Управление подготовкой "Энергии"

     Наземные стартовые комплексы ракеты-носителя "Энергия" представляют собой ряд сооружений, рассредоточенных на большой площади, что обусловлено требованиями их взаимной безопасности на случай возможных нештатных ситуаций как внутри самих сооружений, так и вне их, при аварии ракеты на старте.
     В состав стартового комплекса входят три стартовых сооружения: два штатных старта, построенных на базе ранее используемых стартовых конструкций для пусков ракеты-носителя Н-1, и вновь построенный стенд-старт.
     Хранилища компонентов топлива - жидких водорода и кислорода - представляют собой шаровые емкости с экранно-вакуумной изоляцией. Учитывая особую их взрывоопасность, емкости вынесли на значительное расстояние от стартового устройства, где стоит ракета. Менее же опасные компоненты и сжатые газы расположены относительно близко к пусковому устройству. Обслуживание ведется с мобильной башни, которая "накатывается" на ракету-носитель, а ее специальные площадки обеспечивают доступ практически к любому узлу, в том числе и к полезной нагрузке. Перед началом процесса заправки ракеты-носителя эту башню отводят на безопасное расстояние.
     Все пневмо-гидравлические и электрические связи наземного оборудования с ракетой-носителем осуществляются через ее торец и боковую поверхность посредством заправочно-дренажной мачты, имеющей подвижные площадки, по которым проложены коммуникации для заправки, дренажа, а также электрические кабели связи "Земля-борт". Мачта - это башня силовой ферменной конструкции высотой с двадцатиэтажный дом. В соответствии с технологическим графиком эти площадки поочередно отводятся, а последняя, где расположена магистраль дренажа водорода, - после запуска двигателей и начала движения ракеты. Ее масса более 20 т, а требуемое время на отвод - несколько секунд.
     Пусковое устройство, на котором стоит ракета-носитель и с которого она стартует, представляет собой железобетонную конструкцию с расположенными в ней механизмами удержания ракеты-носителя и устройствами подвода к ней пневмо-гадравлических и электросвязей. Под ним находится заглубленный лоток для отвода газа двигательных установок при запуске ракеты-носителя. На время подготовительных работ на старте часть газоотводного канала закрывается специальным выдвижным полом, обеспечивающим безопасность обслуживающего персонала и доступ к торцу ракеты-носителя. На универсальном стенде-старте лоток односкатный, на стартовом комплексе - три газоотхода.
     За несколько секунд до запуска двигателей по трубопроводам через проемы в пусковой установке подаются потоки воды в зону факела работающих двигателей, чтобы уменьшить акустические нагрузки на ракету. Подача воды на стенде-старте осуществляется непрерывно в процессе запуска и начала полета ракеты из общей емкости с запасом воды 5 тыс. м³. На штатном старте установлены две емкости с тысячью кубометров воды, которая в момент запуска вытесняется аккумулятором давления в зону факела в несколько каскадов работы.
     Автоматическая система подготовки к пуску координирует работу всех наземных и бортовых систем. Несколько сот датчиков бортовой системы централизованного контроля параметров сверяют температуру и давление в различных точках конструкции ракеты, в отсеках и баках и через наземную аппаратуру поддерживают эти параметры в заданных пределах.
     До начала заправки ракеты компонентами жидкого топлива включается в работу система пожаро-взрывопредупреждения. Она, несмотря на многочисленные конструктивные решения, позволяющие исключить возможность утечки компонентов топлива, призвана срабатывать в так называемых нештатных ситуациях и обеспечить безопасность от возможного образования в отсеках носителя взрывоопасных смесей. В составе системы имеется несколько десятков высокочувствительных и точных газоанализаторов паров водорода, кислорода, керосина и пожарных извещателей, реагирующих на пламя водорода. Получаемая от них информация обрабатывается и анализируется специализированным цифровым вычислительным комплексом. А появление пожаро-взрывоопасной ситуации подавляется бортовой и наземной аппаратурой системы пожаропредупреждения, которая подает в необходимые отсеки газообразный азот, а при необходимости - и высокоэффективное гасящее вещество.
