Проблемы разработки системы сближения и стыковки

Проектные проработки различных методов сближения космических аппаратов начинались еще в группе Тихонравова , работавшего в НИИ-4 . С его переходом к Королеву в ОКБ-1 они были продолжены исключительно в теоретическом плане. Однако серьезные работы, имеющие целью создание системы управления сближением, начались у нас только в начале 1961 года с переходом коллектива Раушенбаха в ОКБ-1. Примерно в начале 1963 года при обсуждении проблемы управления многопускового комплекса "Союз" для облета Луны мы пришли к выводу, что управление сближением должно быть составной частью и одним из режимов общей системы управления движением, а потому мы должны быть головными разработчиками всей проблемы сближения. В дополнение к смежным организациям, которые по нашим заказам разрабатывали гироскопические и электронно-оптические приборы для ориентации и навигации, нам следовало найти желающих разработать то, на что мы сами были явно не способны: радиосистемы или оптические системы, измеряющие параметры относительного движения двух сближающихся аппаратов. С самого начала было ясно, что бортовую аппаратуру можно будет упростить, если в процесс управления сближением включить уже существующий наземный комплекс с его баллистическими центрами. В этом случае с помощью наземного КИКа на уже проверенных принципах коррекции орбит по командам с "земли" расстояние и относительная скорость между двумя аппаратами, выведенными на орбиты в разное время и, может быть, с разных стартовых площадок, сводятся до минимальной величины, определяемой ошибками измерений КИКа и ошибками бортовых систем при исполнении сеансов коррекции. Три группы баллистиков: у нас Лавров и Аппазов , в НИИ-4 Эльясберг и Ястребов , в ОПМ Охоцимский и Платонов - анализировали проблему сближения по командам с "земли" сначала раздельно, а потом собрались вместе и пришли к согласованному выводу. Таким методом можно сблизить объекты до расстояния 20-30 километров - это как повезет. На таком расстоянии объекты будут находиться короткое время, потом снова разойдутся. Чтобы этого не случилось, сразу по завершении этапа дальнего сближения в дело должна вступить бортовая автономная система, не зависящая от земных измерений и команд. При дальности взаимного обнаружения автономными средствами не менее 20-30 километров должен произойти "радиозахват" - корабли должны "увидеть" друг друга и далее выполнять сближение и причаливание автономно без участия "земли". Один из кораблей при этом является активным: он движется к пассивному, который должен развернуться открытым основанием конуса - гнездом пассивной части стыковочного агрегата - навстречу штырю активного корабля. На участках автономного сближения и причаливания возможны были два вида управления. Чисто автоматическое, без участия человека, и ручное, при котором космонавт, пользуясь результатами измерений системы и собственными наблюдениями в оптические визиры, с помощью ручек включает двигатели ориентации и двигатели причаливания и ориентации и доводит активный корабль до "втыка".

Мы ставили своей главной задачей выполнение сближения "Союзов" в автоматическом, беспилотном режиме. Очевидно, что активные заправщики ПК должны были стыковаться с разгонным блоком 9К только автоматически. Для 7К были предусмотрены автоматический и, для надежности, еще и ручной режимы.

Несмотря на прекращение работ по "Союзу" для облета Луны, категорическое требование автоматического сближения и причаливания оставалось в силе. Мы уже знали, что американцы приняли вариант, в котором без участия человека система сближения не работала. Мы не копировали американцев, и это оказалось в будущем сильной стороне нашей космонавтики. Горячие споры развернулись по вопросам о методах наведени активного корабля на пассивный. Дело в том, что в те годы во всякого рода системах наведения ракет ПВО использовались траектории погони по "собачьей кривой", когда преследователь все врем следит за целью и бежит вдогон с постоянной или нарастающей скоростью. Мы имели возможность использовать методы наведения, учитывающие законы небесной механики, то есть естественное движение кораблей в поле тяготения Земли. В этом случае предполагается, что по результатам наземных измерений в "память" активного корабля закладываются данные об орбитальном движении обоих кораблей относительно земных координат. В аппаратуру активного корабля должны быть заложены алгоритмы, позволяющие прогнозировать относительное движение и вырабатывать решение, приводящее к сближению. Такой метод, как было сказано, приводит к большим ошибкам. Необходима коррекция по результатам взаимных измерений относительной дальности и скорости, которые дает бортовая радио- или оптическая система.

