Управление космическими и летательными аппаратами

 Работы по космической тематике в Институте были начаты по просьбе С.П. Королёва и В.П. Глушко в 50-х годах, когда под руководством Б.Н. Петрова (1913–1980), тогда молодого д.т.н.,  проф., а впоследствии академика АН СССР, Героя Социалистического труда, Лауреата Ленинской и Государственных премий СССР, проводились исследования системы регулирования первой межконтинентальной ракеты Р-7 и её предваряющей ракеты-лаборатории М5-РД.

Начались исследования с анализа жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) как объекта управления. Эти первые исследования выполнили Ю.П. Портнов-Соколов (ныне д.т.н., проф., заслуженный деятель науки РФ, лауреат Государственных премий СССР), Н.Н. Михайлов и М.В. Пустошкина. В 1953 г. в Институте был выпущен проект в семи томах, в котором были представлены результаты исследований динамики ЖРД на основе полных уравнений движения, получены первые результаты по решению проблемы управления расходованием топлива, проектированию системы опорожнения баков, системы регулирования кажущейся скорости, рассматривались возможные типы исполнительных механизмов в системах управления ракетой. Исполнителями проекта были Ю.П. Портнов-Соколов, член-корреспондент АН СССР, лауреат Государственной премии СССР В.В. Петров (1912–2003), С.В. Емельянов (ныне академик РАН, лауреат Ленинской и Государственных премий СССР и РФ, лауреат премии Совета Министров  СССР),  В.Ю. Рутковский (ныне д.т.н., проф., заслуженный деятель науки РФ, лауреат Государственных премий СССР), Г.М. Уланов (впоследствии д.т.н., проф., лауреат Государственных премий СССР), И.Н. Крутова (ныне д.т.н., проф., заслуженный деятель науки РФ, лауреат Государственной премии СССР) и др.

Проект обсуждался на заседании Комиссии Президиума АН СССР, которое проходило под председательством академика М.В. Келдыша. С докладом выступил руководитель проекта и его непосредственный исполнитель Б.Н. Петров. Работа получила высокую оценку М.В. Келдыша, академика Б.С. Стечкина и первого заместителя С.П. Королёва академика В.П. Мишина.

В 1954 г. Институту автоматики и телемеханики Постановлением Правительства было поручено возглавить исследования в части управления двигательной установкой, разрабатываемой С.П. Королёвым межконтинентальной составной двухступенчатой ракеты Р-7. Научным руководителем этих работ был назначен Б.Н. Петров.

Проблема построения систем управления тягой ЖРД и синхронизации опорожнения баков ракеты сложной архитектуры являлась чрезвычайно актуальной задачей, а её решение сопровождалось немалыми трудностями, которые всегда сопутствуют созданию принципиально новых систем – “с нуля”, без какой-либо предыстории, при полном отсутствии прототипов систем и серьёзных литературных источников.

Работы Б.Н. Петрова и его учеников, посвящённые методологии разработки математических моделей ЖРД, анализу динамики двигателя как объекта управления и исследованию проблемы управляемости ЖРД, имели первостепенное значение. Они составили важнейший раздел теории ЖРД, в который вошло значительное число принципиально новых теоретических задач, возникших при создании ракеты Р-7 и всех последующих крупных жидкостных ракет.

Как динамическое звено, ЖРД стал составной частью систем управления тягой, систем регулирования опорожнения баков и синхронизации расходования топлива в ракетах пакетной архитектуры.

Разработанная Б.Н. Петровым, Ю.П. Портновым-Соколовым, В.Н. Марковым и А.Н. Чацкиным методика электронного моделирования ЖРД на аналоговых ЭВМ (цифровых ЭВМ в те годы попросту не было) существенно ускорила отыскание способов решения проблемы продольной неустойчивости ракеты Р-7. По сути, то был первый проход через настоящую “терра инкогнито”, и отсутствие наработанных путей решения проблемы чрезвычайно мешало дальнейшему прогрессу космонавтики.

Шёл 1958 г., наша страна готовилась к полёту на Луну первой автоматической межпланетной станции “Мечта”, но из-за взрывов ракет при испытательных пусках официальный старт неоднократно откладывался. И вот усилиями большого коллектива учёных и конструкторов природа этой сложнейшей проблемы была, наконец, осмыслена. Являясь источником колоссальной энергии, ЖРД входит в колебательный контур, который включает трубопроводы и конструкцию ракеты. Поэтому при возникновении резонанса разрушалась вся ракета. Разработанная Б.Н. Петровым методика имитационного моделирования ЖРД позволила существенно ускорить поиск причины возникавших катастроф и найти средства их предотвращения.

