ИСТОРИЯ ПЕРВОЙ "МЯГКОЙ" ПОСАДКИ НА ЛУНУ
Н.П. Береснев

  • Исполнилось 35 лет посадки на Луну автоматической лунной станции "Луна-9". Впервые в истории Земли устройство, созданное руками человека, опустилось на другое небесное тело для его исследования.
  • История создания аппарата для посадки на Луну - это история поисков, находок, неудач и успеха. При разработке и испытаниях аппарата возникло много проблем, которые практически все, приходилось решать впервые. Поэтому были неизбежны промахи и ошибки, на которых разработчики сами учились и учили летать космический аппарат.
  • Итак, фрагментарная история создания космического аппарата (КА) для посадки на Луну.
  • Начало работ необходимо отнести к концу 1959 г. Успешные полеты первых "лунников" воодушевили и раскрепостили мысль, а начавшаяся на базе ракеты Р-7 разработка четырехступенчатого носителя со стартом четвертой ступени с орбиты искусственного спутника Земли представляла технические возможности начать поиски решения задачи посадки на Луну. Эта тема получила шифр Е6.
  • Возможный срок создания аппарата был оценен примерно в 2-3 года. Никто не предвидел те трудности, которые ждали разработчиков на пути к успеху, как оказалось, длинною в 5 лет.
  • Первые баллистические расчеты выявили, что энергетически наиболее выгодна траектория со временем полета до Луны 3-4 суток. Такая траектория характеризуется наименьшими затратами топлива на ее исправление и гашение скорости у Луны.
  • Оценки по необходимому запасу топлива на борту КА и оценки по массам конструкции, двигателей и бортовых систем показали, что при разработке КА потребуются всевозможные меры по минимизации масс всех ее составляющих. Этот процесс минимизации масс неумолимо давил в течение всей разработки.
  • В 1960 г. начались широкие поиски разработчиков бортовых систем. Наиболее сложной и во многом определяющей облик всего КА являлась схема гашения скорости у Луны и схема самой мягкой посадки на поверхность.
  • Известная по литературе схема посадки - с ориентацией КА по вектору скорости и гашением скорости по высоте по радиолокационным измерениям непосредственно от поверхности - не нашла поддержки у радистов по причинам отсутствия задела, незнания характеристик лунной поверхности и малых сроков разработки и изготовления.
  • Начались поиски более простого решения. В конце концов, после многих совещаний, консультаций и расчетов была выбрана следующая схема:
  • - выставка двигателя на торможение по данным прогнозирования траектории;
  • - запуск двигателя по команде радиовысотомера;
  • - гашение скорости вблизи Луны по кажущейся скорости, то есть по заданной зависимости скорости от пути торможения;
  • - выключение двигателя по интегратору после гашения заданной скорости, и дальнейший спуск КА ориентированно, с небольшим подтормаживанием на двигателях малой тяги.
  • Выбранная схема посадки могла уже реализовываться с использованием гироприборов, применяемых в системах управления ракет. Но существующие ракетные системы не обеспечивали необходимые точности и имели большие массы. Стало очевидно - нужна разработка новой гироскопической системы управления.
  • В дальнейшем уточненные расчеты показали, что точности определения вектора скорости вблизи Луны по результатам траекторных измерений недостаточны. При больших отклонениях траектории от расчетной это могло привести к значительной непогашенной боковой скорости при прилунении. Поэтому начались новые поиски решения этой задачи. В результате исследований было обнаружено интересное свойство пучка параболических траекторий, а именно: если построить вертикаль к Луне на некотором расстоянии от нее, то эта вертикаль будет с большой точностью совпадать с вектором скорости у поверхности Луны для всего пучка траекторий, лежащих в "трубке" реальных отклонений. Этот метод ориентации по вектору скорости получил название "метод лунной вертикали".
  • Принятая схема гашения скорости у Луны предопределила и сам процесс посадки. Стало ясно, что решить вопрос об амортизации всего КА и надежном предотвращении его от переворачивания после прилунения при остаточной скорости после торможения малыми затратами масс не удастся. В связи с этим было принято решение аппаратуру и оборудование, предназначенные для работы на Луне, разместить в отдельном контейнере, который в дальнейшем получил наименование АЛС - автоматическая лунная станция - и амортизационными устройствами снабдить только его. Таким решением достигалась и вторая задача - экономия массы амортизационных устройств.
  • В результате проведенных расчетов были определены скорости встречи АЛС с Луной: вертикальная - 0-20 м/с, боковая - 1-2 м/с.
  • Начались поиски конструкции амортизационных устройств. Для их выбора необходимо было знание характеристик лунного грунта. Ни изучение литературы, ни консультации с учеными не прояснили вопроса о строении лунной поверхности. Разработчикам пришлось рассчитывать амортизационные устройства на широкий диапазон характеристик; от слоя пыли до скальных пород.
  • Были рассмотрены различные варианты конструкции. Исходя из неопределенных условий прилунения и значительных предельных скоростей встречи с поверхностью, наиболее предпочтительным оказался вариант амортизирующего устройства в виде двух надувных соединенных между собой полусфер, выполненных из прочной капроновой ткани, внутри которых помещалась автоматическая станция.
  • Такой амортизатор обеспечивал:
  • - большую площадь контакта с поверхностью, что очень важно в случае наличия пыли;
  • - поглощение значительной энергии при посадке на скальный грунт;
  • - надежную защиту АЛС при неориентированной посадке. Одновременно с выбором схемы посадки (торможение КА у Луны и амортизация АЛС) проводились работы по всему кругу проблем.
  • Остро встал вопрос об измерении параметров траектории. Имевшаяся в заделе радиосистема метрового диапазона длин волн (НИИ-885, руководитель М.С. Рязанский), отвечавшая нашим требованиям по массам и энергопотреблению, не обеспечивала нужных точностей измерения параметров траектории. Тогда сотрудниками Отделения прикладной математики (руководитель М.В. Келдыш) и филиала НИИ-1 (руководитель И.М. Лисович) была предложена принципиально новая для того времени оптическая система астронавигации.
  • Предварительными расчетами было показано, что измерение углов Солнце-Земля, Солнце-Луна и Земля-Луна с точностью до одной угловой минуты и с использованием данных радиоизмерений обеспечивается потребная точность прогнозирования траектории.
  • Рассмотрению вопросов коррекции траектории привело к тому, что оказалось вполне допустимо ее проводить примерно на полпути к Луне и выдавать корректирующий импульс с ориентацией оси двигателя в плоскости, перпендикулярной направлению на Луну. Такая схема позволяла для ориентации КА использовать те же оптические датчики, что и для замера углов между Луной и Солнцем, и удовлетворяла по расходам топлива и точностям выдачи корректирующего импульса.
  • Из анализа полетных операций и предварительных соображений о работе бортовых систем вырисовывалась следующая структура управления КА: по радиокомандам с Земли, по командам от временных устройств и по командам от функционально-логических устройств бортовых систем.
  • Таким образом, в первой половине 1960 г. основные принципиальные вопросы были утрясены, и начался этап более детальной проработки бортовых систем и проектирование самого КА.
  • Необходимо было в первую очередь определить круг научных исследований при первой посадке. Предварительные оценки по массам показали, что отводимая для научных приборов масса не будет большой. Ни у кого не вызывало сомнения, что на борту АЛС должна быть телевизионная камера. Совещание у М.В. Келдыша наметило перспективную программу научных исследований, в том числе: сейсмические, магнитные, радиационные, масс-спектрометрические и другие. Научные институты приступили к проектированию приборов.
  • В ОКБ-1 (руководитель - С.П. Королев) перед разработчиками космического аппарата со всей остротой стояла проблема масс. Массы, выводимой РН, явно не хватало. Нужны были новые идеи. И совместными усилиями разработчиков всех смежных предприятий были найдены, а затем и приняты решения по ликвидации дефицита масс.
  • Это были трудные решения, так как часть из них базировалась на неопробованных идеях, а часть явно понижала надежность выполнения программы.
  • Так, для получения дополнительной массы (порядка 100 кг) гироскопическую систему КА решено было использовать для управления третьей и четвертой ступенями РН. В дополнение к этому все приборы системы выполнялись без корпусов, и их монтаж должен был осуществляться на единой раме без применения в межблочной кабельной сети электроразъемов.
  • Разработчиками ОКБ-2 (руководитель - A.M. Исаев) была предложена и в дальнейшей успешно реализована двигательная установка двухкратного запуска в невесомости с насосной системой подачи топлива, в которой впервые была применена капиллярная сетка для защиты топливозаборников от попадания газов. Это позволяло иметь низкое давление в топливных баках, а значит и получить их малую массу. Масса двигательной установки с топливом составила почти 2/3 от массы всего КА, и ее баки естественным образом явились основой силовой конструкции всего аппарата.
  • Для уменьшения затрат топлива на гашение скорости у Луны все приборы и агрегаты, которые обеспечивали полет до включения двигателя на торможение, было решено разместить в двух боковых отсеках, сбрасываемых по команде включения двигателя вблизи Луны.
  • Аппаратура, работавшая только при торможении, была размещена в отдельном гермоотсеке системы управления, а в самой автоматической станции, отделяемой после выключения двигателя, установлена аппаратура для работы на Луне. Этим достигался минимум масс конструкции и амортизаторов АЛС.
  • Все эти компоновочные решения давали возможность увеличить массу АЛС, но они также привели к усложнению конструкции КА.
  • С целью получения наиболее легкой конструкции отделяемых гермоотсеков и корпусов химических батарей, которые из-за габаритных ограничений не могли быть выполнены в виде оболочек вращения, на них устанавливались специальные клапаны, поддерживающие давление 100-120 мм рт.ст.
  • Разнесение аппаратуры по четырем отсекам вызывало сложности по поддержанию ее теплового режима. "Тепловиками" было принято отчаянное решение: обеспечивать температуру приборов, кроме приборов АЛС, без активного регулирования притока и выброса тепла, за счет придания поверхностям отсеков определенных оптических коэффициентов и закрутки КА для его равномерного освещения Солнцем. На самой станции для обеспечения ее работы на Луне в течение 3-4 суток, предусматривалась установка водяной испарительной системы.
  • Для экономии масс на КА роль приемопередающих антенн выполняли конструктивные элементы АЛС - защитные "лепестки" телекамеры - и только после посадки раскрывались, четыре рулеточных антенны.
  • Для гашения остаточной вертикальной составляющей скорости АЛС отстреливался от КА. Это требовало разработки специального устройства в виде порохового двигателя или довольно мощного толкателя со значительной массой. Чтобы этого не делать, было решено отделение АЛС проводить с помощью амортизационных устройств, проводя их наддув в обжатом состоянии.
  • К концу 1960 г. был окончательно согласован состав бортовых систем и проведена компоновка КА. Начался этап обмена техническими заданиями и подготовки исходных данных. В начале 1961 г. С.П. Королев утвердил "Исходные данные для разработки конструкторской документации".
  • К работам подключились конструктора и разработчики электрических схем. И опять поиски - как сделать конструкцию более легкой. Везде, где было выгодно, применялись магниевые и титановые сплавы. Пошли даже на замену металлических корпусов электроразъемов на пластмассовые. В общем, борьба шла за каждый грамм.
  • Одновременно с разработкой документации для заводов проектные подразделения разрабатывали эскизный проект и межведомственный план-график разработки, изготовления и поставки комплектующих КА.
  • В мае 1961 г. вышло постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР. С этого времени работы по теме Е6 приобретали государственное значение.
  • Полет Ю.А. Гагарина и подписание Постановления дали новый импульс к активизации работ. Было обычным добровольно задерживаться на работе по 2-3 часа и не требовать за это дополнительной платы.
  • Разработка конструкции и приборов бортовых систем шла трудно. То и дело превышались лимиты масс, требовалась переработка и поиск новых решений. Так, для уменьшения массы приборов АЛС было принято решение разрабатывать их без корпусов - на пенопластовых платах и без разъемов электросвязей. Весь блок приборов монтировался в листовую тарельчатого типа конструкцию и зажимался в ней крышкой.
  • Так прошел 1961 год. Эскизный проект был выпущен, рабочая документация пошла на заводы, и уже начали появляться первые комплектующие. К середине 1962 г. были изготовлены первые экспериментальные образцы составных частей КА. Началась наземная отработка агрегатов и отсеков. Какая же это была трудная и самоотверженная работа испытателей!
  • Экспериментальной базы для проведения наземной отработки практически не было. Многие испытания проводились с использованием подручных средств и в малоподготовленном помещении.
  • Особенно трудно проходила отработка амортизационных устройств в их функции, как средства отделения АЛС. Амортизационные устройства надувались в заранее зажатом состоянии. То и дело рвалась ткань и нарушалась их герметичность. Загорский НИРП (руководитель - А.С Миловидов) не успевал проводить их доработки.
  • А как проводилась отработка встречи с поверхностью Луны! Нужно было обеспечить встречу ЛС с преградой при максимальной скорости порядка 20 м/с. Долго думали, как это сделать, и в конце концов решили АЛС поднимать строительным краном (благо, рядом шло строительство), а нужную скорость обеспечивать натяжением резиновых шнуров. И площадка у крана была подходящей - битый кирпич довольно хорошо имитировал грунт Луны в скальном варианте.
  • Отделение боковых отсеков тоже принесло массу хлопот. Нужно было сымитировать их отделение в условиях нарастающей перегрузки от работающего двигателя. Опять выручили резиновые шнуры. Их натяжение подбирали так, чтобы средние условия отделения были близки к реальным. Отработка отделения боковых отсеков при отрицательных температурах на механизмах и конструкциях опять потребовала изобретательности. Из сосуда с жидким азотом обдувались механизмы, и после их захолаживания подрывались пиропатроны.
  • Для выдачи команды на отделение АЛС предполагалось использовать световой высотомер, и его чистовые испытания решили провести в условиях работы двигателей малой тяги. К огорчению разработчиков, высотомер стартовал от струй двигателей, его пришлось заменить на механический контактный датчик.
  • В 1962 г. наземная отработка агрегатов и отсеков была закончена. Разработчикам и испытателям предстояло встретить новый 1963 год на полигоне, так как астрономическая дата пуска пришлась на 4 января.
  • Подготовка КА к запуску проходила трудно. Наземное испытательное оборудование отрабатывалось в процессе проведения испытаний. К тому же, при испытаниях гиросистемы выявилось много замечаний. Выведения КА к Луне не произошло - четвертая ступень не стартовала с орбиты искусственного спутника Земли.
  • При пуске 2 апреля 1963 г. КА вышел на траекторию полета к Луне под именем "Луна-4", но при проведении коррекции произошел отказ. Анализ телеметрической информации не позволил однозначно установить причину аварии в системе аэронавигации.
  • Обработка результатов этого полета и дополнительные лабораторные исследования показали, что система аэронавигации не обеспечивает заявленных точностей замера угловых координат между небесными светилами. Было решено ввести в состав КА радиосистему "Маяк" дециметрового диапазона длин волн для точного измерения параметров траектории. Эта доработка и ликвидация других замечаний, выявленных в процессе двух первых пусков, отодвигала очередной запуск примерно на год.
  • Два запуска, проведенные в 1964 г. (21 марта и 20 апреля) опять были неудачными из-за аварии на третьей и четвертой ступенях РН. Потребовались доработки РН и машинного высокоточного преобразования тока в системе питания системы управления. Одновременная отработка РН и комплекса сложных бортовых систем космического аппарата для посадки на Луну была трагическим совпадением. Потребовалось еще два аварийных пуска 12 марта и 10 апреля 1965 г., чтобы ракета надежно залетала.
  • В первой половине 1965 г. по предложению С.П. Королева было принято решение о передаче космического аппарата для посадки на Луну на завод им. С.А. Лавочкина. В ОКБ-1 были подготовлены "Исходные данные" для доработки КА в части повышения его надежности. Начиная с мая 1965 г. изготавливать КА должен был уже этот завод. Предполагалось, что до удачной посадки подготовка и проведение летных испытаний будут совместными.
  • При запусках 9 мая и 8 июня 1965 г. аварии произошли в сеансе проведения коррекции. В первом случае коррекция траектории прошла с большими ошибками из-за непрогрева гироприборов, а во втором - не прошло включение двигателя из-за досадной оплошности - не вовремя поданной с Земли команды. Эти два КА получили официальное название "Луна-5" и "Луна-6".
  • После этих двух неудач стали раздаваться голоса о нецелесообразности продолжения программы Е6. Только авторитет С.П. Королева, его настойчивость, инженерное чутье и вера в правильность выбранных решений спасли программу от закрытия.
  • При запусках 4 октября ("Луна-7") и 3 декабря ("Луна-8") 1965 г. аварии произошли на последнем участке полета. В случае с "Луной-7" была нарушена ориентация в сеансе перед торможением. "Луна-8" потеряла ориентацию перед самым включением двигателя на торможение, в момент наддува амортизаторов. Причина - нарушение герметичности амортизаторов из-за поломки конструкции "лепестков" АЛС, что привело к возникновению больших возмущающих моментов.
  • Увеличение выводимой массы РН начиная с 1966 г. позволило перенести систему наддува амортизаторов с отделяемого отсека на отсек системы управления, а команду на наддув выдавать в момент включения двигателя на торможение с появлением больших управляющих моментов.
  • Правильность этой доработки подтвердил успешный полет КА "Луна-9", подготовка которого к старту была проведена в январе 1966 г. двумя предприятиями - ОКБ-1 и ОКБ им, С.А. Лавочкина, но уже без С. П. Королева. На посту технического руководителя его заменил Б.Е. Черток - заместитель главного конструктора ОКБ-1.
  • Старт космического аппарата "Луна-9" был осуществлен с полигона Байконур 31 января 1966 г. В 15 ч. 53 мин. 21 с. КА отделился от последней ступени РН и начал свой полет к Луне. 1 февраля в сеансе коррекции была исправлена траектория. 3 февраля было осуществлено торможение, и в 21 ч. 45 мин. 30 с. автоматическая лунная станция отделилась от двигательной установки.
  • В сеансах связи работа радиопередатчика сопровождалась звуковым сигналом в зале управления симферопольского пункта дальней космической связи. По программе предусматривалось выключение передатчика в момент отделения АЛС. С исчезновением звукового сигнала в зале установилась настороженная тишина. Все, затаив дыхание, ждали вновь включения передатчика, ждали долгих 4 минуты. И вот снова сигнал - передатчик заработал! Автоматическая лунная станция на Луне! Идет уверенный прием телеметрической информации, все системы и параметры в норме. АЛС принимает и выполняет команды с поверхности Луны.