     Перед заправкой баков ракеты топливом начинает работу система контроля заправки. Специфические особенности компонентов топлива, такие, как, например, сверхнизкие температуры, малый удельный вес, а также высокие требования по точности измерений (они должны выполняться с погрешностью всего в 10 мм при высоте баков до 30 м), потребовали создания для "Энергии" уникальной по своим техническим характеристикам и возможностям системы контроля. Для этого в каждом из баков установлены емкостные дискретные и непрерывные датчики, позволяющие измерять уровень топлива по всей высоте бака. Их показания через наземную аппаратуру поступают в автоматическую систему подготовки пуска ракеты и используются затем для управления процессом заправки, в том числе и синхронизации заполнения. Все это позволяет избежать нерасчетной нагрузки на конструкцию ракеты.
     После окончания заправки упомянутые системы совместно с наземными обеспечивают вплоть до старта регулирование среднебаковой температуры с точностью до одного градуса и уровня переохлажденных компонентов топлива. Нужно сказать, что в процессе всех предпусковых операций параметры ракеты и наземных систем регулируются и при необходимости отображаются на пультах операторов.

Циклограмма работы системы управления ракеты-носителя

     С завершением заправки ракеты топливом в действие вступают бортовой и наземный комплексы автономного управления. Такой комплекс способен обеспечить полностью автоматический режим предпусковые проверок всей бортовой аппаратуры ракеты, выполнить предпусковые операции, осуществить запуск двигателей и управление системами и ракетой при автономном полете. Перед пуском ракеты в память вычислительной машины бортовой системы управления вносятся оперативные данные полетного задания, которые уточняют ранее размещенный массив информации на пуск. Например, фактическую температуру топлива, последние данные по метеоусловиям. После этого начинается непрерывный автоматический режим работы ракеты. По заданной циклограмме включаются различные системы, контролируется выполнение команд комплекса автономного управления.
     При обнаружении неисправности (контролируются несколько сот операций) в систему подготовки пуска выдается команда автоматического прекращения подготовки. Выполнение дальнейших операций отменяется и комплекс автономного управления приходит в исходное состояние. Однако в зависимости от момента выдачи команды прекращения подготовки возможно принятие решения и о повторении предпусковых операций, но уже со сдвигом момента пуска по времени. Если же команда сформирована после так называемых "необратимых" операций (отстрела от ракеты наземных электро-пневмокоммуникаций, выдачи команды на запуск двигателей, и других), то уже необходимы восстановительные работы. А чтобы обеспечить безопасность их проведения, приходится выполнять и слив топлива из баков.
     В процессе предпусковых операций на борту ракеты включаются бортовые источники электропитания. Вместе с ними свой контроль начинает система аварийной защиты двигателей. С помощью специальной оптико-электронной системы прицеливания приводятся в стартовое положение гироскопы. Перед запуском двигателей второй ступени включается система дожига выбросов не прореагировавшего водорода. Система пожаро-взрывопредупреждения продолжает контроль состояния газовой среды в отсеках пусковой установки и возможного возгорания паров водорода после пуска ракеты, и если возникнет необходимость, способна подать в соответствующий отсек газообразный азот.
     За безопасностью работы двигателей первой и второй ступеней следит система аварийной защиты. В ее составе - датчики температуры, давления, оборотов турбонасосного агрегата и других критичных параметров двигателей, а также усилительно-преобразующая аппаратура и цифровой вычислительный комплекс, обрабатывающий информацию от датчиков всех восьми двигателей. При отклонении параметров какого-либо двигателя за установленные пределы выдается команда на выключение аварийного двигателя и тем самым исключается возможность его разрушения.
     В отличие от традиционных схем бортовых систем автономного управления в полете система управляет еще и всем бортовым комплексом. Она распределяет между всеми потребителями электроэнергию, получаемую на первой ступени от батарей, а на второй - от турбогенераторного источника тока, руководит расходованием топлива и регулирует работу всех двигателей, управляет автоматикой отделения ступеней ракеты и полезного груза, включает и переключает режимы и выключает все смежные системы.
     Высокая степень автоматизации, применение самых современных математических методов формализации технологических процессов подготовки и пуска - основные особенности наземного комплекса ракеты-носителя "Энергия".