Чтобы скорректировать естественное орбитальное движение, необходимо на борту точно рассчитать величину, направление и время выдачи корректирующего импульса. Такого рода корректирующие воздействия по прогнозам теоретиков требовали не более двух включений СКДУ активного корабля до входа в зону причаливания, которая оценивалась в 50-200 метров. Однако само определение параметров управляющих воздействий при таком двухимпульсном маневре сближения требовало решение сложной задачи, предполагавшей, что каждый из корректирующих импульсов рассчитывается с помощью БЦВМ из условий попадания в зону причаливания через некоторое время свободного полета. Т.е сближение требовало теснейшего сотрудничества управленцев с баллистиками - они по праву считались хозяевами свободного полета на околоземных орбитах. От них и пошло название такого, казалось бы, естественного сближения - метод "свободных траекторий". Этот сам собой разумеющийся метод обещал очень экономное расходование бортового запаса топлива СКДУ и системы ориентации, но требовал расчетов, которые невозможно выполнить без БЦВМ .

Уже в 1964 году нам было ясно, что надежной и пригодной для подобных задач БЦВМ в ближайшие два-три года у нас не будет. О трагической истории создания в СССР космической БЦВМ я надеюсь еще написать.

Мы уже знали, что на "Джемини" и будущем "Аполло" американцы используют быстродействующие БЦВМ, позволяющие решать задачи сближения полуавтоматическим методом, с обязательным участием человека. Они, уже располагавшие надежными БЦВМ, не рисковали использовать только автоматическое сближение методом "свободных траекторий". Имея в своем распоряжении "искусственный интеллект", американские "сближенцы" складывали его с естественным интеллектом хорошо подготовленного астронавта и таким тандемом решали задачу. Мы должны были решить задачу, не имея ни искусственного, ни естественного интеллекта!

Пришлось отложить заманчивый метод до лучших времен и обучить активный корабль повадкам гончего пса, который даже после жестокой дрессировки не побежит в прогнозируемую точку встречи за удирающим зайцем. Теперь уже не баллистики, а "теоретики-динамики" Раушенбаха - Легостаев, Шмыглевский, Ширяев, Ермилов, используя опыт ракетных систем самонаведения, состыковали его с баллистикой космического полета и предложили метод "сближения по линии визирования", или проще - метод "параллельного сближения". При этом методе повышалась роль и ответственность бортовой системы измерения параметров относительного движения. Требовалось точное измерение расстояния между кораблями: относительной дальности, скорости изменения этого расстояния, то есть скорости сближения или удаления, и угловой скорости вращения линии визирования, совпадающей с прямой, соединяющей в пространстве два корабля. Эта информация в согласованной форме поступает в аналоговые электронные приборы, которые не умеют, подобно БЦВМ, прогнозировать относительное движение и предвидеть последствия коррекций на длительном интервале времени. Поэтому бортовые приборы, управляющие сближением, будут вертеть кораблем в процессе сближения и выдавать команды на небольшие по величине, но частые корректирующие импульсы то на разгон, то на торможение,чтобы вести активный корабль внутри расчетного коридора значений относительной скорости, меняющейся в зависимости от дальности. В процессе сближения активный корабль не только разгоняется или тормозится, но и обязательно корректируется в боковом направлении так, чтобы свести к нулю угловую скорость вращения линии визирования. По мере уменьшения дальности уменьшается и относительная скорость сближения. В режиме причаливания, чтобы не сломать стыковочный агрегат, требовалось иметь сближение со скоростью порядка 5-7 сантиметров в секунду и сводить к минимуму относительную угловую скорость. Приборная материализация идей, разработанных абстрагирующимися от реальных возможностей теоретиками, требовала участия опытного специалиста, который бы кроме энтузиазма обладал еще и здравым смыслом разработчика реальной аппаратуры.

Ссылки: