Бортовой комплекс управления

     Особенности ракеты-носителя "Энергия", связанные с несимметричной многоблочной пакетной схемой конструкции и с наличием большого количества маршевых двигателей, высокие требования по безопасности и надежности подготовки и проведения испытаний, необходимость обеспечения принятой комплексной программы экспериментальной отработки, бортового комплекса автономного управления ракеты-носителя "Энергия" в условиях незавершенного процесса определения динамических характеристик ракеты-носителя и ее составных частей потребовали решения ряда сложных научно-технических проблем, среди которых можно выделить следующие:
     - создание многомашинного вычислительного комплекса системы управления ракеты-носителя "Энергия";
     - создание программного обеспечения наземного и бортовых цифровых вычислительных комплексов;
     - создание системы угловой стабилизации и управления движением центра масс ракеты-носителя;
     - создание системы наведения; создание комплекса аппаратуры средств аварийной защиты двигателей;
     - создание системы электропитания блока второй ступени;
     - создание системы сбора, обработки и выдачи контрольной информации;
     - создание технологии подготовки данных на пуск.
     Проблема создания многомашинного вычислительного комплекса управления ракеты-носителя "Энергия" предопределялась необходимостью обеспечения взаимодействия системы управления блока второй ступени, первой ступени и наземной аппаратуры комплекса автономного управления, а также бортовой и наземной частей систем управления полезных грузов при проведении электрических проверок, решении задач предстартовой подготовки, пуска и управления в полете. Кроме того, на бортовой комплекс автономного управления возложены задачи управления подготовкой и проведения огневых стендовых испытаний блоков первой ступени, второй ступени, контроля состояния работающих двигателей и аварийной защиты, а также управления блоками первой ступени на участке их возвращения и мягкой посадки.
     Сложность и многообразие задач управления, необходимость проведения работ с экспериментальными ракетами и блоками на различных рабочих местах и пусковых установках, необходимость обеспечения возможности выведения ракетой-носителем не только орбитальных кораблей с достаточно совершенной системой управления, но и подвесных полезных грузов, оснащенных различными системами управления, а также необходимость создания комплекса автономного управления как базовой системы управления для ряда ракет-носителей определили облик многомашинной структуры вычислительного комплекса системы управления ракеты-носителя "Энергия", включающую центральную вычислительную машину М6М, расположенную на блоке второй ступени, вычислительные машины М4М на каждом блоке первой ступени, вычислительную машину на блоке второй ступени для решения задач контроля и защиты двигателей и группу вычислительных машин М4 и СМ-2 в составе наземной аппаратуры комплекса автономного управления. Созданная цифровая вычислительная машина блока второй ступени (центральная цифровая вычислительная машина комплекса) обеспечивает требуемую производительность на всех участках полета ракеты-носителя.
     Аппаратно-программные средства обмена между цифровыми вычислительными машинами комплекса и абонентами цифровых вычислительных машин на блоках второй и первой ступеней и в наземной аппаратуре комплекса автономного управления обеспечивают обмен данными с задержками, не превышающими допустимые для задач управления исполнительными органами, элементами и смежными системами ракеты. Программные средства обеспечивают синхронно-синфазную работу цифровых вычислительных комплексов блоков второй и первой ступеней и синхронизацию их работы с работой цифровых вычислительных комплексов наземной аппаратуры комплекса автономного управления на участках совместного функционирования.
     Информационно-распределительная система выполняет операции по подготовке к работе системы управления блоков, проводит автономные испытания систем и бортовых агрегатов при минимальном количестве связей между бортовой и наземной аппаратурой комплекса автономного управления, доставляет в цифровой вычислительный комплекс наземной аппаратуры автономного управления необходимую телеметрическую информацию.