    ОТ "ЛУНОХОДА" ДО "МАРСОХОДА"
    А.Л. Кемурджиан

  • Идея создания "Лунохода" родилась там же, где и первый спутник и принадлежит она Сергею Павловичу Королеву.
  • В июле 1963 г. во ВНИИТРАНСМАШ приехал представитель ОКБ-1. Нам было сделано предложение от имени С.П. Королева разработать, изготовить и поставить "Луноход". Работы эти были нам совсем не свойственны, мы занимались тяжелыми наземными гусеничными машинами.
  • В мае 1964 г. во ВНИИТРАНСМАШ приехал С.П. Королев. Он ознакомился с выполненными нами к тому времени проектными разработками и экспериментальными исследованиями и принял окончательное решение - луноход делать, и поручить эту работу нашему институту.
  • Уже в июле был выпущен отчет "Определение возможности и выбор направления в создании самоходного шасси аппарата Л-2", который действительно определил пути дальнейшего развития этих работ. На основе экспериментальных, конструкторских и аналитических работ была изложена инженерная концепция, "Лунохода", его предполагаемый технический облик, основные проблемы, связанные с созданием подобного аппарата.
  • В мае 1965 г. был выпущен второй отчет - эскизный проект самоходного шасси, а в конце года весь комплекс работ по осуществлению миссии и создания самого "Лунохода" С.П. Королев передал в ОКБ им. Лавочкина (Главный конструктор Г.Н. Бабакин), где работа развернулась со всей полнотой, необходимой для реализации этого грандиозного замысла. Решающую роль в дальнейшей судьбе проекта сыграл большой опыт самолето- и ракетостроения, который там имелся, личные качества и высокий профессионализм Г.Н. Бабакина и его талантливых коллег.
  • ВНИИТРАНСМАШ сосредоточил свои усилим на создании самоходного шасси с блоком управления движением и системой безопасности движения с комплектом информационных датчиков.
  • Хотя многое о Луне было известно, но для движения по ней знаний было недостаточно. Определилась группа проблем. Мы приступили к их решению, практически не имея опыта в космической технике. Осознавая проблемы, мы, как можно теперь оценить, закладывали фундамент, создавали методологическую и материальную экспериментальную базу для последующих разнообразных направлений космической техники.
  • Одной из задач была проблема грунта. Противоречия в представлениях о поверхностном слое грунта Луны были большие. Нам надо было знать количественную характеристику несущей способности грунта. Первое "ощупывание" поверхностного слоя грунта дали приборы, установленные на КА "Луна-13" ("Грунтомер" и "Плотномер").
  • Прибор "Грунтомер", разработанный в нашем институте совместно с ОКБ им. Лавочкина, был оригинален тем, что внедрение конусного штампа в грунт осуществлялось без внешней опоры усилия, а с помощью миниатюрного твердотопливного ракетного двигателя. Было определено, что в месте посадки АЛС "Луна-13" на поверхности предположительно залегает слой зернистого материала с плотностью около 0,8 г/см3. Это направление (исследование физико-механических свойств инопланетного грунта) развивалось у нас впоследствии и сохранилось поныне. Нами было создано семейство приборов для исследования физико-механических свойств грунта Луны, Венеры, Марса и Фобоса.
  • Была еще одна задача - это проблема окружающей атмосферы. Влияние вакуума в нашем случае сказывалось особенно сильно, так как спроектированные нами редукторные узлы и подвеска имели высокие контактные напряжения в зубьях шестерен и высокие нагрузки в подшипниках скольжения.
  • Для проверки найденных технических решений нами был разработан экспериментальный редукторный узел, который был установлен на космических аппаратах "Луна-10" и "Луна-11" (1966 г.). Мы получили сведения с орбиты Луны о работоспособности редуктора (КПД, температура). Оригинальность этого прибора заключалось в том, что нагружение шестерен происходило внутренней циркулирующей мощностью без потребления мощности от внешнего источника для ее создания. Энергия от бортового источника требовалась только для компенсации потерь трения, т.е. около 2% от рабочей мощности. Подобная схема, кстати, успешно может использоваться не только для "космических" экспериментов.
  • Необходимо остановиться еще на одной проблеме - гравитации. Пожалуй, даже не на всей проблеме, а на той ее части, которая связана с наземными испытаниями создаваемых объектов космической техники. Разработанная методика позволила создать несколько вариантов стендов применительно к различным условиям эксплуатации и к конструктивным особенностям испытываемых изделий.
  • Очень сложной технической задачей является имитация сверхнизкой гравитации. Для испытаний аппарата ПРОП-Ф ("HOPPER"), разработанного нами для передвижения по поверхности Фобоса, у нас были созданы установки, имитирующие 1/2000 земного веса.
  • В феврале 1969 г. состоялся первый пуск космического корабля с Луноходом; однако он был неудачный. Из-за неполадок в управлении ракетой она была взорвана вскоре после старта на глазах у публики. Интересно отметить, что был организован поиск и найдены среди разбросанных обломков отдельные узлы "Лунохода". Такие узлы и детали, как блок автоматики шасси, мотор-колеса, торсионы, балансиры выдержали падение и были использованы в дальнейшем при создании различных ходовых макетов. Следующий благополучный пуск состоялся 10 ноября 1970 г.
  • Итак, "Луноход" состоялся. "Луноход-1", выполняя программу, просуществовал 10 месяцев, обследовав площадь около 80000 м2, сфотографировал около 500000 м2 поверхности, передал 2000 телевизионных снимков и 200 телефотопанорам, было проведено 500 измерений физико-механических свойств грунта и 25 измерений химического состава, выполнена большая программа научных исследований Луны и космического пространства.
  • В 1973 г, на Луне был высажен "Луноход-2", который также успешно выполнил свою программу.
  • А дальше - Марс. 19 и 28 мая 1971 г. (т.е. тогда, когда на Луне работал "Луноход-1"), в СССР были запущены АМС "Марс-2" и "Марс-3", причем станция "Марс-3" доставила подвижный автоматический аппарат для работы на поверхности Марса (ПРОП-М), созданный в нашем институте. Это был фактически первый "Марсоход". Но, к сожалению, связь с ним была утрачена сразу после посадки на планету. Вторая попытка, сделанная в 1973 г., закончилась с таким же результатом.
  • При работе над "Марсоходом" выявились дополнительные проблемы, которые необходимо было решить. И, конечно, первая - вытекала из-за удаленности Марса. Это требовало создания автоматической или программной системы управления, соответствующих этому датчиков идентификации окружающей обстановки, технического зрения, методов и технических средств для управления с Земли.
  • Вторая проблема - это работа узлов трения в атмосфере Марса. Лабораторная проверка технических решений узлов трения, созданных для работы в вакууме (испытания были проведены в климатических камерах, имитирующих атмосферу Марса), показала, что они не приемлемы для Марса. Понадобилось искать новые решения. И они были найдены.
  • Третья группа проблем связана с тем, что поверхность Марса имеет большую неоднородность как по рельефу, так и по прочности грунта. Учитывая сложность управления "Марсоходом", необходимо, чтобы он имел как можно больший запас по проходимости в самых разнообразных условиях, т.е. как бы обладал "всеядностью". Поэтому много лет мы занимались поиском все более совершенных схем системы передвижения. Поиски шли в разных направлениях. Исследовались возможности гусеничного движения, колесно-гусеничного, исследовались лыжно-шагающий способ передвижения, схема со всеми поворотными колесами, рассматривалась схема с принудительно деформируемым ободом колеса, с треугольным колесом, испытывалась трехколесная схема и пр.
  • Успешной оказалась разработка "прыгающего" движителя. Как известно, этот способ передвижения был применен нами в подвижном аппарате ПРОП-Ф (массой около 50 кг), предназначенном для работы на поверхности Фобоса в 1988 г. Для сверхнизкой гравитации Фобоса этот способ передвижения оказался предпочтительным.
  • Надо сказать, что хотя посадка на Фобос не состоялась, опыт создания этого аппарата оказался весьма полезным и может быть использован в предстоящих миссиях по исследованию малых космических тел.
  • Уже в 1978 г. был создан полноразмерный образец самоходного шасси "Марсохода" с колесно-шагающим движителем - ЭОСАШ.
  • Время шло, исполнение миссий откладывалось, постепенно менялись задачи, соответственно менялись конструкторские идеи, облик, "Марсохода", и наконец, родился последний вариант самоходного шасси "Марсохода".
  • Продолжение работ по "Марсоходу" предполагается, и если сроки миссий будут по-прежнему переноситься, то не исключено, что наш традиционный триумвират (НПО Лавочкина, ИКИ и ВНИИТРАНСМАШ) сможет выдать что-нибудь новое.
  • Здесь надо сказать еще об одной работе, сделанной в нашем институте в партнерстве с CNES. Это - исследовательский демонстрационный макет планетохода IARES, который с одинаковым успехом может рассматриваться и как прообраз будущего "Марсохода", и как будущего "Лунохода". Разработка IARES выполнена в нашем институте в рамках международного проекта "Эврика" по контракту с CNES.
  • IARES представляет собой 6-колесное шасси со сложной кинематикой, имеющее 19 степеней свободы и 17 активных шарниров. IARES имеет систему управления, реализующую движение шасси в автономном и телеуправляемом режимах (движение по заданной траектории и по отдельным функциональным командам).
  • ВНИИТМ разработаны алгоритмическое и программное обеспечение управления движением шасси. ARES обладает уникальной приспособляемостью к рельефу. IARES - это очередной этап в наших планетоходных поисках.
  • Несколько слов о размерах "Марсохода". По сравнению с проектом 70-х годов его масса от проекта к проекту уменьшалась. Сначала 900 кг, затем - 500, в проекте "Марс-94" - уже 350, а в проекте "Марс-96" -75 кг. И постепенно стало все более четко формироваться направление миниатюризации. Микророверы стали модными. Справедливости ради надо сказать, что подвижный аппарат ПРОП миссии "Марс-71" был не только первым "Марсоходом", но и первым микроровером. Его масса составляла 4,5 кг.
  • В 1994 году в нашем институте в содружестве с MAX-PLANK-INSTITUT FUR CHEMIE в г. Майнц (ФРГ) был разработан трехсекционный микроровер IDD, массой около 3 кг.
  • И все же, на мой взгляд, возможности микророверов ограничены. Они, конечно, найдут свое место в программах исследования Марса, но будущее - за долгоживущими, полноразмерными, "дальнобойными" аппаратами, обладающими высокой проходимостью по разнообразному марсианскому ландшафту.
  • Посылка на Марс подвижного транспортного средства дело нелегкое. И, конечно, для этого нужны коллективные усилия многих стран. Но оно будет сделано, и "Марсоход" будет ходить по Красной планете.

    ЛИТЕРАТУРА

  • 1. Кемурджиан А.Л., Громов В.В., Черкасова И.И., Шварев В.В. Автоматические станции для изучения поверхностного покрова Луны. М., 1976. 200 с.
  • 2. Авотин Е.В., Бояховитинов И.С., Кемурджиан A.Л. и др. Динамика планетохода. М., 1979.
  • 3. Громов В.В., Забавников Н.А., Кемурджиан А.Л. и др. Передвижение по грунтам Луны и планет. М., 1986.
  • 4. Кемурджиан А.Л., Громов В.В., Кажцкало И.Ф. и др. Планетоходы. М., 1993.400 с.
  • 5. Cherkasov I., Kemurdjian A.L. et al. Investigations of the physical and mechanical properties of the Moon's soil from Luna-13 // Proc. of the III Lunar Intern. laboratory symp. Belgrade, 1967. P. 75-78.
  • 6. Кемурджиан А.Л., Платонов А.К., Каширин В.Н. и др. Метод встречных волн в задаче выбора трассы подвижного робота. М., 1985. (Препр. / Ин-т прикл. математики им. М.В. Келдыша АН СССР; № 52)
  • 7. Кемурджиан А.Л., Богомолов А.Ф., Бродский П.Н. и др. Изучение поверхности Фобоса с помощью подвижного робота // Тр. Междунар. конф. "Фобос"/ Ин-т космич. исслед. АН СССР. М., 1986. С. 373-382.
  • 8. Кемурджиан А.Л. Проблемы создания шагающего аппарата // Тез. докл. I Всесоюз. конф. по механике и управлению движением шагающих машин. Волгоград, 1988. С. 7.
  • 9. Brodky P.N., Kemurdjian A.L., Gromov V.V., Michin L.M. // Proc. of the IV Intern. conf."Spase-94" / Amer. Soc. of Civil Engineers. 1994.
  • 10. Rider R., Wanrt H., Gromov V.V. et al. Nanakhod: A miniature instrument deployment device for use in connection with fixed planetary surface stations: Presented ad the 20-th General Assembly of EGS // Ann. Geophys. Vol. 13, suupl. 3. P. 805.
  • 11. Кемурджиан А.Л., Бродский П.Н. и др. Предварительные результаты определения физико-механических свойств грунта Венеры на советских автоматических станциях "Венера-13" и "Венера-14" // Космич. исслед. 1983. Т. 21. С. 323-330.
  • 12. Kemurdjian A.L. From the Moon rover to the Mars rover // Planet. Rep. 1990. Vol.10, №4. P. 4-11.
  • 13. Kemurdjian A.L. Roving through Death Valley: 1992 Test Prorgam Warpur // Ibid. , 1990 Vol.13, № 1. P. 12-14.