Глубокое понимание динамики ЖРД и умение выполнить корректное упрощение описывающих её сложных уравнений дали возможность осуществить аналоговое моделирование системы регулирования кажущейся скорости. Оказалось, что из-за наличия в системе регулирования соотношения компонентов топлива ЖРД ряда нелинейностей возникали автоколебания дросселя в магистрали компонента. После того как моделирование системы с ЖРД в замкнутом контуре было завершено, это опасное явление удалось устранить. Впоследствии было выполнено и теоретическое исследование деталей этого феномена. И вновь к искомому результату – осмыслению способов борьбы с автоколебаниями дросселя – привела разумная упрощающая аппроксимация сложных уравнений работы двигателя.

В 1954 г. Правительством был выпущен ряд постановлений в обеспечение процесса создания межконтинентальной ракеты. В частности, было поручено создать беспоплавковые бортовые измерители уровня компонентов высокой точности, предназначенные для установки в системе опорожнения баков. К работе были привлечены многие специализированные организации.

В рамках этой работы, которая в стенах ИАТа велась под руководством Б.Н. Петрова, в Институте был создан эндовибраторный датчик (Л.Г. Палевич, В.А. Викторов – ныне д.т.н., работал в Институте до 1977 г.) и проведены поисковые работы по изучению прототипа емкостной чувствительной точки. Было изучено влияние крайне низких минусовых температур на работу датчика, при этом учитывалась неопредёленность распределения компонентов топлива в баках. Здесь же, в ИАТе, были выполнены первые работы по поиску рациональных характеристик управляющих органов – дросселей системы опорожнения баков и регулирования соотношения компонентов топлива в магистралях ЖРД.

В целом, Б.Н. Петров взял на себя ответственность за идеологию создания принципиально новых терминальных систем управления расходованием топлива ЖРД. За счёт резкого сокращения гарантийных запасов топлива подобные системы существенно повышали энергетику ракеты. Кстати, Б.Н. Петров был научным руководителем работ по таким системам для всех крупных жидкостных ракет, начиная с королёвской Р-7, и для последующих крупных боевых ракет и ракет-носителей космических аппаратов.

В это же время в связи с созданием систем регулирования опорожнения баков и синхронизации расходования топлива, которые являются типичными представителями бортовых терминальных систем управления, Б.Н. Петровым, Ю.П. Портновым-Соколовым, д.т.н. А.Я. Андриенко, к.т.н. В.П. Ивановым и др. были начаты исследования по теория терминального управления, развитию которой посвящён следующий раздел данной главы книги.

В 1952–54 гг. в Институте были получены конструктивные результаты по новой по тем временам системе стабилизации углового положения ракеты пакетной схемы с помощью рассогласования тяг ЖРД боковых блоков (Б.Н. Петров, В.Ю. Рутковский). Идея такого способа управления ракетой была впервые высказана В.П. Мишиным. В то время его идея была встречена довольно прохладно, однако сегодня этот способ управления нашёл самое широкое применение.

В 1980 г. Б.Н. Петров ушёл из жизни. Работы по системам управления ЖРД в Институте возглавил Ю.П. Портнов-Соколов. Под его руководством была завершена разработка общей концепции совершенствования средствами управления энергетических характеристик жидкостных ракет-носителей (РН) (А.Я. Андриенко, В.П. Иванов). Согласно этой концепции, при выведении РН с заданными характеристиками необходимо управлять:

1)    режимом работы двигателей ракетных блоков (тягой и соотношением расходов компонентов топлива);

2)    моментами времени включения и выключения двигателей;

3)    межблочным перетеканием жидкого топлива (в случае гидросвязи между ракетными блоками РН) и др. процессами – с тем, чтобы обеспечить выведение на целевую орбиту полезного груза как можно большей массы.

