работающего в видимой части спектра, он не смог бы обеспечить ориентацию корабля в тени Земли. Датчик же, работающий на приеме теплового излучения, хорошо «отличает» Землю и горизонт от космического пространства как над освещенной, так и над теневой стороной Земли.

В районе стыковочного узла устанавливаются три световых индекса и телевизионные камеры, которые позволяют визуально контролировать процесс приближения грузового корабля к станции (в том числе в тени Земли): с Земли по телеизображению корабля (через телекамеры станции) или со станции (через телекамеры корабля). Кроме визуального контроля экипаж (на пульте станции) и персонал центра управления полетом контролируют (на дисплеях) параметры относительного движения (дальность, радиальную скорость, угловые скорости, линии визирования), работу двигателей и автоматики. Данные о ходе процесса сближения передаются на Землю с помощью радиотелеметрической системы.

Перед дозаправкой компрессоры обеспечивают откачку газа в баллоны наддува из газовых полостей тех баков объединенной двигательной установки, которые должны заправляться. Автоматика системы дозаправки обеспечивает проверку герметичности состыкованных гидроразъемов заправочных магистралей. По командам экипажа с пульта дозаправки или с Земли осуществляется наддув баков с компонентами в грузовом корабле, вскрытие клапанов, соединяющих эти баки и баки объединенной двигательной установки с заправочными магистралями, и перекачку топлива. Заправка осуществляется поочередно в каждый отдельный бак. После окончания заправки клапаны, соединяющие баки с заправочными магистралями, закрываются, и эта магистраль соединяется с открытым пространством и продувается. Эта операция осуществляется для того, чтобы при расстыковке остатки компонентов не попали на поверхность стыковочных узлов.[6]6
  Более подробно о технических характеристиках грузового корабля «Прогресс» см.: К. П. Феоктистов. Орбитальная станция «Салют-6». – В сб.: «Современные достижения космонавтики». М., «Знание», 1978.


[Закрыть]

РОЛЬ АВТОМАТИКИ И ЧЕЛОВЕКА НА БОРТУ ОРБИТАЛЬНОГО КОМПЛЕКСА

Основными функциями управления и на космических кораблях и на орбитальных станциях, так же как и в любых сложных комплексах, являются координация и контроль работы бортовой аппаратуры, переключение бортовых систем в. различные режимы работы, регулирование принятого режима, анализ состояния и работы бортовых систем и конструкции, а в случае необходимости введение резерва аппаратуры и оборудования.

Уже сейчас созданы, средства, почти полностью автоматизирующие управление на борту и обеспечивающие (при наличии связи с Землей и выдачи команд управления с Земли) возможность осуществления полета корабля и станции в автоматическом режиме. При этом контроль и анализ состояния корабля или станции осуществляется по телеметрии на Земле коллективом специалистов, использующих автоматизированные средства отработки телеметрической и траекторной информации. Если бы эти средства не были созданы, нельзя было бы обеспечивать работу автоматических ретрансляторов, метеорологических спутников, автоматических межпланетных станций и зондов.

Но тогда что же должен делать человек на станции? С течением времени ответы на этот вопрос будут меняться. По сегодняшним представлениям можно назвать три группы задач, которые должен решать экипаж в полете. Первая группа связана с обеспечением надежности работы и безопасностью самого экипажа. Поскольку непосредственный контроль процессов, идущих на станции, возможен сейчас только в зоне радиовидимости наземных командно-измерительных пунктов, а в зоне видимости этих пунктов станция находится не более 20–30 % общего времени полета, то считается необходимым все сложные процессы, которые хотя бы частично происходят вне зоны радиовидимости наземных пунктов, вести под контролем экипажа, а особо важные из них – под одновременным двойным контролем – с Земли и экипажем.[7]7
  Контроль со стороны экипажа подразумевает просмотр информации о функционировании бортовых систем, которая выводится на пульты управления, анализ этой информации, сравнение с ожидаемой в данном процессе картиной и оценка правильности работы бортовой аппаратуры.


[Закрыть]

К этой же группе задач относится возможность (по результатам анализа или по рекомендации с Земли) взять на себя управление операциями в случае, если в ходе автоматического процесса обнаруживаются недопустимые или тревожные отклонения. Так, например, на кораблях «Союз» экипаж может взять на себя управление ориентацией и стабилизацией, включать и выключать корректирующий двигатель, управлять «вручную» процессом сближения, включать и выключать аппаратуру и т. п.

В данном случае человек на борту выполняет функции резервного логического, счетно-решающего и командного устройства, являющегося одновременно и «чувствительным элементом» (визуальная ориентация – определение положения в пространстве). Много таких же функций человек может выполнять и на станциях «Салют». Выступая в качестве резервной системы, человек повышает надежность орбитального комплекса и безопасность полета. По современным представлениям, дублирование жизненно важных автоматических систем – это обязательная функция человека на космическом аппарате.