    НАЧАЛО ВТОРОГО ЭТАПА РАЗВИТИЯ ПИЛОТИРУЕМОЙ КОСМОНАВТИКИ (1965-1970 гг.)
    В.Л. Пономарева

  • БЦВМ - бортовая цифровая вычислительная машина
  • ДКД - дублирующий корректирующий двигатель
  • ДПО - двигатели причаливания и ориентации
  • KPЛ - командная радиолиния
  • ЛКИ - летно-конструкторские испытания
  • ПКА - пилотируемый космический аппарат
  • ПРКК - пилотируемый ракетно-космический комплекс
  • РТС - радиотехническая система (измерения параметров относительного движения объектов)
  • СА - спускаемый аппарат
  • САС - система аварийного спасения
  • СИО - система исполнительных органов
  • СКД - сближающе-корректирующий двигатель
  • СКДУ - сближающе-корректирующая двигательная установка
  • СУД - система управления движением
  • СУС - система управления спуском
  • ТДУ - тормозная двигательная установка
  • ТНА - турбонасосный агрегат

    В большинстве работ, касающихся истории развития пилотируемой космонавтики, рассматривается какое-либо одно определенное направление. Либо это история развития ракетно-космической техники (систем, устройств, приборов, процессов, изделий в целом). Человек, который должен работать на этой технике - космонавт или астронавт - никак в этих рассмотрениях не присутствует. Либо это медико-биологические проблемы космических полетов в исторической ретроспективе. В этих работах если и рассматриваются вопросы развития техники, то лишь в отдельных, узких и специфических аспектах. В последнее время стали появляться работы социально-философского плана, предметом рассмотрения которых являются социальные и мировоззренческие проблемы, связанные с выходом человека в космическое пространство; если они касаются техники, то главным образом в аспекте рационального исследования уже созданной техники и формирования концепций ее дальнейшего развития. И очень мало историко-технических исследований, в которых прослеживалась бы связь деятельности человека и развития техники как категорий взаимообусловленных.

  • Эта проблема для ПКА "Восток" и "Меркурий" рассмотрена в работе автора данной статьи [24, с. 132-167]. Здесь же указанная проблема рассматривается применительно к короткому, но весьма богатому событиями отрезку времени - 1965-1970 гг. Это начальный период практической отработки операции сближения и стыковки космических объектов на орбите ИСЗ, которые проводились по программе "Джемини" (США) и "Союз" (СССР). Поэтому можно считать, что полеты кораблей "Джемини" и "Союз" открыли второй этап развития пилотируемой космонавтики, а сами эти корабли, по мнению автора, следует отнести к пилотируемым космическим аппаратам второго поколения, так как они были первыми маневрирующими пилотируемыми аппаратами. Несмотря на то, что ПКА "Восток" и "Меркурий" были снабжены ракетным двигателем, с помощью которого можно управлять движением центра масс, т.е. изменять параметры орбиты, их следует считать неманеврирующими, поскольку этот двигатель был предназначен (и применялся) исключительно для схода корабля с орбиты перед посадкой на Землю.
  • В данной работе рассматриваются три научно-технических направления, связанные с наличием на борту человека: 1) обеспечение безопасности полета; 2) формирование концепции управления полетом и ее реализация; 3) организация спасения пилота при аварии на всех участках полета (выбор способа и разработка системы спасения). Рассматриваются технические аспекты решения этих проблем и подходы к определению роли космонавта при их реализации.
  • Первоначально задача сближения и стыковки на орбите возникла в связи с тем, что в качестве направления дальнейшего развития программ исследования и освоения космического пространства в СССР и США был выбран полет человека на Луну, Причем это было сделано в ситуации, когда каждой страной было выполнено всего несколько запусков ИСЗ. Пилотируемые полеты только начинались, а технические возможности для осуществления этой программы еще не существовали. Путь, который нужно было пройти, был огромный, поистине космический.
  • Интересно проследить политические и социально-психологические мотивы принятия такого решения. Если на начальном этапе никакой свободы в выборе путей развития пилотируемой космонавтики не существовало - все было очевидно: полет по низкой околоземной орбите с постепенным увеличением продолжительности, медико-биологические исследования и определение работоспособности человека на простейших (вначале) операциях, то на следующем этапе выбор был не столь очевиден.
  • В первую очередь такой выбор можно объяснить тем, что в условиях военно-политического противостояния каждая из сторон видела в полете на Луну самый лучший ответ на успехи другой стороны. Высокие темпы развития РКТ давали основание считать, что технические возможности для полета на Луну при достаточном финансировании можно развить в короткие сроки. Существенным фактором было то, что это была весьма привлекательная для широких масс идея. В массовом общественном сознании тех лет основное содержание понятия "космонавтика" представлялось именно в виде пилотируемых полетов, и полет человека на Луну казался естественным продолжением пилотируемых программ. Возможно, здесь сказалось и влияние устоявшегося стереотипа мысли у руководителей программ: нельзя забывать, что они были энтузиастами идеи полета человека в космос и зачинателями практической космонавтики, а пионеры космонавтики отождествляли пилотируемые космические полеты именно с межпланетными путешествиями.

    ЗАДАЧА СБЛИЖЕНИЯ

  • Полет на Луну предполагал сборку лунного космического комплекса на орбите искусственного спутника Земли, т.е. сближение одного или нескольких объектов до касания и затем их механическое соединение. Эта операция была ключевой проблемой при разработке лунной программы.
  • Сама по себе задача сближения движущихся объектов не была принципиально новой (перехват целей в системах ПРО, дозаправка самолетов в воздухе), однако специфические условия космического полета внесли в нее много новых и достаточно сложных проблем, начиная от выбора метода сближения, разработки математического аппарата и алгоритмов управления и кончая созданием технических средств, обеспечивающих решение задачи.
  • Процесс сближения космических аппаратов разделяется на три этапа. На начальном этапе (этап дальнего наведения) сближение осуществляется с помощью наземных средств. Затем следует этап ближнего наведения, который может выполняться только автономными бортовыми средствами. Задача этого этапа - приведение сближающихся объектов в зону причаливания (расстояние 200-300 м) с малыми относительными скоростями и определенной взаимной ориентацией объектов. Последний участок сближения - этап причаливания - требует высокой точности управления во избежание жесткого соударения аппаратов.
  • При разработке систем управления возникла проблема, с помощью каких средств - автоматических или ручных - должна решаться задача управления на участке ближнего наведения и причаливания.
  • Для человека задача управления процессом сближения и стыковки является качественно новой, так как она предполагает необходимость управления не по трем, а по шести координатам одновременно, причем управление движением вокруг центра масс не приводит к изменению траектории движения аппарата. Аналогов такого управления в земных условиях не существует, и на начальном этапе представлялось, что эта задача окажется слишком сложной. Сложность задачи состоит еще и в том, что управление осуществляется с помощью опосредованной информации, не адекватной видеообразу "корабль-пространство", причем реакции управляемого объекта на управляющие воздействия не соответствуют устоявшимся "земным" представлениям, как например, при управлении самолетом. Ситуация усугубляется тем, что из сферы восприятия человека исключен двигательный анализатор (так называемое "мышечное чувство"). Кроме того, управляемое движение аппарата накладывается на его орбитальное движение, что дополнительно осложняет процесс.
  • Для отработки этой операции и предназначались КК "Джемини" и "Союз", с тем отличием, что если "Джемини" был специально создан для отработки элементов программы "Аполлон", т.е. был начальным элементом этой программы, то "Союз" представлял собой штатный блок лунного ракетного комплекса.

    ПРОГРАММА "ДЖЕМИНИ"