           При реализации этой концепции было сформировано обширное семейство систем управления расходованием топлива (СУРТ) – свыше пятнадцати типов систем, различающихся по составу используемой бортовой информации, исполнительных органов, бортовых алгоритмов управления и пр. Большая часть этих систем была либо реализована практически при создании РН “Энергия”, “Зенит-2S”, “Зенит-3SL” (для международной программы “Морской старт”) и “Протон-М” (при участии В.А. Жукова, к.т.н. В.К. Завадского и др.), либо нашли отражение в перспективных проектах систем для РН “Ангара”, “Единство”, “Союз-2”, “Ямал”, “Аврора”, “Онега” (В.А. Жуков, В.К. Завадский, к.т.н. А.А. Муранов, к.т.н. А.И. Чадаев и др.).

           На рубеже столетий был выполнен цикл научных работ в обеспечение безопасности средствами управления ракетно-космической техники в соответствии с общепринятой концепцией приемлемого риска, доработанной с учётом специфики объектов (их чрезвычайно высокой энергетической и информационной напряжённости) (А.Я. Андриенко, В.П. Иванов). Работы данного цикла исходят из приоритета критерия безопасности на всех этапах жизненного цикла объектов ракетно-космической техники и из необходимости использования здесь всех видов управления (традиционного управления в бортовых системах, управления проектно-техническими решениями, эксплуатационно-технического управления и др.). Научные результаты этих работ реализованы в современных разработках ракетно-космической техники (с участием В.А. Жукова, В.К. Завадского и др.). В частности, созданная в ИПУ методика сравнительного анализа вариантов проектного облика по уровню безопасности была апробирована в ГК НПЦ им. Хруничева применительно к РН “Ангара”. Кроме того, при проектной разработке семейства РН “Ангара” реализованы новые технологии построения пневмогидравлических систем подачи топлива с использованием новых непрерывных датчиков давления и алгоритмических средств диагностики и парирования отказов в каналах измерения и исполнительных органах. В состав модернизированного варианта РН “Протон” введена система управления выработкой топлива и выключением двигателей ступеней, позволяющая существенно снизить уровень экологически неблагополучных остатков компонентов топлива. Созданные в ИПУ методики наземной отработки бортового программного обеспечения и анализа фрагментов телеметрической информации при лётных испытаниях используются для повышения безопасности эксплуатации отдельных бортовых систем РН “Протон-М” и “Союз-У”.

           C 1956 г. важным направлением работ Института, также выполнявшимся под руководством Б.Н. Петрова, стала разработка теории и самих систем управления искусственными спутниками Земли (ИСЗ) (В.Ю. Рутковский, В.П. Попов – ныне д.т.н., проф., работал в ИАТе до 1967 г., В.С. Косиков – впоследствии к.т.н., ушёл из жизни в 1994 г., Б.В. Павлов – ныне зам. директора ИПУ, д.т.н., лауреат Государственной премии СССР, В.М. Суханов – ныне д.т.н. и др.).

          По инициативе академика Д.Е. Охоцимского в конце 50-х годов в нашей стране начали создаваться гравитационные системы ориентации ИСЗ. Это пассивные системы, не требующие расхода какого-либо вида энергии для создания восстанавливающих моментов. Однако при отделении спутника от ракеты-носителя возникали столь значительные возмущения, что понадобилась простая и экономичная система предварительного успокоения.

          В Институте проблем управления была разработана структура и теория оригинальной релейной системы предварительного успокоения, в которой высокая экономичность достигалась за счёт введения специальной связи, компенсирующей петлю гистерезиса релейной характеристики, и посредством выбора соответствующего соотношения между ограничениями датчиков угловой скорости и углового положения ИСЗ. В связи с тем влиянием, которое оказывали на динамику системы и расход потребляемой энергии изгибные колебания штанги гравитационного стабилизатора, пришлось поставить и решить специальную задачу коррекции закона управления.

          Дальнейшее развитие этого направления было связано с разработкой теории и систем управления деформируемых космических аппаратов (ДКА). К последним относятся ИСЗ с присоединёнными гибкими элементами (большие панели солнечных батарей, выносные радиоантенны).

          При управлении нежёсткость конструкции ДКА порождает новые проблемы, которые тем серьёзнее, чем ниже степень конструктивной жёсткости и чем выше интенсивность управляющих воздействий. Особенно опасным оказывается взаимодействие регулятора с упругими колебаниями ДКА в случае релейного управления, когда периодически повторяющиеся “ударные” нагрузки управляющего воздействия могут привести к неконтролируемому нарастанию амплитуды упругих колебаний до того критического значения, при котором происходит “захват регулятора” и связанная с этим потеря устойчивости движения ДКА. При этом следует отметить, что в полёте режимы с релейными управлениями занимают весьма продолжительное время практически для всех типов ДКА с длительным сроком активной жизни (разгрузка гиродинов, стабилизация углового положения при коррекции орбиты и др.).