     Система автоматизированного управления стартовым комплексом построена по иерархическому принципу и имеет три уровня с общим объемом выдаваемых команд и принимаемых сигналов более ста тысяч. Первый уровень связан непосредственно с ракетой и выступает в роли “дирижера” по отношению к системам второго, а в некоторых случаях и третьего уровня. Ни один процесс в системах нижнего уровня не может начинаться без команды или разрешения высшего уровня, и только он может выдавать команды на исполнительные органы ракеты до момента запуска двигателей.
     Отказ от традиционного программирования и переход к декларативному представлению знаний о технологическом процессе подготовки пуска позволил исключить программиста как посредника между управляющей вычислительной машиной и постановщиком задачи - инженером-технологом. Информация в виде графомодели вводится в электронно-вычислительную машину непосредственно.
     Поскольку правила функционирования всех моделей едины, то, используя управляющие вычислительные машины, удалось создать универсальный автомат, который по показаниям текущего состояния датчиков, исполнительных органов ракеты-носителя и команд систем второго уровня обеспечивает автоматизированное управление подготовки ракеты-носителя к пуску.
     Реализация этого подхода резко увеличила надежность управления и обеспечила возможность оперативного внесения изменений в него. Производительность этапов нового процесса по сравнению с традиционными, принятыми для вычислительных машин, повысилась в 10-100 раз.
     Закон управления предстартовой подготовкой учитывает и многие нештатные ситуации, причем он не только их регистрирует, но и подсказывает как выйти из них. По крайней мере более пятисот нештатных ситуаций превратились в штатно заложенные в программу их парирования.
     Операторы верхнего уровня управления находятся за пультами с тремя цветными дисплеями и выдают, если были задержки по отдельным операциям в системах второго и третьего уровней, не более 3-5 команд для перехода к очередному процессу. Все остальное время они контролируют ход технологического процесса по информации на дисплеях.
     В технологическом графике предстартовой подготовки предусматривается определенное резервное время на устранение возможных неисправностей. Такое резервное время было заложено и в график пуска "Энергии". Случилось так, что его были вынуждены использовать в мае 1987 г.
     В процессе захолаживания бака газообразным водородом один из исполнительных органов "завис" в промежуточном состоянии и перестал реагировать на команды управления. В этот момент и понадобилась заложенная в автоматизированную систему управления гибкость. Не прерывая всех остальных процессов по девяти оставшимся бакам и других параллельных операций, выделили участок технологического процесса, связанный с "зависшим" исполнительным органом. По специальной программе, составленной техническим руководством, провели диагностический тест по определению истинного состояния этого исполнительного органа, а затем определенными командами он был переведен в нужное положение. Во время подачи в бак жидкого водорода - еще несколько дополнительных команд, и он четко на них отреагировал. Так же четко работал и далее.
     Следующей важной проблемой, которую надо было решить, особенно для первых пусков, явилось получение в реальном масштабе времени информации о параметрах пневмогидравлической и других схем ракеты. Для этого использовались три системы второго уровня. Первая основана на принципе дистанционного измерения, что позволило технологам-разработчикам непрерывно следить за ходом изменения параметров в процессе подготовки с документированием наиболее важных участков. В двух других системах заложен принцип телеизмерений с документированием процесса подготовки и последующей обработкой информации в реальном масштабе времени для вывода ее на дисплеи.
     Особый класс составляют системы управления, измерения и контроля хранилища компонентов топлива и газов. Они обеспечивают их хранение, а в процессе заправки управляют подачей на вход ракеты-носителя. От автоматизированной системы управления стартовым комплексом они отличаются тем, что функции управления и контроля в них объединены в одной системе на базе специально разработанного микропроцессора. Алгоритм их работы программируется традиционными для вычислительных машин методами, а затем эти программы заносятся в постоянные запоминающие устройства непосредственно на космодроме, что создает основу для оперативного внесения необходимых изменений, возникающих в процессе предстартовой подготовки.
     Большую помощь в информационном обеспечении руководителей подготовки пуска оказала система технологического телевидения. Она обеспечивает дистанционный визуальный осмотр практически любого внешнего узла ракеты и элементов наземного оборудования.
     Такая же система осуществляла визуальный контроль за отводом наземного оборудования от ракеты непосредственно перед пуском и в момент его, а также контролировала запуск двигательных установок и начальный участок полета "Энергии" и "Бурана".

Далее...