  • Ракета-носитель для КК "Джемини" разрабатывалась на базе МБР "Титан-2". Разработка МБР была начата фирмой Мартин-Мариетта в июне 1960 г. на базе двухступенчатой ракеты "Титан-1". В декабре 1961 г. состоялись первые огневые стендовые испытания МБР "Титан-2", в марте начались ЛКИ, которые закончились осенью 1963 г.
  • Изучение возможности использования МБР "Титан-2" в качестве или в составе РН ПКА начались в ноябре 1960 г., т.е. еще в стадии проектирования МБР. Тогда ВВС планировали создать многоцелевую РН с основной задачей - запуски ракетоплана "Дайна-Сор". В декабре 1961 г. было принято решение специально для запусков ПКА "Джемини" создать ракету-носитель "Титан-2" GVL (Gemini Launch Vehicle - ракета-носитель КК "Джемини"). Разработка была начата в январе 1962 г., т.е. еще до начала летных испытаний МБР. Основные узлы конструкции и элементы бортового оборудования РН отрабатывались в процессе испытательных пусков МБР. Все изменения в конструкции были связаны с использованием этой ракеты для запусков пилотируемого аппарата, главной и принципиальной задачей было обеспечение надежности [1, с. 242-245]. Головным подрядчиком НАСА по разработке и изготовлению корабля была известная авиационная фирма "Макдоннел Дуглас".
  • Отработка ПРКК "Джемини" продолжалась всего 11 месяцев и включала два беспилотных пуска. В апреле 1964 г. состоялся первый запуск РН "Титан-2", которая вывела на орбиту КК "Джемини-1" без экипажа, в январе 1965 г. состоялся еще один пуск по баллистической траектории, после чего начались пилотируемые полеты. Так что можно сказать, что ЛКИ практически проводили астронавты в пилотируемых полетах. Всего с марта 1965 г. по ноябрь 1966 г. состоялось 10 пилотируемых полетов, все были успешными.
  • Программа "Джемини" являлась логическим развитием проекта "Меркурий" и в то же время, как указывалось выше, предварительным этапом программы "Аполлон". Программа полетов была очень насыщенной и включала широкий круг разнообразных задач. Самой важной из них была отработка маневрирования на орбите, встречи и стыковки космических аппаратов. Кроме того, ставились задачи осуществить длительный полет экипажа из двух астронавтов, провести испытания бортовых систем, отработать технику выхода в открытый космос и исследовать возможность работы вне корабля и перемещения астронавта в открытом космосе с помощью ручного реактивного устройства, отработать методы спуска с орбиты с использованием аэродинамического качества аппарата. Планировалось проведение экспериментов по созданию искусственной тяжести, медико-биологические исследования, физико-технические и военно-прикладные эксперименты [2, 3].
  • Как и при разработке КК "Меркурий", при разработке "Джемини" стремились обойтись минимальными расходами и затратой времени, тем не менее, он стал значительным шагом вперед в развитии пилотируемой космической техники. Он имел значительно большую массу, чем "Меркурий" (масса на орбите 3,2-3,8 т), что позволило устранить многие принципиальные недостатки конструкции и компоновки последнего.
  • • На "Меркурии" был один отсек, и почти все приборное оборудование размещалось в кабине пилота (при объеме около 1,5 м2), при этом элементы систем располагались иногда в несколько рядов, а иногда были разнесены по всей кабине, что сильно усложняло техническое обслуживание на стартовой позиции [4, с. 362]. Многие элементы систем были вообще недоступны для обслуживания (например, из 57 пиротехнических устройств, имевшихся на "Меркурии", лишь 26 можно было при необходимости заменить без демонтажа другого оборудования, что неоднократно приводило к переносу даты старта) [5, с, 258]. На новом корабле большая часть приборного оборудования размещалась вне кабины пилотов, в негерметичном вспомогательном отсеке. Для обеспечения возможности обслуживания на стартовой позиции была применена модульная компоновка бортовых систем, когда все элементы одной системы размещаются в отдельных блоках и их можно легко демонтировать и заменять, не трогая других систем. Это было техническим новшеством, впервые применяемым на ПКА.
  • • Применение модульной компоновки позволило устранить еще один серьезный недостаток "Меркурия", который приводил к значительным затратам времени и средств при подготовке к полету: для каждого варианта полетного задания разрабатывался свой вариант компоновки аппарата. На "Джемини" при изменении задач полета (длительный полет или кратковременный с выходом) изменение компоновки аппарата сводилось к замене модулей (например, были изготовлены два взаимозаменяемых модуля двигательной установки) [4, с. 363].
  • Поскольку для летательного аппарата, в том числе и космического, области возможных технических решений ограничиваются весовыми и габаритными соображениями, для корабля "Джемини" при разработке систем старались находить альтернативные решения, экономящие вес. Так, в качестве источника энергии для полетов длительностью более двух суток вместо традиционных серебряно-цинковых батарей использовались более легкие водородно-кислородные топливные элементы, которые к этому времени были только что разработаны. Поскольку это тоже быдо техническим новшеством, то в качестве дублирующего источника энергии использовался небольшой комплект серебряно-цинковых батарей в СА. Более полным было резервирование бортовых систем, например, в отличие от ПКА "Меркурий", на котором в основном использовалось раздельное резервирование, некоторые системы были дублированы полностью (был установлен второй комплект системы ориентации). По весовым ограничениям не была задублирована система управления движением центра масс (применялось резервирование отдельных элементов). Это сочли возможным, поскольку отказы в СУД влияли только на выполнение программы, а не на безопасность [4, с. 365].
  • Одним из важнейших нововведений была цифровая вычислительная машина в системе управления.
  • Необходимость перехода от систем управления, построенных на аналоговых элементах, к цифровой вычислительной технике к этому времени уже назрела. Из опыта эксплуатации самолетов с инерциальными навигационными системами на аналоговых элементах с достаточной очевидностью выявилось, что характеристики этих систем не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к системам управления маневрирующими аппаратами, предназначенными для выполнения операции встречи. Во-первых, они не позволяют реализовывать сложные вычислительные алгоритмы с требуемой точностью и быстродействием. Во-вторых, что особенно существенно для пилотируемой космической техники, возможности резервирования аналоговых приборов оказались ограниченными из-за увеличения веса и габаритов. В-третьих, увеличение числа элементов при резервировании увеличивает число связей между ними, что приводит к ряду негативных последствий: увеличивается вероятность ошибки при монтаже; возникает вероятность образования "ложных перемычек", которые трудно (а зачастую невозможно) обнаружить при наземных испытаниях; возможно увеличение потока отказов и усложнение его структуры; изменения в конструкции и компоновке корабля при многократном резервировании систем могут спровоцировать неожиданные последствия, например, привести к отказам в других системах, что в практике отработки РКТ имело место [6, с. 418]. Вместе с тем уже в начале 60-х годов были разработаны первые ЦВМ на интегральных системах для решения навигационной задачи для самолетов ВВС США [7, с. 114]. Их характеристики по точности, быстродействию и надежности, хотя и не были еще достаточно высокими, однако позволяли ставить вопрос об использовании БЦВМ для ПКА.
  • БЦВМ ПКА "Джемини" из-за весовых ограничений не была зарезервирована, однако в контур были введены элементы, обеспечивающие самопроверку и индикацию неисправностей, что давало экипажу возможность судить о достоверности выходных данных [8, с. 243].
  • В концепцию системы управления "Джемини" был заложен приоритет ручного управления, в том числе и при выполнении операции сближения и стыковки, несмотря на очевидную сложность управления этой операции в ручном варианте. Принятие этой концепции явилось прямым следствием результатов программы "Меркурий". Анализ развития большого числа аварийных ситуаций при пусках комплекса "Редстоун-Меркурий" (перед первым суборбитальным полетом А. Шепарда их было выполнено 18), которые в большинстве случаев приводили к гибели аппарата, показал, что почти во всех случаях, если бы на борту КК находился человек, он мог бы спасти аппарат, пользуясь ручным управлением. При орбитальных пилотируемых полетах комплекса "Меркурий-Атлас" также было много отказов, в том числе и весьма серьезных, однако благодаря участию пилота в процессе управления все полеты завершились благополучно. Поэтому основной вывод был таким: человек способен эффективно управлять кораблем как в штатном режиме, так и при возникновении нештатных и аварийных ситуаций, и только его включение в систему управления в качестве активного звена может обеспечить безопасность полета и эффективность выполнения программы.
  • Выбор ручного управления в качестве основного режима, а также то, что экипаж КК "Джемини" состоял из двух человек, по мнению разработчиков, существенным образом повышало надежность [4, с. 368-369]. Нужно сказать, американским специалистам действительно удалось обеспечить надежное функционирование системы при ненадежных элементах, применив "авиационный подход", когда недостаточная надежность техники компенсировалась мастерством и умением пилота.
  • Для управления операцией встречи на орбите на ПКА "Джемини" была установлена автоматизированная система управления директорного типа.
  • На этапе ближнего наведения был выбран метод свободных траекторий, как наиболее эффективный по расходу топлива, что существенно при имевшихся весовых ограничениях. Для реализации этого метода требуется решение навигационной задачи и проведение значительного объема сложных вычислений. Потребный корректирующий импульс вычислялся в БЦВМ по результатам траекторных измерений от бортовой РТС, и эта информация в наглядном виде подавалась на командный пилотажно-навигационный прибор (так называемая директорная информация), т.е. индицировались не сами параметры движения или состояния аппарата, а команды управления, которые пилот должен был отработать с помощью ручек управления. Штатный режим управления на этапе ближнего наведения был автоматический, ручное управление предусматривалось на случай отказов в системе измерения или вычислительного комплекса, формирующего директорную информацию.
  • Такие отказы неоднократно имели место в полетах "Джемини". В этих случаях необходимо было измерять параметры движения и рассчитывать управляющие воздействия с помощью вспомогательных средств. В качестве эксперимента такой расчет впервые выполнил Дж. Стаффорд при полете на корабле "Джемини-6". Он произвел необходимые измерения с помощью секстанта и с помощью вспомогательных таблиц рассчитал величину и направление корректирующего импульса. Точность при ручных измерениях и вычислениях требуется высокая, так как параметры относительного движения для осуществления стыковки должны находиться в жестких допусках. Экипажу "Джемини-12" из-за отказа радиотехнической системы измерения пришлось осуществлять стыковку с использованием секстанта и БЦВМ.
  • На этапе причаливания штатный режим ручной. При разработке системы отображения информации и органов управления были учтены эргономические требования: центральное расположение главных индикаторов, приближенность индикаторов двигательных систем к первому пилоту и систем навигации - ко второму пилоту, т.е. приборная доска "Джемини" была подобна приборным доскам самолетов. Одной из важных характеристик систем индикации КК типа "Джемини" является расположение индикатора положения корабля между двумя членами экипажа для повышения безопасности в том случае, если один пилот окажется недееспособен. В отличие от КК "Меркурий", использовались приборы не с круговыми, а с вертикальными шкалами, что способствовало экономии места на приборной доске и обеспечивало более быстрое считывание показаний [9, с. 72].
  • Кроме штатных операций по управлению служебными бортовыми системами, ручной ориентации в штатном полете и при отказе автоматической системы и ручного спуска с орбиты, на экипаж были возложены все операции по выходу из аварийных ситуаций (отсечка двигателей аварийной РН, отделение КК от РН, аварийное катапультирование, отделение ТДУ, ввод запасного парашюта при аварии основной парашютной системы и т.д.).
  • От системы аварийного спасения в виде фермы с ракетными двигателями разработчики отказались и в качестве способа спасения выбрали метод непосредственного катапультирования. Право принятия решения о продолжении полета или об аварийном спасении при аварии на стартовой позиции или на активном участке было предоставлено астронавтам. В связи с этим была разработана и установлена новая система обнаружения неисправностей и прекращения полета - MDS. Индикация неисправностей РН осуществлялась сигнальными лампами и измерительными приборами на приборной доске, астронавты имели возможность оценить характер неисправности и в соответствии с этим принимать решение [10, с. 324-335]. Контроль за работой систем РН возлагался на командира корабля. Ручка отсечки двигателя РН и отделения корабля расположена на пульте управления.
  • Кабина корабля имела два люка с иллюминаторами, через которые и происходило катапультирование. Сигнал на катапультирование обоих астронавтов мог подать любой из них путем вытягивания кольца из контейнера, который установлен внизу у ног. Логика работы автоматики катапультируемых кресел примерно та же, что и на "Востоке". Перегрузки до 24, кресла отбрасываются вверх на 140 м и в сторону на 300. После выхода на орбиту система катапультирования блокируется. На высоте более 21 км астронавты могут отделить корабль от ракеты-носителя с помощью тормозной двигательной установки.
  • Как известно, многие аварийные ситуации на участке выведения скоротечны (резерв времени на взведение системы спасения при пожаре РН составляет 1-1,5 сек, что соизмеримо со временем реакции человека) и имеют катастрофические последствия. Для того, чтобы решить, возможно ли в принципе возложить на человека задачу принятия решения и отработки управляющего воздействия при таких, чреватых опасностью и скоротечных процессах, была проведена серия экспериментов на моделирующих стендах, специально для этой цели разработанных. В основном эксперименты были направлены на выяснение вопроса - достаточно ли будет времени у астронавтов, чтобы отреагировать на сигнал о неисправности. Во всех предъявленных аварийных ситуациях, кроме случая отклонения продольной оси РН от номинального положения на предельный угол в крайнее положение, астронавты успевали отреагировать вовремя. После доработки системы управления и дополнительной серии экспериментов было установлено, что задача выхода из этой аварийной ситуации может быть решена при помощи быстродействующего переключателя с соответствующей установкой. На основании проведенных экспериментов было сделано заключение, что "ручная система управления аварийным отделением КК от РН целесообразна и практична". Более того, американские разработчики настолько полагались на человека, что обсуждался вопрос, следует или нет ставить на борт корабля систему автоматического аварийного отделения [10, с. 332-333].
  • Необходимо заметить, что, поскольку эксперименты проводились при отсутствии реального стресса, вызванного грозной аварийной ситуацией, их результаты вряд ли можно считать исчерпывающими.
  • Однако практика полетов корабля "Джемини" подтвердила эффективность привлечения экипажа к процессу управления даже на таком динамически напряженном участке, как участок выведения, иллюстрацией чего может служить аварийный старт ПКК "Джемини-6". При старте двигатели первой ступени РН были выключены автоматикой по наличию сигнала неисправности. Ракета оставалась на стартовом столе, однако индикация на пульте управления в кабине корабля говорила о том, что ракета оторвалась от стартового стола, но имеет место недобор тяги, т.е. ракета должна вот-вот рухнуть на землю. В этой ситуации астронавты должны были подать сигнал на катапультирование, однако командир корабля У. Ширра не сделал этого, так как по его ощущению ракета все еще оставалась на стартовом столе. Если бы У. Ширра включил систему катапультирования, это привело бы не только к срыву программы, но, возможно, и к более тяжелым последствиям. "Это решение мог принять только человек, который чувствует себя хозяином положения и критически оценивает противоречивые показания систем индикации" [11, с. 12]. В этих словах Г.Т. Берегового отразилось неприятие советскими космонавтами стремления разработчиков космической техники полагаться исключительно на автоматику.
  • Американцы с первого же полета ставили в программу сложные задачи, многие из которых в истории развития пилотируемой космонавтики выполнялись впервые.
  • • Первое ручное управление маневрированием корабля ("Джемини-3", 23.3.65 г. В. Грисом и Дж. Янг, первый пилотируемый полет). Изменение плоскости орбиты.
  • • Первое применение ручного реактивного пистолета для перемещения человека в открытом космосе ("Джемини-4", 3-7.6.65 г., Э. Уайт, Д. Макдивитт). В этом же полете состоялся первый выход американского астронавта Э. Уайта в космос. В отличие от КК "Восход-2", "Джемини" не имел шлюзовой камеры, выход осуществлялся путем разгерметизации кабины. Уайт провел в космосе 21 минуту.
  • • Первые эксперименты по ручному сближению с беспилотным объектом ("Джемини-5", 21-29.8.65 г., Г. Купер, Ч. Конрад). Сближение до дальности 1,8 км.
  • • Первый групповой полет с ручным управлением взаимным маневрированием кораблей ("Джемини-6"-"Джемини-7", декабрь 1965 г.). Сближение на расстояние от 1 до 30 м.
  • • Первый спуск с ручным управлением траекторией снижения в атмосфере ("Джемини-6", 16.12.65 г., У. Ширра, Т. Стаффорд). Отклонение точки посадки от расчетной составило 13 км.
  • • Первая ручная стыковка с беспилотным космическим аппаратом ("Джемини-8", 16.3.66 г., Н. Армстронг, Д. Скотт). На этапе дальнего сближения управление осуществлялось автоматически по методу свободных траекторий, на этапе причаливания - астронавтами по директорной информации от системы управления.
  • • Первый эксперимент по созданию искусственной тяжести ("Джемини-11", 12-15.9.66 г., Ч. Конрад, Р. Гордон).
  • Всего по программе "Джемини" выходы в открытый космос производились в пяти полетах, максимальная продолжительность пребывания вне корабля составила два часа десять минут. Программа работ и исследований в открытом космосе была весьма обширной и сложной, и несмотря на то, что запланированный объем исследований был выполнен не полностью, результаты позволили выявить целый ряд проблем, требующих решения при организации внекорабельной деятельности (разработка технических средств для фиксации ног и тела космонавтов во время работы на внешней поверхности корабля, создание безынерционного инструмента и многое другое).
  • Нештатные и аварийные ситуации имели место практически во всех полетах ПКА "Джемини" (отказы в системе управления движением, в БЦВМ, в других технических системах). На "Джемини-5" было 19 нештатных ситуаций. На КК "Джемини-8" после стыковки со ступенью ракеты "Аджена" вследствие самопроизвольного включения двигателя ракеты из-за неисправности в электросхеме произошла закрутка корабля со скоростью до одного оборота в секунду по крену и рысканию. Командир корабля Н. Армстронг произвел срочную расстыковку, но корабль стал вращаться еще быстрее. Астронавты пытались стабилизировать корабль, но оказалось, что вышло из строя ручное управление. Им удалось частично восстановить работоспособность системы и стабилизировать корабль, после чего они осуществили срочную посадку по баллистической траектории. Ситуация для астронавтов была чрезвычайно напряженной и опасной. Помимо сложной работы в тяжелых условиях возникла реальная опасность невозможности схода с орбиты из-за перерасхода топлива. Вряд ли автоматика смогла бы справиться с этой серией нештатных ситуаций.
  • Наиболее важным результатом программы "Джемини" следует считать тот факт, что работа в космосе, начало которой положил Г.С. Титов, приобрела последовательный и планомерный характер и стала приобретать черты операторской деятельности, причем весьма сложной и специфической, а профессия космонавта начала формироваться, как операторская профессия. На этом этапе сам космический полет перестал быть экспериментом, медико-биологические исследования переместились на второй план, а на первый вышли разнообразные эксперименты и работы.
  • Продуктивность концепции приоритета ручного управления полностью подтвердилась. Только включение человека в контур управления в качестве активного звена позволило успешно локализовать многочисленные аварийные ситуации и избежать катастрофических исходов и обеспечило высокую эффективность выполнения программы.