          В связи с этим В.Ю. Рутковским и В.М. Сухановым была предложена модально-физическая форма математической модели ДКА, получившая название Метода анализа релейной системы ориентации одномодального ДКА, или Метода фазовой биплоскости. Данный метод позволил осмыслить роль фазовых соотношений во взаимодействии управления с изгибными колебаниями конструкции ДКА и изучить провоцируемый этими колебаниями механизм потери устойчивости движения. В результате была определена величина критического значения амплитуды моды изгибных колебаний, при котором происходит захват регулятора этими колебаниями, построен закон распределения случайных значений фазы упругой моды и предложены два типа алгоритмов (амплитудный и фазовый) демпфирования упругих колебаний.

          В период 1968–1994 гг. все исследования по ИСЗ, проводившиеся под руководством Б.Н. Петрова, а с 1980 г. – под руководством В.Ю. Рутковского, осуществлялись в тесном взаимодействии с НПО прикладной механики (главный конструктор – академик М.Ф. Решетнёв) и нашли практическое применение при проектировании и создании систем управления спутников связи на геосинхронной орбите серий “Радуга” и “Горизонт”, спутников непосредственного телевещания серии “Экран”, ряда крупноразмерных спутников “Луч 1”, “Луч 2” и др.

          В последние годы была решена проблема совместного оценивания координат движения широкого класса объектов космической техники, обладающих нежёсткой конструкцией (ДКА), на основе использования модально-физических моделей таких объектов с привлечением алгоритмов, построенных на основе объединения методов калмановской фильтрации и теории проверки статистических гипотез (В.М. Суханов, Т.В. Ермилова, А.С. Ермилов, В.Г. Борисов). Предложена дискретная адаптивная система управления ДКА и построена методика её исследования на основе дискретных аналогов теорем Ляпунова, при этом выполнен синтез алгоритма адаптации с использованием нечёткой логики (И.Н. Крутова, к.т.н. В.М. Глумов).

          Разработаны приближённые модели ДКА на основе оценки огибающей упругих колебаний (В.М. Суханов, к.т.н. А.В. Силаев), предложена графовая модель ДКА “зонтичного” типа (В.М. Суханов, И.Н. Крутова, В.М. Глумов), предложена адаптивная система автономного управления самолётом при полётах на больших углах атаки (к.т.н. Е.М. Фирсова).

          В 1957 г. по просьбе главного конструктора ОКБ “Факел” академика П.Д. Грушина в Институте начались работы по созданию самонастраивающихся систем управления для разрабатываемых в этом ОКБ ракет. Работы возглавил Б.Н. Петров. В.Ю. Рутковским и И.Н. Крутовой были предложены два принципа построения беспоисковых самонастраивающихся систем (БСНС): с контролем частотных характеристик и с моделью. В дальнейшем была разработана новая по тем временам теория БСНС (авторы: Б.Н. Петров, В.Ю. Рутковский, И.Н. Крутова, д.т.н. С.Д. Земляков, Б.В. Павлов, И.Б. Ядыкин – ныне д.т.н., проф. и др.), на основе которой в 1970–1980 гг. совместно с МОКБ “Радуга” и МИЭА удалось создать первые в СССР самонастраивающиеся системы управления для нескольких классов ракет главного конструктора И.С. Селезнёва.

          Применение беспоисковых самонастраивающихся систем позволило:

          В создании самонастраивающихся систем управления помимо перечисленных выше учёных приняли активное участие В.С. Косиков, В.Н. Ссорин-Чайков (ушёл из жизни в 1968 г.), В.А. Путинцев – позже к.т.н., работал в Институте до 1995 г.), Т.В. Ермилова и др.

          По постановлениям Правительства в 1958–1976 гг. в Институте под руководством Б.Н. Петрова проводились работы по теории и системам управления ядерными энергетическими установками (Г.М. Уланов, В.П. Жуков – ныне д.т.н., зав. лаб., Э.М. Солнечный – ныне д.ф.-м.н. и др.). Изучались маршевые ядерные ракетные двигатели, а также ионные и плазменные двигатели малой тяги, которые рассматривались как наиболее перспективные силовые установки для освоения ближнего и дальнего космоса. Были построены математические модели двигателей и предложены принципы управления подобным классом объектов.