     Для этого созданы специализированные вычислительные средства информационно-распределительной системы, поддерживающие требуемый темп передачи обменной информации между цифровым вычислительным комплексом наземной аппаратуры автономного управления и бортовыми абонентами, специализированные средства информационного обмена в информационно-распределительной системе, бортовых абонентах и в цифровых вычислительных комплексах наземной системы автономного управления, обеспечивающие распределение и концентрацию передаваемых сообщений, средства самопроверки информационно-распределительной системы.
     Управляющий вычислительный комплекс наземной аппаратуры комплекса автономного управления обеспечивает требуемое взаимодействие с системой управления блоков второй и первой ступеней, смежными системами и наземными объектами при сравнительно небольших требованиях к производительности цифровой вычислительной машины комплекса автономного управления. Для чего созданы устройства связи с оборудованием бортовой и наземной аппаратуры, требующие минимального участия цифровой вычислительной машины наземной аппаратуры автономного управления в передаче данных между абонентами, реализована структура устройства связи с оборудованием минимальной сложности матобеспечения, управляющего обменами.
     Технология эксплуатации основана на использовании малоразмерных библиотек бортового цифрового вычислительного комплекса, концентрации логики и циклограмм проверок в программах цифрового вычислительного комплекса наземной аппаратуры автономного управления и обеспечивает хранение программ проверок на смежных носителях (магнитных дисках) и наращивание объема матобеспечения автономных испытаний практически без изменения программ бортового цифрового вычислительного комплекса. Такая технология позволяет сократить сроки разработки и отработки введением этапности и наращивания. При этом, малоразмерные библиотеки стандартных подпрограмм цифровых вычислительных комплексов блоков второй и первой ступеней обеспечивают обмен с абонентами бортового цифрового вычислительного комплекса по директивам цифровых вычислительных машин наземной аппаратуры автономного управления и доставку информации, прочитанной в цифровой вычислительной машине наземной аппаратуры автономного управления; системное матобеспечение цифрового вычислительного комплекса наземной аппаратуры автономного управления обеспечивает выполнение запросов разработчика проверок на обмен с абонентами без необходимости знания тонкостей программно-алгоритмической реализации этих средств. Создана операционная система цифровой вычислительной машины наземной аппаратуры комплекса автономного управления, а также исследовательский стенд и технология отработки на нем матобеспечения.
     Система средств контроля и парирования нештатных ситуаций обеспечивает требуемый уровень безопасности при электроиспытаниях, подготовке к пуску и в полете. Для этого созданы средства контроля параметров для фиксации нештатных ситуаций на основе использования информационно-распределительной системы, матобеспечения бортового и наземного цифрового вычислительного комплекса; средства контроля возникновения нештатных ситуаций в матобеспечении цифрового вычислительного комплекса блока второй ступени, блоков первой ступени, цифрового вычислительного комплекса наземной аппаратуры централизованного комплекса автономного управления и их парирования в полете и на заключительных участках подготовки путем локализации нештатных ситуаций, либо централизованного перевода комплекса автономного управления в режим автоматического прекращения пуска.
     Для системы оперативной оценки результатов комплексных испытаний и пуска в матобеспечении бортового и наземного цифрового вычислительного комплекса были созданы средства доставки и оценки данных с выводом на печать результатов и значений первичных контролируемых параметров.
      Основой экспериментальной базы для проведения исследований и отработки аппаратуры и программного обеспечения были исследовательские стенды, аналого-цифровые комплексы и комплексные стенды. Исследовательские стенды позволяли провести моделирование отдельных этапов полета ракеты-носителя и полета в целом как в штатном, так и в нештатном режимах. Аналого-цифровой комплекс использовался для моделирования углового движения ракеты с учетом упругих колебаний корпуса и жидкости в топливных баках с задействованием реальных рулевых приводов. Комплексные стенды позволили проверить полную совместимость программного и аппаратного обеспечения системы управления в штатном и нештатном режимах подготовки, пуска и полета ракеты.