Вторая группа задач связана с осуществлением ремонтно-профилактических, наладочных и других работ по обслуживанию станции. К ним относятся ремонт или замена вышедших из строя или явно исчерпавших свой ресурс приборов и агрегатов, перенос из грузового корабля в станцию доставленного оборудования, его установка, подключение к борту и проверка его функционирования, регулировка и настройка, уборка станции, шлюзование отходов. К этой группе задач относятся работы, в которых трудно заменить человека.

Каждая из этих операций достаточно проста и элементарна и описывается обыденным языком достаточно просто: «взять блок Н, поставить его за панелью М на место В, соединить разъемы А, Б, С,… на блоке с разъемами А¹, Б¹, С¹,… бортовой кабельной сети и по инструкции К провести проверку правильности подключения, а затем и работу прибора». Но для каждого прибора это своя, каждый раз разная информация, и за каждым конкретным указанием (например, «взять блок Н») подразумевается целый ряд задач.

Действительно, здесь нет типовых, легко алгоритмизируемых действий. Такие операции без участия человека можно будет осуществлять только после создания роботов, которые немногим будут уступать человеку, но могут иметь большую емкость памяти, мощные вычислительные устройства, приемники внешней информации и исполнительные органы («руки», средства перемещения). С точки зрения инженера, человек представляет собой именно такую сложную машину. Даже для осуществления таких простейших операций, как видение предметов и окружающей обстановки, мозг человека совершает громадное количество операций, позволяющих в сознании (а не на сетчатке глаза!) построить видимую картину.

Дело в том, что глаза человека, его голова, он сам все время двигаются, поворачиваются. Поэтому глаз как оптическая система обеспечивает построение на сетчатке все время движущейся картины, так как из-за движения глаза, головы, и т. п. на каждый данный элемент сетчатки попадают различные части изображения, все время меняющегося. В то же время мы воспринимаем внешний мир стабильным, легко выделяя движущиеся предметы от неподвижных.

Это является следствием того, что определенная часть мозга человека, действуя как специализированный компьютер, использует информацию с каждой точки сетчатки, информацию о положении глаза, головы и т. п., запомненную ранее информацию о предыдущем расположении предметов. При этом полученные сигналы «пересчитываются» в неподвижную систему координат (относительно каких-то реперных предметов в поле зрения), где и строится изображение. Возможно, что не менее сложным является и процесс опознания предмета. И для решения подобных задач, по-видимому, необходимо создание миниатюрных процессоров с миллиардами элементарных счетных элементов.

К третьей группе задач относятся работы, непосредственно связанные с осуществлением научных исследований и экспериментов. Если разбирать каждую отдельную задачу исследований и экспериментов, то почти каждый раз можно найти возможность легко автоматизировать процесс. Рассмотрим, например, астрофизические наблюдения, проводимые с помощью какого-либо телескопа. В этом случае можно представить такую последовательность операций:

ориентировать станцию таким образом, чтобы ось телескопа смотрела в заданную точку неба, а затем поддерживать эту ориентацию;

подготовить телескоп, его электронные блоки и приемники к работе, т. е. выполнить ряд последовательных операций по включению определенной последовательности режимов, включить питание, раскрутить гироприборы или компрессоры и холодильные установки, подключить астрогиды, их приводы и т. п.;

подготовить к включению и включить систему регистрации измеряемых параметров и контроля работы обеспечивающих систем;

включить телескоп, провести измерения и их регистрацию;

переориентировать станцию на новый источник и опять провести регистрацию и т. д. вплоть до окончания серии наблюдений.

Очевидно, что все эти операции, легко алгоритмизируются,[8]8
  Под алгоритмизацией здесь понимается описание словами или уравнениями, или логическими условиями всех операций, из которых состоит функционирование данной машины, процесса и которые нужно выполнить для решения задачи данных наблюдений или экспериментов.


[Закрыть] а возможность автоматизации этого процесса, включая выполнения подстроек, выбора целей, времен экспозиций и т. п., не вызывает сомнений. То же самое можно сказать и о таких работах, как фотографирование, технологические и биологические эксперименты. Правда, здесь тут же возникают некоторые осложнения: простые процессы перезарядки кассет, технологических печей, термостатов автоматизируются дорогой ценой существенного усложнения, а, например, оценку «стоит ли осуществлять фотосъемку: не слишком ли много облаков» в автоматическом режиме решить весьма затруднительно.

Причем следует отметить, что работает и другой фактор – сам факт наличия человека на станции. Если заранее известно, что на станция будет находиться человек, то зачем многократно усложнять аппаратуру (например, решая задачу многократной перезарядки фотоаппаратуры) и тем самым снижать надежность выполнения экспериментов? Ведь человек легко сам может настроить аппаратуру, установить капсулу в нагревательную печь, набрать с пульта требуемый режим плавки и т. п. Некоторые из этих работ – регулировки, настройки, изменения программы измерений – и в будущем желательно оставить за человеком.