    ПРОГРАММА "СОЮЗ" 7К-ОК

  • Первоначально ПКА "Союз" предполагалось разрабатывать как составную часть ракетно-космического комплекса для облета Луны, собираемого на орбите. Естественно, решение проблем сближения и стыковки было задачей первостепенной важности.
  • Начало проектных исследований проблем сближения и стыковки космических аппаратов относится к 1959 г. Первые теоретические разработки по методам сближения начались в группе М.К. Тихонравова в НИИ-4. В 1961 г. к этим работам вплотную приступили в ОКБ-1 под руководством Б.В. Раушенбаха. В январе 1961 г. был выпущен технический отчет "Материалы предварительных исследований по сближению и сборке аппаратов в космическом пространстве". В работе принимали участие и другие организации (П.Е. Эльясберг и В.Д. Ястребов в НИИ-4, Д.Е. Охоцимский, А.К. Платонов в Отделении прикладной математики МИАН СССР, где директором тогда был М.В. Келдыш) [6, с. 390-392].
  • Вначале для сокращения сроков разработки рассматривалась возможность модернизировать "Восток", доведя его вес до 6 т и поставив на него стыковочный узел, однако от этой идеи отказались. Эскизный проект нового корабля для отработки операции сближения и стыковки был разработан к концу 1962 г. Были приняты соответствующие постановления правительства (№ 346-160 от 16 апреля 1962 г. и № 11284-435 от 3 декабря 1963 г.), в которых тема сборки получила название "Союз".
  • Тактико-технические требования на многоцелевой трехместный орбитальный космический корабль, предназначенный для отработки сближения, стыковки и перехода космонавтов из одного корабля в другой через открытое космическое пространство, были составлены в июле 1965 г. Корабль получил индекс 7К-ОК и название "Союз" [2].
  • Летно-конструкторские испытания ракетно-космического комплекса "Союз" в беспилотном варианте проходили как бы в два этапа: первый с 28.11.66 по 7.3.67 включал три беспилотных пуска.
  • Программа первого испытательного полета включала запуск двух кораблей с интервалом в одни сутки, тестирование бортовых систем и проведение операции сближения и стыковки в автоматическом режиме.
  • Запуск 7К-ОК № 2 (активный; впоследствии получил название "Космос-133") прошел успешно, однако вследствие отказов в системе управления в орбитальном полете сближение и стыковка с другим объектом оказались невозможными; на орбите он находился двое суток; спускался по нештатной траектории и был уничтожен системой аварийного подрыва объекта, так как сел бы вне территории Советского Союза.
  • После этого было принято решение о запуске 7К-ОК № I в одиночном варианте. Запуск (14.12.66) не состоялся, так как по ошибочно сформированному системой обнаружения неисправностей РН сигналу аварии произошло отделение СА. САС отработал нормально, однако выхлопная струя двигателей подожгла ракету, так как при отделении произошел разрыв трубопроводов системы терморегулирования, работавшей на горючей жидкости. На последующих объектах была введена блокировка включения САС на стартовой позиции до тридцатиминутной готовности ("запрет срабатывания САС") [6, с. 427].
  • Третий беспилотный пуск был проведен 7 марта 1967 г. ("Космос-140"). 7К-ОК № 3 вышел на нерасчетную орбиту, в орбитальном полете имел ряд нештатных ситуаций (не прошла закрутка на Солнце; отказ солнечно-звездного датчика 45К в основной системе ориентации; система управления спуском сформировала баллистический режим спуска, из-за чего точка посадки отклонилась от расчетной на 500 км, и корабль приземлился на лед Аральского моря). При спуске из-за нарушения теплозащиты при проведении технологической операции на стартовой позиции произошел прогар днища, и корабль затонул.
  • Таким образом, из трех планировавшихся полетов состоялось два, и ни один из них не был полностью успешным. Не была выполнена основная задача ЛКИ - сближение и стыковка двух космических объектов в автоматическом режиме; ни разу не были опробованы такие жизненно важные системы, как система шлюзования и система управления спуском; испытания и проверка других бортовых систем не были проведены в полном объеме. Тем не менее, в нарушение "принципа Королева" и установки на полную беспилотную отработку ПКА было принято решение о пилотируемом полете двух кораблей. Командиром активного корабля был назначен В.М. Комаров, экипаж пассивного - В.Ф, Быковский (командир), А.С. Елисеев и Е.В. Хрунов. В программе полета была чрезвычайно сложная и принципиально новая задача - стыковка в автоматическом режиме и переход двух космонавтов из одного корабля в другой через открытый космос.
  • Без сомнения, принятию решения поставить такую задачу в программу первого пилотируемого полета на новом корабле практически без отработки в беспилотном варианте в весьма значительной степени способствовала информация о ходе отработки и реализации программы "Джемини" (перед первым пилотируемым полетом всего 2 беспилотных пуска, один из которых по баллистической траектории, постановка сложных целевых задач с первого же полета, успешное завершение полетов, несмотря на многочисленные нештатные ситуации).
  • Запуск активного корабля (7К-ОК № 4) был осуществлен 23 апреля 1967 г. На орбитальном участке имел место целый ряд серьезнейших нештатных ситуаций. 24 апреля 1967 г, летчик-космонавт В.М. Комаров погиб при приземлении из-за отказа парашютной системы.
  • Избежать катастрофического исхода можно было единственным способом - доработать корабль, устранив причину прогара и другие замечания и провести дополнительные беспилотные пуски. Однако в той политической обстановке эта катастрофа была неизбежна. Приближалось Первое Мая, День международной солидарности трудящихся, Правительство и ЦК КПСС оказывали давление на руководителей космической программы - очередной государственный праздник полагалось отметить очередным достижением в космосе. К тому же, надо было во что бы то ни стало "прикрыть" (выражение Н.П. Каманина) ставшее уже значительным отставание СССР в "космической гонке". То счастливое обстоятельство, что программа "Восток"-'Восход" завершилась благополучно, сыграло с советской космонавтикой злую шутку: похоже, что лица, ответственные за принятие решений, действительно уверовали в миф о безотказности советской техники. Известкую роль здесь, по-видимому, сыграл "психологический фактор". Первые образцы новой техники всегда отрабатываются со всей возможной тщательностью, потом начинает проявляться небрежность. Статистика, о которой при испытаниях первых образцов так мечтали Королев и его соратники, хоть и небольшая, была набрана. А после того, как набрана некоторая положительная статистика, появляется опасная и далеко не всегда обоснованная уверенность в надежности техники, и многие, бывшие прежде незыблемыми нормы и правила, отбрасываются или выполняются не столь неукоснительно. Весь опыт человечества по созданию новой техники свидетельствует, что для того, чтобы вернуться к прежним жестким правилам, приходится пройти через трагический опыт, который обычно не заставляет себя долго ждать.
  • После катастрофы были проведены доработки корабля, повторен практически весь объем доводочных испытаний и по существу заново проведены летно-конструкторские испытания, в процессе которых было выполнено 5 беспилотных пусков РКК. На кораблях № 5 и № 6 ("Космос-186" и "Космос-188") 30.10.67 г. впервые в истории космонавтики была осуществлена стыковка двух космических аппаратов в автоматическом режиме, полет в состыкованном состоянии и расстыковка. Полет кораблей № 7 и № 8 ("Космос-212" и "Космос-213", 15.4.68 г.) был полностью успешным, включая стыковку. После этого был проведен полет одиночного корабля № 9 ("Космос-238"). На этом программа ЛКИ завершилась.
  • Таким образом, "принцип Королева" был соблюден. Кроме того, было принято решение перед каждым пилотируемым полетом проводить самолетные сбросы макетов с высоты 11-12 км для отработки системы приземления по полной штатной программе и сбросы с вертолетов с высоты 3-4 км, в которых отрабатывалась сама парашютная система [12].
  • Если "Джемини" был логическим развитием "Меркурия", то ПКА "Союз" являлся принципиально новым космическим аппаратом. Все бортовые системы претерпели существенные изменения, многие были разработаны заново; впервые была установлена система аварийного спасения в виде фермы с пороховыми двигателями и панели солнечных батарей для снабжения корабля электроэнергией. СА был выполнен в форме фары со смещением центра давления относительно центра масс, вследствие чего при обтекании набегающим потоком на траектории спуска в атмосфере создавалась небольшая подъемная сила (аэродинамическое качество К = 0,3-0,4), позволявшая управлять траекторией спуска (так называемый скользящий спуск).
  • Система управления движением СУД, разработанная в ОКБ-1 под руководством Б.В. Раушенбаха, была единой для всех этапов полета и обеспечивала все режимы управления движением центра масс и вокруг центра масс при выполнении всех задач полетного задания. Как и на ПКА "Восток", система управления была построена на аналоговых и релейных элементах.
  • Новыми были радиотехническая система "Игла" измерения параметров относительного движения аппаратов, разработанная ОКБ-648 (главный конструктор А.С. Мнацаканян), и система управления спуском (СУС). Новой была система ионной ориентации (ИО).
  • Вместо ТДУ на корабле была установлена сближающе-корректирующая двигательная установка (СКДУ) разработки ОКБ A.M. Исаева, Она была полностью дублирована; основной двигатель СКД и дублирующий ДКД были рассчитаны на многократное включение в условиях вакуума и невесомости. Была введена еще одна система исполнительных органов - реактивные двигатели причаливания и ориентации ДПО (разработка ОКБ-1). ДКД имел свою систему исполнительных органов - реактивные сопла на отработанном газе ТНА. Вместо одной ручки управления было две: ручка управления движением РУД и ручка управления ориентацией РУО [16 л. 9-12].
  • В качестве метода сближения на этапе ближнего наведения был выбран метод параллельного наведения, так как для реализации более эффективного метода свободных траекторий нужно было иметь БЦВМ, а ее не было и в ближайшем будущем не предвиделось. Метод параллельного наведения, при котором процесс управления разбивается на две типовые операции - гашение угловой скорости линии визирования и регулирования относительной скорости по линии визирования - можно реализовать на аналоговых счетно-решающих устройствах. Весь процесс сближения и стыковки должен быть автоматическим - это было решено сразу и категорически [14, с. 110-112]. Несмотря на изменение целевого назначения корабля в процессе разработки концепция приоритета автоматического управления осталась неизменной. Возможность ручного управления, в качестве резервного, предусматривалась только на этапе причаливания с дальности 200-300 м.
  • Совершенно новым, не имевшим аналогов в других областях техники техническим устройством, был стыковочный узел. При поисках принципиальной схемы его устройства было высказано много разнообразных предложений, в том числе фантастических. Например, управленцы во главе с В.П. Легостаевым предложили установить на пассивном корабле петлю, а на активном - крючок, который цеплял бы за петлю и подтягивал пассивный корабль. Точность сближения при этом требовалась небольшая. Однако при очевидной простоте идеи это была сложная конструкторская задача, и разработчики остановились на схеме "штырь-конус". Конкретный вариант конструкции предложил ветеран КБ A.M. Коновалов. После того, как эту схему исследовали специалисты по теории механизмов и машин, к ее окончательной разработке приступила группа конструкторов во главе с B.C. Сыромятниковым (1961 г.) [15, с. 110-112].
  • В конструкции приборной доски и пульта пилота впервые в истории пилотируемой космонавтики был реализован принцип единой системы средств отображения информации и управления, при котором одни и те же средства используются для управления различными бортовыми устройствами и агрегатами.
  • В состав системы средств отображения информации и управления был включен ряд оригинальных приборов, разработанных в СОКБ КТ под руководством С.Г. Даревского и не применявшихся ранее на летательных аппаратах ни в нашей стране, ни за рубежом, в том числе:
  • • командно-сигнальные устройства (КСУ) и командно-сигнальные поля (КСП), в которых используется принцип сжатия командно-сигнальной информации и последовательное (поэтапное) представление ее космонавту;
  • • прообраз будущих дисплеев - комбинированные многофункциональные электронные индикаторы (КЭИ), позволяющие контролировать поэтапно различные системы управляемого объекта и совмещать на одном экране измерительную и телевизионную информацию;
  • • электролюминисцентные сигнальные табло и индикаторы контроля программ и др. [13].
  • Таким образом, система отображения информации и органы управления обеспечивали космонавту возможность управления работой бортовых систем, в том числе управление причаливанием и спуском. Но не более, чем возможность: резервная ручная система АРС для участка ближнего наведения была поставлена на борт в "сыром" виде, резервные ручные методы управления не были разработаны, эффективных вспомогательных средств измерения параметров относительного движения и расчета управляющих импульсов экипаж не имел. Разработчики и руководители полета продолжали следовать принятой догме: система управления должна быть полностью автоматической, а в качестве основной функции космонавта определили контроль за работой бортовых систем.
  • Между тем, к этому времени практика беспилотной отработки космической техники и пилотируемых полетов показала нерациональность такого подхода к определению роли космонавта. Отказ надежно зарезервированной и неоднократно проверенной системы "Чайка" на КК "Восход-2" наглядно продемонстрировал, что абсолютно безотказных технических систем не бывает. Еще более убедительный пример - первый этап ЛКИ корабля "Союз". После выхода на орбиту 7К-ОК № 2 потерял устойчивость в канале крена и израсходовал все топливо ДПО. Нерациональное построение топливных магистралей СКДУ (реактивные двигатели систем исполнительных органов СКД и ДКД имеют свои топливные баки и работают на разных компонентах) исключало возможность спуска на основном двигателе с использованием топлива СИО ДКД. Тест дублирующей двигательной установки ДКД показал, что при включении автоматического цикла корабль ориентируется не на торможение, а на разгон, т.е. ни основной, ни дублирующей системой воспользоваться было невозможно. Для спуска КК с орбиты на землю была разработана процедура набора тормозного импульса "малыми дозами" с помощью команд, подаваемых по КРЛ. Процедура, по выражению Б.Е. Чертока, была мучительной и заняла почти двое суток [6, с. 419], но достаточный тормозный импульс так и не был набран. Если бы на борту корабля был космонавт, он мог взять на себя функции отказавших систем и тем спасти корабль и программу испытаний (собственно, такой подход и был принят в программе "Меркурий" вынужденно, в программе "Джемини" - целенаправленно),
  • В.М. Комаров самым убедительным образом подтвердил: космонавт способен эффективно резервировать отказавшие автоматические системы. На орбитальном участке его трагического полета возникли аварийные ситуации, которые поставили под угрозу возможность схода корабля с орбиты: нераскрывшаяся панель солнечной батареи закрыла солнечно-звездный датчик основной системы ориентации, и она была выключена из работы, а резервная система на ионных датчиках давала сбои. Вследствие этого при попытке схода с орбиты автоматика выдала команду "запрет СКДУ". Для того, чтобы все-таки столкнуть корабль с орбиты, на Земле был разработан весьма непростой алгоритм ручного управления: на освещенной стороне орбиты сориентировать корабль "по-самолетному", затем развернуть на 180° в положение "по-посадочному" и перед входом в тень застабилизировать на гироскопах. По выходу из тени подправить ориентацию, и в расчетный момент включить СКДУ [6, с. 448]. Нечего и говорить, что к такому варианту спуска космонавты не готовились. В этой критической ситуации надежда у руководителей полета была только на космонавта: "Он не молодой летчик-истребитель, а опытный инженер, летчик-испытатель... Теперь возвращение из космоса будет определять не автоматика, а его самообладание, безошибочность действий" [6, с. 446]. Летчик-космонавт В.М. Комаров справился с этой задачей...
  • Это высказывание одного из ведущих разработчиков техники весьма многозначительно; по существу оно означает, что у разработчиков техники начало формироваться понимание необходимости реального подхода к определению роли "человека на борту". Было сделано и прямое признание ошибочности безоговорочной ориентации на автоматику: на заседании Государственной комиссии 8.12.66 г. по результатам полета 7К-ОК № 2 В.П. Мишин сказал: "Если бы мы больше доверяли космонавтам, мы бы уже имели выполненные стыковки" [17, с. 244].
  • Интересно отметить, что развитие систем управления космическими аппаратами шло в направлении, противоположном тому, как развивались системы управления самолетов. На первых типах самолетов управление было полностью ручное. С переходом на реактивный двигатель возросшие скорости полета привели к необходимости автоматизировать многие функции управления. В противоположность этому процесс управления на первых космических аппаратах был полностью автоматизирован, и лишь по мере того, как выяснялись возможности человека, ему стали передаваться отдельные функции управления.
  • На начальном этапе автоматизация в авиации происходила постепенно, имела целью помочь летчику, и не претендовала на то, чтобы заменить его, исключив из контура управления. Однако, когда за рубежом были предприняты попытки автоматизировать весь процесс управления полетом, они сразу встретили упорное сопротивление летчиков, которые выражали опасения, что при автоматическом управлении они могут потерять квалификацию и оказаться беспомощными при отказах оборудования [9, с. 190].
  • Также и космонавты во главе с Н.П. Каманиным с самого начала разработки ПКА "Союз" яростно боролись против "засилья автоматов" (выражение Г.Т. Берегового). "Если Америка с ее более высокой электроникой и радиотехникой отдает пальму первенства в космосе не автомату, а человеку, то нам, имеющим пока более слабую автоматику, сам бог велел отстаивать решающую роль человека в космических полетах. Но вопреки здравому смыслу у нас многие выступают за автоматику и против человека" [17, с. 120]. (Эта запись в дневниках Н.П. Каманина датируется июнем 1962 г.)
  • Тем не менее, разработка абсолютно надежной полностью автоматической системы продолжалась, а недоверие к космонавту оставалось прежним. Перед полетом КК"Союз-5" и "Союз-6" борьба между разработчиками техники и ВВС за ручное управление на этапе причаливания была длительной и тяжелой, несмотря на то, что космонавты тщательно готовились к этой работе. Экипаж В.А. Шаталова в процессе подготовки к полету выполнил около 800 стыковок, но даже и при этом разрешение на ручное причаливание было дано далеко не сразу [18, с. 129].
  • Что сыграло главную роль в нежелании руководителей проекта признать активную роль космонавта? Видимо, здесь действовало несколько факторов.
  • Основным фактором, определившим такую позицию разработчиков, была общая тенденция развития техники 60-х годов - широкое распространение автоматизации управляемых процессов в технических системах различного вида и назначения. Это было объективной закономерностью развития во многих областях техники, обусловленной усложнением управляемых процессов и увеличением скорости их протекания.
  • На объектах ракетно-космической техники необходимость применения автоматического управления диктовалась ее техническими характеристиками и условиями применения. К тому же первоначально "Союз" разрабатывался как составная часть лунного ракетно-космического комплекса для сборки которого на орбите ИСЗ требовалось пять стыковок, четыре из которых должны были выполняться беспилотными аппаратами, т.е. разработка автоматической системы управления сближением и стыковкой была одной из важнейших задач при создании комплекса.
  • К этим объективным факторам можно присовокупить ряд субъективных. Во-первых, как представляется, контур ручного управления казался разработчикам необязательным (зачем ручная система, если есть надежная автоматическая?), и в существовавшей тогда обстановке перманентного аврала эта работа была на втором плане. По высказываниям ветеранов космической техники, ручная система разрабатывалась "по требованию космонавтов". Во-вторых, если основная тенденция, первоначально заложенная в развитие какого-либо вида техники, успешно реализована, она в значительной степени определяет его дальнейшее развитие, что хорошо прослеживается на примере развития пилотируемой космической техники в СССР и США на начальном этапе. Психологически это понятно: есть заделы и технические наработки, заложенные в развитие интересной и сложной научно-технической задачи, и стремление реализовать их вполне естественно.
  • Представляется, что здесь сыграл роль еще один сугубо психологический фактор. В психологии существует такое понятие, как самоотождествление человека с объектом (результатом) своего труда, и можно предположить, что это явление здесь имело место. Люди, создававшие космическую технику работали с небывалой самоотдачей и самоотверженностью, каждое конструкторское и техническое решение, каждая система корабля, вплоть до последней гайки, были ими в буквальном смысле выстраданы. А при наличии контура ручного управления между системой и ее разработчиками вводилось дополнительное звено - космонавт или, по современной терминологии, эксплуатант. Доверить свою систему - результат напряженной и вдохновенной работы - другому человеку было психологически сложно, казалось, что надежнее сделать автомат, довести его до совершенства, и пусть он сам работает в полете.
  • Сторонники и противники автоматизации в этот период вели острые дискуссии, которые в основном лежали в плоскости обсуждения преимуществ и недостатков автоматических и ручных систем управления [см., например, 9, 19, 20]. Аргументы в пользу автоматических систем были достаточно весомыми: автоматические системы превосходят человека по быстродействию и точности, могут работать в неблагоприятной среде, им неведомы стрессовые состояния и усталость и т.п. Между тем, к началу 1967 г. в Институте авиационной и космической медицины было выполнено несколько сотен летных экспериментов, в которых исследовался вопрос рационального распределения функций между человеком и автоматикой, и был сформулирован принцип "активного оператора", разработаны основные положения концепции так называемого совместного, т.е. полуавтоматического управления. Было проведено более тысячи стендовых экспериментов по обоснованию целесообразности ручного управления стыковкой [9, с. 64-67].
  • Однако разработчики технических систем не проявили достаточного внимания к результатам исследований в этом направлении, и это привело к тому, что при автоматизации процессов управления, в том числе и на летательных аппаратах, возобладал машиноцентрический подход -считалось, что надежность и эффективность функционирования пилотируемого летательного аппарата целиком и полностью определяется надежностью технических систем, а содержание процесса автоматизации управления представлялось как полная замена человеческой деятельности работой технических устройств. Кроме того, на этом этапе представлялось, что надежность автоматической системы всегда выше, чем системы с включенным в контур управления человеком. При этом упускалось из виду, что система "человек-самолет", а тем более "человек-космический аппарат" не является автономной, в управлении полетом участвуют наземные технические средства и наземный персонал, надежность которых в расчет не принималась. Упускалось также из виду, что процессы управления на летательных аппаратах имеют существенные отличия от таковых в наземных человеко-машинных системах. Если на Земле при отказе автоматики возможно временное прекращение работы системы для восстановления ее работоспособности, то в полете это невозможно.
  • К тому же при использовании автоматических систем на летательных аппаратах со все большей очевидностью обнаруживалась их ограниченность. Автоматические системы могут воспринимать только специальным образом закодированные сигналы; ни одна автоматическая система не может работать при неполной или искаженной информации; ни один автомат не способен решить задачу, которая возникла впервые. Автоматические системы не способны взять на себя интеллектуальные функции человека и решать эвристические задачи, неизбежно возникающие при выходе из непредвиденных нештатных ситуаций. Попытки создать полностью автоматическую систему управления приводят к тому, что приходится резервировать контуры управления, иногда многократно, и все равно, область их применения остается ограниченной, хотя сложность систем, габариты и вес возрастают.
  • Именно в упорном стремлении советских конструкторов создать автоматическую систему управления сближением и исключить из контура управления космонавта Н.П. Каманин видел причину нашего отставания от американцев во второй половине 60-х годов. «Наши конструктора делают упор на автоматизацию. Мы настаиваем на создании кораблей, на которых отводилась бы более активная роль космонавтам. Мы считаем, что такие корабли проще, дешевле, а главное, на их создание требуется меньше времени. Это наглядно видно из сравнения "Союза" с "Джемини", постройка которых началась практически одновременно. Сейчас особенно хорошо видны просчеты в идеологии стыковки в космосе, предотвратить которые мы безуспешно пытались в течение четырех лет. На "Джемини-6, -7" все операции по сближению и стыковке астронавты выполняют вручную - это и позволило им опередить нас» [17, с. 244].
  • Последующий опыт первых советских экспериментов по стыковке подтвердил обоснованность борьбы космонавтов против "засилья автоматов". Отказов автоматических систем было много, и ни в одном случае при отказе автоматики процесс сближения и стыковки завершить не удалось.
  • Первая стыковка с ручным управлением на этапе причаливания не состоялась из-за нарушения эргономических требований при проектировании. Г.Т. Береговой 26-30 октября 1968 г. на корабле "Союз-3" сблизился до касания с беспилотным "Союзом-2", однако стыковка не прошла, так как пассивный корабль оказался развернут по крену на 180°, а никакой индикации положения "верх-низ" на пассивном корабле не было. На тренировках такая ситуация не отрабатывалась, процесс причаливания всегда начинался при правильной взаимной ориентации объектов.
  • Вторая стыковка ("Союз-5, -6") была успешной. С расстояния 100 м В.А. Шаталов осуществлял ручное управление причаливанием.
  • В полете "Союзов-6, -7, -8" 11-16 октября 1969 г. на дальности 1 км отказала РТС измерения параметров относительного движения "Игла". С этого расстояния можно было стыковаться вручную, однако экипаж не получил разрешения Земли. Когда разрешение на ручную стыковку было получено, корабли уже разошлись на 3 км. При следующем сближении кораблей в процессе орбитального полета на дальности 1700 м экипаж сделал попытку состыковаться, но из-за отсутствия вспомогательных ручных средств для измерения параметров относительного движения стыковка не состоялась. «В "Союзе" все рассчитано на безупречную работу автоматики, и когда она отказывает, космонавты остаются без надежных средств управления». [21, запись от 15.10.69.] При этом ответственность за срыв программы возлагалась на космонавта (так же, как при летных происшествиях - на летчика). При полете ПКА "Союз-15" (Г.В. Сарафанов, Л.С. Демин, 26-28.8.1974 г.) в процессе автематического сближения со станцией "Салют-3" автоматика СКДУ вместо тормозного импульса отрабатывала разгонный. Экипаж запрашивал разрешение на повторную попытку причаливания в ручном режиме, но Земля разрешения не дала. И тем не менее, в том, что стыковка не состоялась, был обвинен экипаж. Это противоречит логике: ответственность на человека можно возлагать в том случае, когда он имеет свободу действий. А советские космонавты были жестко ограничены в своих действиях бортовой инструкцией и указаниями Земли. "Самодеятельность исключается", - пишет В.А. Шаталов [22, с. 153].
  • Кажется парадоксальным такой, хотя и объяснимый факт - американцы, имея более высокий уровень развития электроники и кибернетики, при разработке пилотируемой космической техники ориентировались на человека, а советские разработчики - на автоматику, создавая сложные и дорогостоящие системы на аналоговых элементах и теряя на этом время. Вероятно, это было социально обусловлено: социальное поведение советского человека (элементы которого наблюдаются и в профессиональном поведении) более жестко регламентировано, и инструкции, и указания различного рода (в том числе, можно предположить и для космонавтов) играют весьма значительную роль.
  • Таким образом, в концепции полностью автоматического управления выявились органически присущие ей противоречия: космонавт, которому определены функции контроля и наблюдения, исключен из процесса управления; при этом он должен быть в постоянной готовности взять на себя функции отказавшей системы. Однако, чтобы включиться в процесс управления, космонавт должен, как правило в условиях жесткого дефицита времени, переосмыслить информацию и сформулировать концептуальную модель деятельности в создавшихся обстоятельствах. Для этого необходимы прочные навыки управления в ручном режиме, опирающиеся на опыт не только наземных тренировок, но и выполнения реальных функций управления: условия, в которых космонавту приходится действовать в космическом полете, существенным образом отличаются от условий, в которых он проходит тренировки на Земле. При пассивной роли, которая была определена космонавту, вероятность того, что он сумеет найти и реализовать процедуру выхода из нештатной ситуации, очень невелика. К этому следует добавить, что попытки создать полностью автоматическую систему управления приводят к тому, что приходится резервировать контуры управления, иногда многократно, и все равно область их применения остается ограниченной, хотя сложность систем, габариты и вес возрастают, т.е. здесь имеет место еще одно противоречие - между достигнутым уровнем надежности и стоимостными и весовыми характеристиками аппарата.
  • Указанные противоречия (свойственные главным образом процессу развития советской пилотируемой техники на начальном этапе) высветили неэффективность и неправомерность машиноцентрического подхода к проектированию систем ПКА. Сейчас это противостояние между разработчиками техники и эксплуатантами стало историческим фактом. С современных позиций, оно может казаться незначительным эпизодом, но оно было драматичным, наполнено борьбой идей и мнений, столкновением амбиций и заслуживает своего места в истории развития пилотируемой ракетно-космической техники.
  • В дальнейшем, в соответствии с объективными закономерностями развития техники, эти две противоположные тенденции в распределении функций между человеком и автоматикой сблизились. Опыт пилотируемых космических полетов со всей убедительностью показал, что основная роль пилота - не наблюдение и контроль, а резервирование отказавших элементов систем автоматического управления. Понимание этого привело к созданию автоматизированных или полуавтоматических систем управления, т.е. таких систем, в замкнутый контур управления которых включен человек в качестве активного звена. Это позволяет расширить функциональные возможности системы, в ряде случаев функционально и структурно упростить ее техническую часть и повысить надежность и эффективность выполнения программы. Включение человека в контур управления позволяет успешно локализовать или ликвидировать непредвиденные нештатные ситуации и тем самым повысить безопасность полета.
  • Не подлежит сомнению, что программы "Джемини" и "Аполлон" завершились успешно (несмотря на большое число нештатных и аварийных ситуаций) исключительно благодаря тому, что развитие пилотируемой космической техники в США с самого начала шло по пути создания систем полуавтоматического управления с предоставлением астронавтам решающей и руководящей роли в управлении (система управления ПКА "Джемини" уже была полуавтоматической, а система управления КК "Аполлон" была построена таким образом, что один астронавт мог выполнить все операции, необходимые для возвращения с любой точки лунной орбиты, независимо от получения информации с Земли [23]).
  • Полуавтоматические системы - это и есть та "золотая середина", к которой советская и американская космонавтика подошли с разных сторон: советская - от приоритета автоматических систем, американская - от приоритета ручных.