     Объем и сложность задач, возложенных на комплекс автономного управления ракеты-носителя "Энергия", применение многомашинной структуры вычислительного комплекса, высокие требования к качеству и надежности его программного обеспечения вызвали необходимость решения проблемы разработки и испытаний большого комплекса взаимосвязанных бортовых программ. Объем программного продукта для бортового цифрового вычислительного комплекса составлял около 150 тыс. шестнадцатиразрядных слов. Кроме того, создавались программы для проведения проверок на всех рабочих местах при проведении автономных и комплексных испытаний, огневых стендовых испытаний блоков первой ступени, блока второй ступени и подготовки к пуску ракеты-носителя "Энергия".
     Для разработки программного обеспечения комплекса автономного управления была развита и использована современная технология создания программного обеспечения, которая базируется на автоматизированной среде производства программ. Автоматизированная среда производства программ - это программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий технологическую поддержку всех этапов жизненного цикла программного продукта, начиная от проектирования и кончая сопровождением и эксплуатацией.
     Основные научно-технические решения автоматизированной среды производства программ следующие:
     - интегрированный набор высокопроизводительных средств, объединенных в одну систему, открытую для расширений и модификаций;
     - простой и гибкий интерфейс с пользователем, в максимальной степени способствующий повышению производительности, на базе единого языка управления заданиями;
     - концентрация всех данных разработки в едином банке данных проекта;
     - специально разработанный язык высокого уровня и ассемблерная система;
     - системы отладки и испытаний программного обеспечения.
     Теоретическое обоснование принятых решений проводилось на базе потоковой модели технологического цикла, позволяющей провести увязку всех средств и обрабатываемых данных, определить оптимальные маршруты и максимально распараллелить процессы.
     На базе автоматизированной среды производства программ создан ряд исследовательских стендов для моделирования движения ракеты в штатном и нештатном режимах с учетом возмущений параметров ракеты и внешней среды. В общей сложности на исследовательских стендах проведено свыше тысячи контрольных тестов ("полетов") и исследовано поведение ракеты в полете более чем в 200 штатных и нештатных ситуациях.
     Создание комплексных стендов предоставило большие возможности по комплексной проверке совместимости программного и аппаратного обеспечения комплекса автономного управления. Для эффективного использования этих возможностей разработана и внедрена технология отработки матобеспечения и аппаратуры автономного управления на комплексных стендах, обеспечивающая контролируемость выбора объема проверок и его выполнения.
     При создании системы угловой стабилизации и управления движением центра масс ракеты-носителя "Энергия" решены следующие задачи: обеспечение безударного движения ракеты-носителя на участке старта, ограничение аэродинамических нагрузок на конструкцию ракеты-носителя, стабилизация упругих колебаний корпуса, стабилизация колебаний жидкости в топливных баках, компенсация возмущений, обусловленных смещением центра масс относительно точки приложения равнодействующей силы тяги двигателей, распределение управляющих усилий по исполнительным органам.
     Обеспечение безударного движения связано со стесненными условиями выхода ракеты-носителя из стартового сооружения. Расположение заправочно-дренажной мачты, агрегата экстренной эвакуации, башни обслуживания, девертора создавали практически "колодец". Положение усугублялось теоретической возможностью отказа одного из двигателей РД-170. Для решения этой задачи на основе теории оптимального управления были разработаны алгоритмы, обеспечивающие в штатном и нештатном режимах такие маневры ракеты-носителя, при которых достигается движение без соударений с фрагментами стартового комплекса.
     В техническом задании на разработку комплекса автономного управления из условий несущей способности конструкции ракеты-носителя с учетом полезного груза были заданы допустимые величины произведения скоростного напора на угол атаки (скольжения). Обеспечение этих требований при разработке комплекса автономного управления вызвало определенные трудности, особенно при рассмотрении эксплуатационного режима, характеризующегося наличием больших ветровых возмущений, и нештатной ситуации, связанной с возможностью отказа одного из двигателей РД-170. Были разработаны алгоритмы управления, использующие информацию по углам скольжения, получаемую оценкой измеренных значений ускорений в различных сечениях по длине ракеты-носителя. Отработка алгоритмов управления проведена путем цифрового моделирования и моделирования движения ракеты-носителя в замкнутой схеме на аналого-цифровом комплексе и пуске ракеты-носителя "Энергия" в телеметрическом режиме.