Но все это приводит к тому, что человек на станции оказывается вовлеченным в слишком большой и разнообразный круг операций. Это приводит, с одной стороны, к перегрузке, а с другой стороны – к снижению эффективности всего комплекса, поскольку по сравнению с машинами человек на станции обладает определенными недостатками. Он должен тратить время на сон (9 ч – такова норма, принятая сейчас на станциях «Салют»), на физические упражнения (2,5 ч – такова необходимая плата за профилактику невесомости), на завтрак, обед и ужин (минимум 2 ч, учитывая время на приготовления к «трапезе»), на отдых (1–1,5 ч – так называемое «личное время»), на связь с Землей (1–1,5 ч в сутки), на медицинский контроль (около 1 ч).

Таким образом, время, которое он может выделить на целенаправленную работу, составляет в день всего несколько часов. А ведь нужно еще учесть два выходных дня в неделю, дни медицинского контроля, дни, идущие на операции обслуживания (коррекции, стыковки, расстыковки, консервации, расконсервации, перенос грузов, заправки и т. п.). Все это приводит к тому, что время, выделяемое на выполнение исследований и экспериментов уменьшается, и временной КПД пилотируемой станции оказывается низким.

Как же выйти из этого положения?

В случае решения задач первой группы очевидно, что следует стремиться к тому, чтобы полностью освободить человека от функций контроля и управления бортовой аппаратурой, от функции анализа состояния. Однако это, конечно, осуществимо лишь при условии проведения необходимых мероприятий по увеличении надежности работы и по обеспечению контроля и анализа состояния комплекса без участия экипажа. Разрешение данной проблемы возможно двумя путями, и, по-видимому, какое-то время будет использоваться и тот и другой.

Первый путь – обеспечение функций управления бортовой аппаратурой, контроля и анализа состояния за счет работы наземной службы, что возможно только в случае обеспечения практически непрерывной радиосвязи Земля—орбитальный комплекс. Этого можно добиться либо за счет равномерного размещения на поверхности суши и океанов достаточно большого количества командно-измерительных пунктов (порядка 200–300 пунктов), связанных каналами связи с центром управления полетом, либо за счет использования системы спутников-ретрансляторов для непосредственной связи со станцией, располагаемых на стационарной орбите (как это, например, было осуществлено во время совместного полета кораблей «Аполлон» и «Союз» в 1975 г.).

На современном уровне техники управление и связь через ретрансляторы представляются вполне реальными и осуществимыми. Причем на Земле вполне возможно обеспечить практически непрерывный оперативный контроль и анализ состояния орбитального комплекса и идущих на нем процессов, выдачу на системы и агрегаты необходимых команд в требуемые моменты времени. Это позволит вести активные сложные процессы и во время сна или отдыха космонавтов, выполнения ими физических упражнений и т. п.

Недостатками же данного направления являются недостаточная автономность станции, необходимость вовлечения в непрерывную работу с данной станцией специалистов центра управления полетом, наземных пунктов связи через спутники-ретрансляторы, загрузка самих ретрансляторов передачей «сырой» (необработанной) информации. И по мере увеличения количества находящихся на орбите станций и кораблей этот путь станет явно неприемлемым, и в будущем, по-видимому, придется ориентироваться на другой.

Этот второй путь предусматривает установку на борту комплекса мощных и надежных бортовых вычислительных машин, способных обрабатывать и анализировать результаты измерения параметров, характеризующих работу и состояние комплекса, его бортовых систем. Возможность алгоритмизации обработки и анализа состояния вполне очевидна. Обычно это осуществляется путем сравнения измеренной величины с ее номинальным значением (и интервалом допуска), или с графиком ее изменения, затем по комплексу параметров определяются алгоритмы: «в сумме – все в порядке или нет?» и «где недопустимое отклонение?». Такие алгоритмы обработки и анализа уже реализуются на наземных вычислительных машинах.

Для реализации второго пути требуется создать комплекс миниатюризированных бортовых машин, которые могли бы решать аналогичные задачи на борту станции.

Однако первый и второй способы решения вопросов надежности и безопасности не будут исключать возможности того, что в случае возникновения опасной ситуации экипаж сможет брать управление на себя. Но, как правило, экипаж станции не должен будет заниматься этими вопросами.

Примерно то же следует сказать и о третьей группе задач, касающихся проведения исследований и наблюдений: все, что без больших усилий может быть автоматизировано, должно быть автоматизировано. Конечно, за человеком здесь останется большое количество экспериментов и наблюдений (например, визуальные наблюдения), которые нерентабельно автоматизировать, Что же касается второй группы задач человека, задач по обслуживанию техники станции (настройки, регулировки, перенос, установка, подключение оборудования и т. п.), то эта область, по-видимому, надолго останется за человеком.

Главные задачи человека на орбитальном комплексе – готовность приема новой и неожиданной информации, ее переработка и возможность принятия незапрограммированного, но нужного в данный момент решения. Обсуждение роли автоматики и человека на станции проводилось здесь на примере орбитального комплекса, но если такое рассмотрение провести на примерах специализированных станций, то мы получим те же выводы: человек не должен выполнять примитивную, легко алгоритмизируемую работу. Он должен делать то, что автоматизируется с трудом, в частности, прием новой, незапрограммированной информации, ремонт, настройки, регулировки, изменение программ работ и т. п.