    ЗАКЛЮЧЕНИЕ

  • Как показал проведенный анализ, на развитие пилотируемой космической техники весьма существенное влияние оказали такие факторы, как социально-политическая обстановка; состояние массового общественного сознания; принятая в данном научно-техническом сообществе парадигма мышления - "личностный фактор". Следует отметить, что влияние этих (внетехнических) факторов сказалось в значительно большей степени, чем факторов чисто технических.
  • Пилотируемая космическая техника развивалась в условиях военно-политического противостояния двух великих держав и "космической гонки", причем именно пилотируемая космонавтика стала ареной показательных боев, в которых две великие державы демонстрировали свое могущество. Это обстоятельство имело два важных следствия. "Космическая гонка", во-первых, обеспечила привлечение огромных средств к разработке пилотируемой космической техники, что безусловно сыграло положительную роль в ее развитии; во-вторых, обусловила чрезвычайно сжатые сроки на создание техники.
  • Масштабность и уникальная новизна задачи, которую нужно было решить в беспрецедентно короткие сроки, потребовала колоссального напряжения и беспримерной самоотдачи от многих тысяч людей, создававших космическую технику. Это было бы невозможно без опоры на менталитет общества. Состояние массового общественного сознания в нашей стране послужило той почвой, на которой оказалось возможно сформировать коллективы с высочайшей мотивацией труда: в системе ценностей у значительной части населения уважение к государственным интересам и готовность к самоотверженной работе на благо общества были приоритетными.
  • Не впадая в большую ошибку, создание пилотируемой космической техники по масштабу задачи и по эмоциональному напряжению, с которым работали люди, можно отнести к великим стройкам коммунизма. Ощущение причастности к великому делу было у людей общим, рождало чувство профессиональной гордости, и это было мощным стимулом самоотверженной работы и залогом успеха. В послевоенные годы "великие стройки коммунизма" поддерживали массовый энтузиазм и в свою очередь поддерживались массовым энтузиазмом (хотя уже и не таким, как раньше).
  • Противостояние с остальным миром, который воспринимался как враждебный и опасный, способствовало формированию у человека ощущения причастности ко всему, что происходит в стране; отсюда берет свои истоки азарт космической гонки, захвативший впоследствии едва ли не всю страну (в эти годы в массовом сознании тип "болельщика" был достаточно распространенным). Это поддерживало социальный заказ и было одной из составляющих успеха.
  • Однако, несмотря на творческий подъем и энтузиазм, сжатые сроки во многих случаях заставляли обходиться доступными на данный момент техническими решениями, и это отрицательно повлияло не только на летно-технические характеристики кораблей в целом, но и на характеристики отдельных систем. В наибольшей степени это сказалось при решении проблем обеспечения безопасности и при разработке системы управления.
  • Парадигму, принятую в научных и инженерно-технических сообществах, скорее следует отнести к техническим факторам, однако здесь присутствует социальная компонента: на ее формирование значительное влияние оказывают социальные условия и стереотипы общественного сознания. Следует сказать, что на начальном этапе развития космонавтики преобладал стереотип технократического сознания, и это определило характер концептуальных подходов к решению технических проблем.
  • Автор берет на себя смелость предположить, что истоки технического сознания следует искать в социально-политической обстановке в нашей стране в годы индустриализации, когда посредством ручного труда огромных масс людей за короткий исторический период и практически с нуля была создана мощная промышленность. Это был вопрос выживания молодого государства, и пропаганда постаралась внедрить эту мысль в сознание людей. В результате техника в массовом общественном сознании заняла главенствующее положение, а отдельный человек был лишь ничего не значащим "винтиком" огромного механизма. В период великих строек коммунизма этот стереотип сознания укрепился под воздействием пропаганды и авторитарного характера управления на всех уровнях.
  • Принцип коллективизма и отрицание ценности отдельной человеческой личности, которые были значимыми компонентами общественного сознания, обусловили тотальное недоверие к человеку в нашем обществе. Это недоверие проявилось в принятой для ПКА "Восток" и оставшейся неизменной при разработке нового корабля "Союз" концепции приоритета автоматического управления: при технократическом типе сознания предпочтение всегда оказывается технике.
  • Ни в каком другом виде техники в процессе его становления и развития личностный фактор не играл такую роль, как в космонавтике. Сама возможность создания пилотируемой техники в имевшей место социально-политической обстановке в значительной (если не определяющей) степени была обусловлена техническим и организаторским талантом С.П. Королева и других руководителей программы. Ни щедрые ассигнования, при приказы сверху не принесли бы успеха, если бы в обществе не сформировались такие личности, как С.П. Королев и его соратники.
  • Личностный фактор на начальном этапе сыграл значительную роль в определении последующих шагов в развитии пилотируемых программ. Сейчас кажется очевидным, что ключевые моменты развития пилотируемой космонавтики определяла естественная логика хода событий: орбитальный полет - полет экипажа - выход в открытое космическое пространство - создание орбитальной станции. С.П. Королев благодаря своей гениальной интуиции сумел поставить вехи на поворотных точках развития космонавтики, и определенный им и его соратниками путь совпал с естественной логикой развития.
  • Подтверждением влияния субъективного фактора на ход развития программ могут послужить лунные программы - нереализованная СССР и реализованная в США.