     Динамическая схема ракеты-носителя "Энергия" (с полезным грузом) включает в себя большое число осцилляторов, характеризующих колебания жидкости в топливных баках, поперечные упругие колебания конструкции, продольные колебания в тракте "топливоподающие магистрали - двигательная установка - корпус ракеты", упругие колебания в контуре "рулевой привод - двигатель РД-170".
     Стабилизация колебаний осцилляторов такого рода проблематична как в отдельности, так и в совокупности, поскольку они имеют низкочастотный плотный и пересекающийся по времени полета спектр частот.
     Проблема стабилизации упругих колебаний конструкции и колебаний жидкого наполнения баков решена путем разработки системы подавления наиболее активных тонов упругих колебаний, обеспечения фазовых условий стабилизации на основе использования информации с датчиков угловых скоростей, размещенных в различных сечениях по длине ракеты-носителя, создания системы цифровых сглаживающих и режекторных фильтров и активной фильтрации сигналов в тракте измерения угловых скоростей.
     Правильность принятых решений подтверждена моделированием на цифровых вычислительных машинах, аналого-цифровых комплексах и результатами пусков ракеты-носителя "Энергия".
     Несимметричная компоновка ракеты-носителя с полезным грузом, а также отказы отдельных двигателей в процессе полета приводят к значительным смещениям центра масс ракеты относительно точки приложения равнодействующей силы двигательной установки.
     С целью компенсации возникающих возмущений и уменьшения дополнительных нагрузок на конструкцию разработаны алгоритмы управления, обеспечивающие инвариантность к внешним возмущениям. Разработанные алгоритмы, проверенные на цифровых вычислительных машинах, аналого-цифровых комплексах, подтвердили свою эффективность при пусках ракеты-носителя "Энергия" N6СЛ.
     При создании управляющих воздействий на ракете-носителе "Энергия" участвуют 40 исполнительных органов: 32 рулевых привода управляют двигателями РД-170 на блоках первой ступени и 8 рулевых приводов - маршевыми двигателями второй ступени. В случае отказа одного из двигателей первой или второй ступеней нарушается симметрия в схеме распределения сил при формировании управляющих воздействий по каналам тангажа, рыскания и крена. Это приводит к ухудшению условий управляемости и стабилизации ракеты-носителя.
     В целях обеспечения достаточности управляющих усилий при заданных диапазонах отклонений управляющих органов или при условии возможного отказа одного из двигателей решена задача оптимального распределения ресурсов управляющих органов. Принятое решение проверено моделированием на цифровой вычислительной машине и аналого-цифровом комплексе.
     Динамическая схема ракеты-носителя с полезным грузом описывается системой из более 500 дифференциальных уравнений. Коэффициенты уравнений системы с учетом различных эксплуатационных режимов состоят из нескольких десятков тысяч параметров. Все известные аналоги имели порядок системы уравнений не более 50 и только сотни переменных параметров.
     Существующие технологии проектирования на базе отечественной вычислительной техники не могли обеспечить решение поставленной задачи.
     Для успешного решения всего комплекса вопросов, связанных с созданием системы угловой стабилизации ракеты-носителя "Энергия", была разработана новая технология проектирования, в основе которой лежит расчленение единой системы уравнений на ряд подсистем со слабо выраженными функциональными связями, создание единого банка данных, объединение в единую сеть большого числа аналоговых и цифровых вычислительных средств и создание на их базе аналого-цифрового комплекса, разработка пакета примерных программ, создание цифрового моделирующего комплекса, создание комплекса нагрузочных стендов и станций гидропитания рулевых приводов.