          В 1970–2001 гг. была разработана теория оптимального управления ориентацией различных типов космических аппаратов, в том числе многодвигательных (к.т.н. Б.Е. Чупрун – ушёл из жизни в 2002 г.). Получены необходимые условия экстремума для оптимальной задачи с ограничением или минимизацией полного изменения заданной векторной функции координат нелинейной системы с двумя векторными управлениями, значения одного из которых ограничено, тогда как второе управление имеет ограниченное полное изменение. Данная теория, в частности, позволяет выбирать не только оптимальное местоположение на космическом аппарате управляющих его ориентацией двигателей, но и режим их включения.

          Ещё при жизни Б.Н. Петрова был предложен принцип построения чувствительных элементов радиочастотного датчика для измерения уровня компонентов в топливных баках ЖРД (В.А. Викторов, Б.В. Лункин – ныне к.т.н., зав. лаб.). Позже этот принцип был применён при создании системы измерения запасов криогенных жидкостей в системе энергопитания космических аппаратов в составе таких изделий, как “Н-1” и “Буран”.

          Предложен метод измерения (В.Я. Фатеев), основанный на возбуждении гибридных колебаний в электромагнитном резонаторе, образуемом пространством бака, и в дополнительном синтезируемом резонаторе. На его базе были созданы системы измерения запасов компонентов топлива в баках орбитальной станции “Мир” и Международной Космической станции (МКС).

          Для измерения степени сплошности неоднородных потоков жидкостей в трубопроводах космических аппаратов предложен и разработан специальный резонатор с возбуждением в нём взаимоперпендикулярных электромагнитных полей (Б.В. Лункин, к.т.н. А.В. Иванов), использующийся как чувствительный элемент датчика.

          В последние годы в Институте разработаны принципы построения и теория систем управления космическими робототехническими модулями (В.Ю. Рутковский, С.Д. Земляков, В.М. Суханов, В.М. Глумов), предназначенными для запуска с пилотируемых космических станций (ПКС) малых космических аппаратов, обслуживания и ремонта внешних элементов ПКС, спасения космонавтов при возможном обрыве фала во время их работы в открытом космосе и т.д. Были поставлены и решены задачи формирования оптимальной конфигурации системы “модуль-груз” в режиме транспортировки полезного груза, разработаны принципы безопасного полёта модуля вблизи ПКС, выполнен синтез алгоритмов мягкой посадки модуля в заданной точке на поверхности ПКС, предложен способ и алгоритмы высокоэкономичного управления ориентацией модуля на траекториях полёта вблизи ПКС.

          В связи с необходимостью обеспечения устойчивости и требуемого качества функционирования сразу нескольких подсистем робототехнического модуля, было сформулировано новое для теории управления понятие “технической управляемости многосвязной нелинейной системы управления”. Доказана теорема о необходимых и достаточных условиях автономной технической управляемости объекта, решена задача выбора минимально необходимого вектора ограничений на управление из условия автономной технической управляемости и др. задачи.

          Рассматривая модуль как лагранжеву механическую систему, удалось предложить метод декомпозиции его математической модели на множестве законов управления релейного типа на простейшие системы 2-го порядка.

          Работы Института в области управления летательными аппаратами получили широкую известность и признание в нашей стране и за рубежом. Они сыграли большую роль в развитии космонавтики в нашей стране, в развитии теории и практики построения адаптивных систем управления летательными аппаратами различных классов.

          С 1965 г. теоретические результаты постоянно докладываются на конгрессах ИФАК, МАФ, на симпозиумах ИФАК по аэрокосмосу.

          За достижения в области теории и создания систем управления космическими и летательными аппаратами сотрудники Института были удостоены Ленинской премии и пяти Государственных премий СССР.

          В 1980 г. Академия наук СССР учредила Золотую медаль имени Б.Н. Петрова (с 1993 г. – премия имени Б.Н. Петрова), присуждаемую учёным за выдающиеся работы в области теории и систем автоматического управления, а также в области экспериментальных исследований по освоению космического пространства. Первую золотую медаль им. Б.Н. Петрова в 1983 г. получил В.Ю. Рутковский, в 2004 г. премии им. Б.Н. Петрова удостоены Ю.П. Портнов-Соколов, А.Я. Андриенко и В.П. Иванов.