    ЛИТЕРАТУРА

  • 1. Ракеты-носители США: Обзор по материалам иностранной печати. М., 1967.
  • 2. Astronautics-Aeronautics. 1964. Vol. 2. N 11.
  • 3. Space Aeronautics. 1964. Vol. 41, N 6.
  • 4. Чемберлин Дж. Спутник "Джемини" // Пилотируемые космические корабли. М., 1968. С. 360-370.
  • 5. Додсон Дж. Пиротехника // Там же. С. 257-267.
  • 6. Черток Б.Е. Ракеты и люди: Горячие дни холодной войны. М., 1997.
  • 7. Желтова Е.Л. Основные причины перехода от аналоговой к цифровой технике в пилотажно-навигационном оборудовании гражданских самолетов США // Из истории авиации и космонавтики. М., 1985. Вып. 52. С. 112-126.
  • 8. Уайсмен Д. Распределение электроэнергии и программное управление // Пилотируемые космические корабли: Проектирование и испытания. М.,1968. С. 223-233.
  • 9. Береговой Г.Т., Завалова Н.Д., Ломов Б.Ф., Пономаренко В.А. Экспериментально-психологические исследования в авиации и космонавтике. М., 1978.
  • 10. Динз Ф. Системы аварийного спасения // Пилотируемые космические корабли. М., 1968.
  • 11. Береговой Г.Т. и др. Моделирование систем полуавтоматического управления космических кораблей. М., 1986.
  • 12. Бобков В.Н., Тимченко В.А. Космические корабль "Союз" и его последние модификации // Докл. на X Международ. симпоз. по истории авиации и космонавтики. М., 1995.
  • 13. Даревский С.Г. Космонавтика и авиация: Их взаимодействие при подготовке первых космонавтов // Гагаринский сборник. Гагарин, 1988. С. 61-69.
  • 14. Черток Б.Е. Ракеты и люди, М., 1995.
  • 15. Феоктистов К.П., Бубнов И.Н. О космолетах. М., 1982.
  • 16. Рабочая тетрадь летчика-космонавта СССР В.М. Комарова // ММГ/П-ОФ-13/14.
  • 17. Каманин Н.П. Скрытый космос. М., 1995. Кн. 1.
  • 18. Каманин Н.П. Скрытый космос. М., 1997. Кн. 2.
  • 19. Хрунов Е.В., Хачатурьянц Л.С., Попов В.А., Иванов Е.А. Человек-оператор в космическом полете. М., 1974.
  • 20. Кубасов В.Н., Таран В.А., Максимов С.Н. Профессиональная подготовка космонавтов. М., 1985.
  • 21. Каманин, Н.П. Дневники. Рукопись.
  • 22. Шаталов В.А. Трудные дороги космоса. М., 1981.
  • 23. Чаувин Л., Джонсон К. Отсеки экипажа и оборудование космического корабля "Аполлон" // Пилотируемые космические корабли. М., 1968. С. 370-383.
  • 24. Пономарева В.Л. Особенности развития пилотируемой космонавтики на начальном этапе //Из истории ракетно-космической техники. М., 1999. Вып. 3. С. 132-167.

    Ф.А.ЦАНДЕР И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ (БСЖО)
    О.Г. Газенко

    1. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ИДЕИ

  • Весьма примечательно, что в трудах основоположников космонавтики, помимо разработки проблем космических летательных аппаратов, видное место уделялось человеку и способам его жизнеобеспечения в полете.
  • Не менее примечательным является и то обстоятельство, что имелось в виду построение систем жизнеобеспечения экипажа на основе биологического круговорота веществ. Такой подход был предложен К.Э. Циолковским в его работе, опубликованной в 1911-1912 гг.: "Как все существующее на Земле живет одним и тем же количеством газов, жидкостей и твердых тел, которое никогда не убывает и не прибывает (не считая падения аэролитов), так и мы можем вечно жить взятыми нами запасами материи" [1, с. 128].
  • В отличие от К.Э. Циолковского, который полагал, что его работа "...далеко не рассматривает всех сторон дела и совсем не решает его с практической стороны..." [2], Ф.А. Цандер, помимо теоретических исследований, активно проводил и экспериментальные работы. По сообщению Г.И. Морозова, тетрадь № VI обширного архива Ф.А. Цандера, хранящегося в Академии наук, озаглавлена: "О возможности жить неограниченное время герметически закрыто, получая извне лишь энергию" (Архив РАН, ф. 573, оп. 1, д. 13) [3]. Эта значительная по объему тетрадь содержит стенографические записи размышлений и экспериментов, которые он заносил в нее с 1916 по 1931 год.
  • По свидетельству исследователей архива, в этих материалах, помимо рассмотрения принципиальных проблем СЖО, приводятся расчеты по регенерации атмосферы в корабле с использованием поглотителей СО2 в виде щелочных соединений. Наиболее подробно Ф.А. Цандер обсуждает проблему использования высших растений в СЖО и "приспособление оборудования для условий космического полета и для возможности размещения его в межпланетном корабле". Эти установки для растений он назвал "оранжереями авиационной легкости". Рассматривалось использование таких растений, как: редис, капуста, салат, морковь и арбуз. В качестве субстрата для выращивания растений Ф.А. Цандер сопоставлял между собою почвы различного состава, обогащенные экскрементами человека, а также метод аэропоники [3].
  • Приходится сожалеть, что богатое творческое наследие этого замечательного пионера космонавтики до сих пор остается во многом нерасшифрованным и поэтому недоступным научной общественности. Это обстоятельство затрудняет оценку общего объема исследований, предпринятых Ф.А. Цандером в области СЖО, и анализ развития его идей и подходов к проблеме.
  • Как об этом сообщил Я.П. Страдынь [4], еще в рижский период жизни Ф.А. Цандер, рассматривая перспективы межпланетных космических полетов, 10 ноября 1907 г. в заметке "Вопросы строительства космического корабля" (Архив РАН, ф. 573, оп. 2, д. 3, п. 79) включил в перечень многих вопросов, подлежащих рассмотрению, такие, как "Вещества, поглощающие углекислоту и другие возникающие газы. Регенерация кислорода. Переработка отходов: садик в космическом корабле?" [4, с. 15].
  • В статье Г.И. Морозова "Некоторые сведения о записях Ф.А. Цандера по проблемам жизнеобеспечения в космическом полете", имеется указание на то, что "сестра Цандера М.А. Юргенсон-Цандер вспоминает [5], что он размышлял о том, какие растения лучше всего способны очищать воздух в кабине космического корабля, и остановил свой выбор на земных овощах с большой площадью зелени - салате, капусте, луке. На веранде своего дома Цандер проводил опыты по выращиванию этих овощей" [5].
  • По-видимому, как отмечает Г.И. Морозов, это были первые в истории экспериментальные исследования проблем создания систем жизнеобеспечения. К сожалению, точной датировки этих работ сделать пока невозможно, кроме того, что они относятся к рижскому периоду жизни Ф.А. Цандера (т.е. до 1915 г.).
  • Широта охвата проблемы БСЖО Ф.А. Цандером хорошо просматривается в оглавлении-конспекте, запланированной им книги - ''Перелеты на другие планеты: первый шаг в необъятное мировое пространство (теории межпланетных сообщений)", составленном в середине 20-х годов. Это оглавление-конспект состоит из 12 разделов. В книге Ф.А. Цандера [6] одиннадцатый раздел посвящен проблемам СЖО:

    "XI. Оранжереи авиационной легкости и круговой процесс для поддерживания жизни в герметически закрытом помещении на межпланетном корабле, на межпланетной станции, на Луне, на другой планете, обладающей атмосферою.

  • 1) Количество кислорода, необходимое для дыхания, количество выдыхаемой углекислоты; получение кислорода из оранжереи, использование углекислоты для оранжереи. Конструкции для отделения и связи оранжереи с жилым помещением.
  • 2) Количество и состав ежедневно необходимой пищи.
  • 3) Выращивание растений в чистом кислороде и
  • а) в удобренном, толченом древесном угле;
  • б) в питательной жидкости;
  • в) в пространстве, в котором распылителем разбрызгивается питательная жидкость;
  • г) в случае, если из капельницы на корни пускается питательная жидкость.
  • 4) Приготовление удобрения и питательного раствора; применение методом аэрации сточных вод.
  • 5) Опыты, произведенные до сих пор.
  • 6) Первые опыты, произведенные автором.
  • 7) Конструкции и расчет воздухонепроницаемых одежд.
  • 8) Об использовании отбросов для вскармливания домашней птицы, рыб или животных." [6, с. 41-42].

    Следует заметить, что тему жизнеобеспечения в космосе не обошли своим вниманием и другие пионеры космонавтики, правда, не в таких масштабах и не с такой глубиной, как это имело место в трудах К.Э. Циолковского и Ф.А. Цандера.

  • Так, например, Р. Эсно-Пельтри (1912 г.) полагал, что жизнеобеспечение экипажей космических кораблей может быть осуществлено на основе методов, разработанных для подводных лодок, но не развил эту идею [7].
  • Еще лаконичнее эту тему затрагивает Г. Оберт (1923 г.), указывая на то, что для очистки атмосферы корабля от нежелательных примесей возможно использование метода вымораживания [8]. Кроме того, у этих авторов мы не находим каких-либо указаний на использование биологических методов жизнеобеспечения.
  • Таким образом, естественно признать, что К.Э. Циолковский и Ф.А. Цандер явились основоположниками биологических систем жизнеобеспечения для космических условий, а Ф.А. Цандер, по-видимому, первым в истории начал их экспериментальную разработку.