     Основная проблема при создании системы наведения ракеты-носителя "Энергия" связана с необходимостью учета в алгоритмах комплекса автономного управления влияния отказа любого из восьми двигателей на траекторию полета и определением программы управления в случае падения суммарной тяги двигательной установки на величину, достигающую 40 % номинального значения.
     Аналогичная задача решается системой управления многоразовой космической системы "Спейс Шаттл" в случае отказа одного из трех маршевых двигателей, приводящего к снижению суммарной тяги двигательной установки на первой ступени всего лишь на 7 % номинального значения. Относительно небольшое снижение суммарной тяги на первой ступени многоразовой космической системы "Спейс Шаттл" позволяет использовать на атмосферном участке выведения методы управления, максимально приближенные к традиционным.
     Значительное снижение уровня суммарной тяги двигательных установок на ракете-носителе "Энергия" в случае отказа двигателя потребовало разработки нового программно-адаптивного метода наведения на атмосферном участке. Этот метод позволяет формировать программу управления как для штатного полета, так и в случае отказа одного из восьми двигателей, и обеспечить выполнение ограничений по углу атаки и величине скоростного напора.
     Для управления движением ракеты-носителя "Энергия" на внеатмосферном участке выведения в условиях возможных нештатных ситуаций, связанных с отказом одного из двигателей, возникла необходимость использовать методы наведения, обеспечивающие выполнение сложных пространственных маневров с целью выведения полезного груза с реально сложившейся тяговооруженностью ракеты-носителя. Задача усложнялась неопределенностью момента отказа двигателя и уровня тяги работающих двигателей. Применение существующих в настоящее время функциональных методов в этом случае практически не представляется возможным из-за необходимости потребных опорных траекторий при всем многообразии возможных отказов в двигательной установке.
     Для управления ракетой-носителем "Энергия" на внеатмосферном участке выведения с выполнением заданных ограничений и краевых условий в штатном полете, а также при отказе одного из двигателей разработан итеративно-адаптивный метод управления, в основу которого положено использование оптимальных законов управления и решение краевой задачи. При этом совокупность краевых условий и ограничений определялась из условий, накладываемых средствами, обеспечивающими спасение экипажа и полезного груза, отделения параблоков, головного обтекателя и расчетной орбитой выведения.
     При отказе одного из двигателей комплекс автономного управления принимает решение о дальнейшем полете с выбором: или продолжение полета с выведением на штатные краевые условия, или возвращение в район старта с посадкой орбитального корабля на посадочный комплекс (маневр возврата), или приведение полезного груза в район отчуждения (маневр приведения).
     Наземная отработка алгоритмов наведения и программного обеспечения комплекса автономного управления, реализующих задачи управления в штатном полете и в нештатных ситуациях, была проведена на исследовательских и комплексных стендах. При этом наряду с традиционной технологией тестирования программы (использование контрольных примеров) была внедрена и широко использовалась технология отработки программного обеспечения системы управления в замкнутой схеме исследовательского стенда.
     Отработка программного обеспечения системы управления в замкнутой схеме исследовательского стенда, так называемый "электронный пуск", проводилась на основе использования штатного модуля программного обеспечения системы управления, модели объекта управления, реализующего в том числе возмущенное движение, и сервисных программ автоматической интегральной оценки основных характеристик (выполнение заданных ограничений, точность попадания отдельных элементов ракеты-носителя в заданные районы отчуждения, точность выведения на орбиту, параметры системы стабилизации). На комплексном стенде проводилась отработка сопряжения программного обеспечения системы управления с реальной аппаратурой. Разработанные алгоритмы наведения обеспечили высокие показатели при пусках ракеты-носителя "Энергия" N6СЛ.
     Научно-техническая проблема создания аппаратуры средств аварийной защиты двигателей состояла в необходимости разработки эффективной системы управления двигателями и их элементами, обладающей адаптивностью к изменениям состава контролируемых параметров аварийности и алгоритмам контроля, необходимым быстродействием, обеспечивающим предотвращение развития аварии, надежностью охвата всех параметров аварийного состояния двигателя и недопущения ложного отключения нормально работающих двигателей.
     Проблема создания комплекса аппаратуры средств аварийной защиты двигателей решена путем разработки датчиковой и преобразующей аппаратуры, применения бортовой цифровой вычислительной машины и разработки комплекса алгоритмического и программного обеспечения, предусматривающего гибкую настройку состава контролиpyeмых параметров аварийности и порогов контроля посредством ввода массива формулярных данных двигателей в составе данных на пуск при предстартовой подготовке ракеты-носителя.
     Проблемы, связанные с созданием системы электропитания блока второй ступени, обусловлены особенностями технических требований к этой системе, основными из которых являются:
     - электропитание бортовой аппаратуры блока второй ступени при всех видах испытаний на всех рабочих местах и в полете;
     - обеспечение необходимого качества электропитания (отсутствие всплесков, провалов, пульсации напряжений) для большого количества разнородных потребителей (цифровой вычислительный комплекс, электронная аппаратура, мощные потребители), питающихся от единого источника ограниченной мощности.
     В результате анализа вариантов возможных технических решений была выбрана турбогенераторная система электроснабжения на основе четырех турбогенераторных источников постоянного тока (модулей), работающих параллельно на общую нагрузку.
     Турбогенераторный источник должен был обеспечивать возможность работы на различных рабочих телах в широком диапазоне изменения температур, давлений и расходов, значительный ресурс работы, высокую удельную мощность (24 кВт при массе 330 кг).
     Созданный турбогенераторный источник постоянного тока работал с приводом воздухом, азотом, водородом и гелием. С целью упрощения конструкции и снижения массы системы газовые тракты модулей для всех видов рабочих тел были совмещены, что позволило также исключить переключение при переходе с одного рабочего тела на другое. Радиально-кольцевая структура распределения электроэнергии от единой системы электроснабжения управлялась бортовой цифровой вычислительной машиной.
     Для решения проблемы создания системы сбора, обработки и выдачи контрольной информации созданы аппаратные средства сбора и преобразования контрольной информации, формирования потоков цифровой информации, передаваемых в виде последовательных кодов параллельно в систему измерений и в информационно-распределительную систему.
     Проведенные научно-исследовательские работы в рамках эскизного, технического проекта и на этапе выпуска рабочей документации позволили создать комплекс автономного управления ракеты-носителя на базе многомашинного вычислительного комплекса, обеспечивающего необходимое взаимодействие системы управления блока второй ступени, блоков первой ступени и наземной аппаратуры при проведении электрических проверок, решении задач предстартовой подготовки и задач управления в полете.
     На базе всесторонней автоматизации процессов проектирования, использования совершенных методов проектирования, проведения теоретических и экспериментальных исследований было создано высоконадежное программное обеспечение бортового и наземного цифровых вычислительных комплексов. Были решены проблемы создания:
     - системы угловой стабилизации и управления движением центра масс, обеспечивающей устойчивое движение ракеты-носителя "Энергия" со сложной динамической схемой;
     - комплекса аппаратуры средств аварийной защиты двигателей, обеспечивающей выполнение программы стендовой отработки маршевого двигателя первой ступени и маршевого двигателя второй ступени, а также стендовых испытаний блоков первой и блока второй ступеней;
     - системы электропитания блока второй ступени, обеспечивающей электропитание бортовой аппаратуры блока при всех видах испытаний;
     - системы сбора, обработки и выдачи контрольной информации для контроля при проведении автономных и комплексных испытаний и подготовке к пуску;
     - экспериментальной базы, включающей исследовательские стенды, аналого-цифровой комплекс, комплексные стенды и нагрузочные стенды рулевых приводов;
     - технологии подготовки данных на пуск, позволяющей учитывать в алгоритмах комплекса автономного управления большое количество параметров ракеты-носителя, комплекса автономного управления, бортовых и наземных систем и агрегатов.

Далее...