    2. НА ПУТИ СОЗДАНИЯ БСЖО

  • Нам пока точно неизвестна дальнейшая судьба "эстафетной палочки" проблемы БСЖО, по крайней мере до 1953 г., когда в "Журнале Британского межпланетного общества" появилась публикация Н. Боумена "Использование водорослей для восстановления атмосферы и питания на космическом корабле" [9].
  • В 1954 г. Д. Майерс в американском журнале "Journal Avaiation Medicine" публикует статью "Основные замечания об использовании растений для очистки атмосферы в замкнутой экологической системе" [10].
  • Специфический профиль журналов и время публикаций наводят на мысль, что они связаны с развертыванием работ в области ракетной техники и проведением первых биологических экспериментов на ракетах, осуществленных в США и нашей стране в конце 40-х-начале 50-х годов.
  • С началом космической эры (1957 г.) интерес к космонавтике, исследованию и освоению космического пространства резко возрастает. Ширится круг проблем и задач, привлекающих внимание конструкторов и ученых. Полет человека в космос из далекой мечты превращается в его практическую подготовку. Для организации жизнеобеспечения человека в полете было решено использовать запасы воды и пищи, а для очистки и восстановления атмосферы в кабине применить надперекисные соединения щелочных металлов и угольные фильтры.
  • В "гонке со временем" такое решение казалось самым простым и надежным. Однако из поля зрения не были исключены и биологические принципы организации СЖО. В 1959 г. А. Генин, А. Ничипорович и Е. Шепелев начинают планировать и осуществлять исследованиям области создания БСЖО. Почва была подготовлена не только хорошо продвинутыми вперед исследованиями по альгологии, но и серьезным теоретическим фундаментом.
  • В этом смысле показательно письмо Н.В. Тимофеева-Ресовского В.Н. Сукачеву 7 июня 1960 г. «Сегодня, в день Вашего восьмидесятилетия, в докладе, прочитанном мною в Научно-исследовательском испытательном институте авиационной и космической медицины (в 10-м отделе), я позволил себе, изложив теоретические основы Вашего учения о биогеоценозах, предложить новое, но естественно вытекающее из Вашей биогеоценологии, понятие "искусственного замкнутого биогеоценоза в космосе". Это та естественно вытекающая из Вашего учения о биогеоценозах форма сообщества, которую мы должны создать сейчас (с включением аутотрофных организмов, создающих необходимый кислородный режим) для осуществления в ближайшем будущем длительных полетов человека в космосе; в этом замкнутом сообществе будущего будут участвовать специально отселекционированные гармоничные биоценозы из форм, полученных методами радиационной селекции и экспериментальной биогеоценологии» [11].
  • Эти соображения Н.В. Тимофеева-Ресовского связывают идею, высказанную К.Э. Циолковским и Ф.А. Цандером, с прочной естественнонаучной базой, развитой в нашей стране в трудах В.В. Докучаева (1886) о "зонах природы", В.И. Вернадского о биосфере (1926) и В.Н. Сукачева о биогеоценозах (1940). Теория космонавтики и теория биологии вступили в тесный контакт, во многом определивший дальнейшее развитие проблемы биологических систем жизнеобеспечения человека в космосе,
  • В последующем исследования развивались по четырем основным направлениям:
  • 1 - поиск и оценка физиологических характеристик организмов, перспективных для использования в системах жизнеобеспечения;
  • 2 - исследование комплекса факторов среды обитания, обеспечивающих оптимальную продуктивность и устойчивость популяций;
  • 3 - разработка технологии непрерывного культивирования организмов в замкнутых системах (рециркуляция);
  • 4 - моделирование экспериментальных биоценозов, включающих человека, и исследование их функциональных характеристик.
  • В общем виде задача построения БСЖО сводится к организации такого сообщества живых организмов (биоценоза), которое в процессе своего взаимодействия образует заданное количество кислорода, воды и пищи, необходимое для удовлетворения текущих потребностей человека с одновременным использованием отходов его жизнедеятельности.
  • Исследования в этом направлении в основном развивались в нашей стране и Соединенных Штатах, однако очень неравномерно. Если представить динамику интереса к проблеме и объем выполненных работ в виде некой кривой, то в нашей стране первый подъем приходится на 60-е годы, а второй - больший - на 80-е. В Соединенных Штатах после активного периода, приходящегося на 50-60-е годы, интерес к проблеме резко снизился, и, no-существу, восстановление исследований по проблеме БСЖО пришлось на конец 80-х и 90-е годы. Следует также отметить, что к разработке проблемы со временем подключились исследователи Болгарии, Словакии, Германии, Японии и других стран. Естественно, что работа началась с отбора таких форм организмов, которые можно было бы считать наиболее перспективными кандидатами для биологических звеньев БСЖО.
  • В результате проведенных исследований наиболее продвинутым оказалось фотоавтотрофное звено БСЖО, представленное одноклеточными водорослями и меньше - высшими растениями. Особенно это касается водорослей рода хлорелла. Совершенствование технологии выращивания одноклеточных водорослей (освещение, температура, питание, плотность суспензии и т.п.) привело к впечатляющим результатам. Так, если в ранних экспериментах для обеспечения газообмена одного человека требовалось до 200-500 л и более суспензии, то в настоящее время - на порядок меньше, и это не оказалось пределом, Г.И. Мелешко удалось снизить эту величину еще на порядок, и для обеспечения человека кислородом оказалось достаточным всего 2 л суспензии.
  • Помимо основной функции хлореллы - поглощения углекислоты и обогащения атмосферы кислородом - представлялось заманчивым использовать ее нарастающую биомассу в качестве продукта питания.
  • Исследования, предпринятые на животных, а также с участием людей, показали, что введение хлореллы в рацион питания ограничивается неадекватным содержанием в ней основных пищевых веществ и весьма плотной оболочкой клеток.
  • Исследования показали также, что существуют резервы в совершенствовании технологии использования водорослей. Это касается не только поиска новых видов организмов, но и направленного изменения физиологических характеристик хлореллы. Так были испытаны мутантные формы водоросли, осуществлены такие режимы ее культивирования (питание, температура и т.п.), которые приводили к получению более приемлемых характеристик биомассы (работы В.Е. Семененко и др.). Исследования в этом направлении продолжаются.
  • Следует указать на большой объем работы, выполненной Е.Я. Шепелевым и его сотрудниками в ИМБП по созданию модели БСЖО на основе фотосинтеза одноклеточных водорослей. Автотрофные-гетеротрофные водные системы, включающие водоросли и сопутствующие им микроорганизмы, оказались весьма устойчивыми и надежно функционирующими в течение продолжительного времени. Основным недостатком этих систем явилась малая замкнутость трофической цепи в системе - возможность использования человеком лишь 10% биомассы хлореллы от общего объема рациона. Предполагалось, что высшие растения по доле своего участия в общем круговороте веществ будут составлять основную часть фотоавтотрофного звена БСЖО. Вместе с тем, как оказалось, их роль в качестве функционального звена целостной биологической системы изучена много меньше, чем роль одноклеточных водорослей.
  • Многочисленные исследования в основном проводились на культурных растениях (овощных, бобовых и злаковых), но пока еще не привели к определенному отбору кандидатов в "космическую оранжерею". В неполном списке этих кандидатов представлены: капуста, салат, морковь, картофель, батат, бобы, фасоль, пшеница, рис, лук и укроп, не считая некоторых экзотических растений.
  • Кроме регенерации атмосферы, высшие растения способны обеспечить растительную часть питания человека. Были разработаны критерии для отбора растений: высокая удельная продуктивность, совместимость с другими звеньями СЖО и с человеком, технологичность культивирования, устойчивость к воздействию экстремальных факторов среды.
  • В качестве примера успешного результата работ с высшими растениями сошлемся на данные Ф. Солсбери (1989 г.).
  • При освещении на уровне заатмосферного излучения Солнца (2 ккал/м2 в 1 мин интегрального излучения), предельно допустимой плотности посадки растений, повышенного уровня содержания углекислоты в воздухе, однако совместимом с требованиями человека, и оптимальных физических условиях среды (температура, влажность) получен урожай короткостебельной пшеницы 60 г/м2 в сутки, что в 4 раза превышает рекордные урожаи в сельском хозяйстве. При этом коэффициент полезного урожая (доля съедобной биомассы) составила 45% [12].
  • Для обеспечения потребностей одного члена экипажа космического корабля при такой удельной продуктивности потребуется 13 м2 площади посева, а для лунной базы с учетом освещенности на поверхности Луны 40-50 м2 на человека.
  • Примечательно, что авторы цитируемых исследований считают, что продуктивность пшеницы может приблизиться к продуктивности одноклеточных водорослей, однако достигнуть такой урожайности для риса и сои проблематично. Они являются короткодневными культурами и требуют большого периода темноты, что уменьшает их продуктивность. При разработке проблемы "высшие растения для БСЖО" значительное внимание было уделено решению многочисленных технологических задач, связанных с культивированием растений применительно к специфическим требованиям космической техники. Были разработаны конвейерные методы выращивания ("раздвижные посевы"), опробованы различные методы корневого питания растений в грунтах различного состава, а также аэропоника и гидропоника. Исследованы различные режимы выращивания растений с включением в систему человека и определением роли и значения антропогенных примесей к атмосфере. При этом оказалось, что в замкнутых системах не всегда удается воспроизвести урожаи, полученные ранее в негерметичных вегетационных установках.
  • Словом, по мере движения вперед и накопления опыта возникают новые проблемы, требующие анализа и решения. Завершая рассмотрение автотрофных организмов, укажем еще одно направление этих исследований.
  • Менее всего разработанным оказалось гетеротрофное звено БСЖО. В настоящее время относящиеся к этому вопросы находятся на стадии теоретического рассмотрения и сравнительно небольшого объема наземных и летных экспериментов.
  • Из обширного царства животных - от простейших до млекопитающих - помимо грызунов, более обстоятельно исследованы три представителя этого царства: безраковенные моллюски, рыбы и птицы.
  • Поскольку полноценный пищевой рацион человека требует включения полноценного животного белка, то это звено БСЖО, по-видимому, сохранится в поле зрения исследователей. Считают, что предпочтительными кандидатами являются животные с относительно небольшой собственной массой (соответственно высокой скоростью метаболизма), но в достаточном количестве, что обеспечит надежность звена при случайной гибели отдельных особей.
  • Важным источником информации для продуманного построения гетеротрофного звена БСЖО являются многочисленные опыты, проведенные на биоспутниках и других космических кораблях с самыми различными представителями животного мира Земли. Результаты этих исследований могут быть вплетены в ткань разработки проблемы, поскольку указывают на то, что состояние невесомости оказывает заметное влияние на их физиологический статус и резко меняет индивидуальное двигательное поведение высокоорганизованных животных, затрудняя их контакт с кормом. Таким образом, возникают новые технологические проблемы, ожидающие своего решения.
  • По мере развития исследований, связанных с построением отдельных звеньев БСЖО, и попыток их замыкания, естественно, учитывались и использовались успехи в общей биогеоценологии и методах математического моделирования сложных систем. Однако темпы этих исследований заметно отставали от хода экспериментальных разработок с реальными объектами.
  • Этот разрыв пытались преодолеть Е.Я. Шепелев, И.И. Гительзон, А.Б. Рубин и их сотрудники в содружестве с математиками (Ю. Свирежев, В. Вериго и др.), что в немалой степени способствовало успешному переходу к созданию действующих наземных моделей БСЖО.

    3. НЕКОТОРЫЕ ИТОГИ

  • Не близок и часто труден путь от идеи до воплощения ее в жизнь. Первые опыты по созданию систем "водоросли-животные" и "водоросли-человек" были кратковременны и неудачны. В американских опытах использовались лабораторные грызуны и обезьяны, в русских - грызуны и собаки. Продолжительность опытов составляла немногим более 1,5 суток, и они обычно прекращались из-за накопления в атмосфере углекислого газа.
  • Специального упоминания заслуживает первая в истории попытка регенерации атмосферы герметической кабины, в которой находился человек с помощью простого по конструкции водорослевого биореактора. Этот опыт, продолжавшийся немногим более суток, поставил на себе Е.Я. Шепелев летом 1960 г.
  • Несмотря на то, что упомянутые опыты завершались преждевременно, они ясно продемонстрировали принципиальную возможность реализации идеи БСЖО.
  • По мере накопления опыта и расширения знаний удалось создать несколько прототипов биологических систем жизнеобеспечения, способных обеспечить пребывание в них человека в течение нескольких месяцев. Этот результат в основном, явился заслугой отечественной науки (Е.Я. Шепелев, Г.И. Мелешко, И.И. Гительзон и др.).
  • Конкретным, притом несомненно крупным итогом работ по созданию функциональных моделей БСЖО является то, что такие модели осуществляют полную регенерацию атмосферы, воды, утилизацию до 95-99% углекислоты и воспроизводство 10-26% пищи.
  • Важно подчеркнуть, что регулирование процессов внутри системы осуществлялось за счет собственных механизмов регуляции при минимальном управлении системы извне. Вместе с тем, в этих системах БСЖО не удалось еще реализовать в необходимом объеме регенерацию пищи для человека и таким образом полностью замкнуть круговорот веществ с включением в систему высших растений и гетеротрофных организмов.
  • Другим важным итогом явилось осознание того, что биологические и физико-химические системы жизнеобеспечения не альтернативны друг другу. Сочетание этих двух систем позволяет полнее, качественнее и эффективнее выполнять функции жизнеобеспечения человека в космосе. Это справедливо именно для первых этапов создания БСЖО, когда структура этих систем не отличается достаточной полнотой биологических звеньев и технологические процессы нуждаются в дополнительных физико-химических процедурах.
  • Именно на этом направлении предполагается реализация масштабного американского проекта CELSS (управляемые экологические системы жизнеобеспечения) для космических аппаратов следующего поколения. Работа строится на международной основе с привлечением крупных средств. Можно надеяться, что она окажется успешной.
  • Однако создание "гибридных" систем такого вида не очень приближает нас к основной цели, сформулированной К.Э. Циолковским и Ф.А. Цандером - моделирование БСЖО, как относительно замкнутой экологической системы, поскольку ориентирует на всеобъемлющую функцию внешнего контроля и управления вместо механизмов внутреннего самоуправления, присущих биологическим системам всех уровней организации. Не говоря уже о том, что при этом сохраняется необходимость в запасах пищи и складировании отходов.
  • Проникновение человека в космос no-существу означает его выход за пределы биосферы Земли в среду, несовместимую с жизнью. Удивительно, как прозорливо пионеры космоса сумели предвидеть необходимость создания "биосферы космического корабля", именно биосферы миниатюрной, но подобной земной (искусственный биоценоз), что остается задачей предстоящих работ, которые должны ответить на многие вопросы, такие, как например:
  • 1) насколько можно уменьшать видовое разнообразие в БСЖО по сравнению с природными экосистемами без ущерба для устойчивого их функционирования и покрытия потребностей человека;
  • 2) каков характер и направленность микроэволюционных процессов в популяциях организмов, образующих изолированные биоценозы;
  • 3) наиболее подходящие методы математического анализа динамики замкнутых биоценозов для определения их минимальных вариантов и поведения во времени.
  • Этот список было бы легко продолжить, однако, нетрудно заметить, что ответы на поставленные вопросы нелегко получить из общей экологии, и они потребуют развития ее специального раздела - экология искусственных или антропогенных систем. В этой связи упомянем об известном проекте "Биосфера-2" (США, Аризона), который предусматривал создание полностью замкнутой экологической системы, воспроизводящей основные регионы тропической зоны: от пустыни, саванны и джунглей до болот, пресноводных водоемов и морских мелководий с их естественной флорой и фауной. Проект реализован в виде полностью герметичного сооружения на площади 1,2 га с возможностью пребывания в нем 8 людей, имеющих специальную территорию с сельхоз-угодьями и скотным двором. Первый эксперимент без смены экипажа был рассчитан на 2 года и уже завершен. Ныне работы продолжаются сменными экипажами и преследуют цель изучения взаимодействия между собой различных биотопов и влияния нагрузки, которую производят на эти биотопы деятельность людей, в частности, сельскохозяйственное производство. По мнению авторов проекта (Д. Аллен, М. Нельсон), исследования в "Биосфере-2" в своей перспективе тесно связаны с решением экологических проблем во "внеатмосферных поселениях человека" [12].
  • Следует заметить, что исследования в области искусственных экологических систем не только вносят существенный вклад в биологию и общую экологию, но и способствуют ускоренному осуществлению селекционной работы в интересах сельского хозяйства, позволяют полнее и оперативнее выявить влияние человека на окружающую среду, решить некоторые прикладные задачи, связанные с охраной природы. В этом можно видеть более широкое значение исследований, ориентированных на космическое будущее человечества.
  • Ясно, что цель, поставленную К.Э. Циолковским и Ф.А. Цандером в области биологических систем жизнеобеспечения для космоса, невозможно обойти. Пока достигнуты частные решения, обеспечивающие начальный этап проникновения человека в космос, а настоящее решение проблемы БСЖО еще впереди.
  • Как хорошо заметил Владимир Иванович Вернадский, "научная мысль, как проявление живого вещества, по существу не может быть обратимым явлением - она может остановиться в своем движении, но, раз создавшись и проявившись в эволюции биосферы, она несет в себе возможность неограниченного развития в ходе времени".
  • Это одинаково справедливо как для "полетов на другие планеты", так и для "возможности жить неограниченное время герметически закрыто, получая извне лишь энергию", о чем думал и мечтал Фридрих Артурович Цандер.

    ЛИТЕРАТУРА

  • 1. Циолковский К.Э. Исследование мировых пространств реактивными приборами (1911-1912) // Собр. соч. М., 1954. Т. 2. С. 100-139.
  • 2. Циолковский К.Э. Исследование мировых пространств реактивными приборами (1903) // Там же. с. 73.
  • 3. Морозов Г.И. О работах Ф.А. Цандера в области космических систем жизнеобеспечения // Ф.А. Цандер и современная космонавтика. М., 1976. С.174-175
  • 4. Страдынь Я.П. Рижский период в жизни и деятельности Ф.А. Цандера // Там же. С. 9-16.
  • 5. Морозов Г.И. Некоторые сведения о записях Ф.А. Цандера по проблемам жизнеобеспечения в космическом полете // Там же. С. 183-187.
  • 6. Цандер Ф.А. Проблемы межпланетных полетов. М., 1988.
  • 7. Ветров Г. С. Робер Эсно-Пельтри. М., 1982. С. 97.
  • 8. Оберт Г. Мои работы по астронавтике // Из истории астронавтики и ракетной техники. М., 1970. С. 85.
  • 9. Bowman N.J. The food and atmosphere control problem on space vessel // J. Brit. Interplanet. Soc. 1953. N 12. P. 159-167.
  • 10. Myers J. Basic remarks on the use of planets as biological gas exchangers in a closed system // J. Aviat, Med. 1954. Vol. 25, N 4. P. 407-411.
  • 11. Тюрюканов А.Н., Федоров В.М., Тимофеев-Ресовский Н.В. Биосферные раздумья. М., 1996. С. 183.
  • 12. Мелешко Г., Шепелев Е.Я. Биологические системы жизнеобеспечения. М., 1994.
  • 13. Шепелев Е.Я. Биологические системы жизнеобеспечения // Основы космической биологии и медицины. М„ 1975. Т. 3. С. 277.
  • 14. Allen J., Nelson M. Space Biosphere. Orackle (Ariz.), 1989.

    далее

    назад