Мы и наши коллеги, конечно, во многом люди разные, но, когда у нас общая задача, которую мы все понимаем и одобряем, мы можем работать вместе.

Наш проект доказал, что получается совсем неплохо.

 

В. П. Легостаев, канд. техн. наук, руководитель второй рабочей группы ЭПАС

КОРАБЛИ ИДУТ НА СБЛИЖЕНИЕ

 

НА РАЗНЫХ
МЕРИДИАНАХ

Июньским днем 1971 года мы – небольшая группа советских специалистов – вылетели из Москвы в Нью-Йорк. Путь наш лежал дальше, в город Хьюстон, в космический Центр имени Джонсона – на первую рабочую встречу с американцами. Впереди была долгая совместная работа, и очень многое зависело от этой встречи.

В Хьюстоне нас поселили в местечке, которое называется «Центр чистых озер». Мы его тут же перекрестили в «Чистые пруды». Стояла невыносимая жара, и в гостинице, в учреждении, в автомобиле – повсюду журчали кондиционеры. «Как же вы жили здесь, когда не было кондиционеров?» – спрашивали мы у хозяев. «А мы здесь и не жили», – улыбаясь, отвечали они.

Этот город, шестой по размерам в США, стал расти невиданными темпами лишь с начала 50-х годов. Расположен он вблизи Мексиканского залива, чуть ли не в самом жарком месте нашей планеты.

Наш приезд вызвал в космическом Центре имени Джонсона доброжелательный интерес: сотни сотрудников толпились у многочисленных окон и стеклянных стен близлежащих зданий, оживленно обсуждая наше появление.

В просторном зале заседаний мы и наши коллеги сели по разные стороны длинного стола. Директор Центра господин Р. Гилрут произнес приветственную речь, с ответным словом выступил академик Б. Н. Петров, затем состоялось представление участников переговоров.

Мне поручено руководить от нашей стороны рабочей группой по системам управления. Кто же будет руководителем с американской стороны? Объявляют: Дональд Читем. Очень приятно – мы знакомы. Оба привстали и помахали друг другу.

В сентябре 1967 года в Вене проходил Второй международный симпозиум по автоматическому управлению в космическом пространстве. Советский автоматический аппарат «Луна-9» мягко сел тогда на поверхность планеты. Мне довелось рассказывать на симпозиуме) принципах построения системы управления аппаратом, а Дональд Читем докладывал о стратегии управления при пилотируемой посадке на Луну. Вот там-то мы и познакомились. (Сейчас Д. Читем – один из руководителей комплексной программы системы «Спейс Шаттл» – космического транспортного корабля многоразового использования...)

Вид Хьюстона.

Но знакомство знакомством, а предстояла совместная многолетняя работа. Как-то она пойдет?

Потом, несколько месяцев спустя, мы узнали и о волнениях американских специалистов. Один из них даже признался, что они просто боялись этой встречи, считали: ничего не выйдет, трудности победят желание.

Да, трудностей впереди и нам, и американцам виделось немало. Приспособить «Союз» и «Аполлон» для совместного выполнения единой программы, провести их сближение и стыковку в космосе – задача необычайно сложная. Мы прекрасно отдавали себе в этом отчет. Но мы хорошо понимали и другое: от нашей работы ждали успеха.

Пожалуй, самой сложной во всех отношениях была проблема сближения – сближения подходов к решению задачи, организационных принципов, методов работы, наконец, людей в процессе общего труда. А для нашей рабочей группы – еще и задача непосредственного сближения космических кораблей на орбите.

Группа инженеров и ученых, возглавляемая Дональдом Читемом, участвовала в создании первых американских космических кораблей, в разработке методов сближения при маневрировании и стыковке пилотируемых кораблей «Джемини» с последней ступенью ракеты-носителя «Атлас-Аджена» и кораблей «Аполлон» на околоземных и окололунных орбитах.

Все операции встречи и стыковки американских космических аппаратов выполнялись только с участием человека. А это, как мы считаем, не решает всего комплекса проблем, связанных со сближением. Так, доставку на орбитальные станции грузов, топлива, запасных частей разумнее производить с помощью автоматики, поскольку такие операции не требуют обязательного присутствия космонавтов. Это относится и к доставке на орбиту грузов, опасных для жизни человека, например ядерного горючего для реакторов, с помощью которых, скорее всего, будет обеспечиваться энергоснабжение длительно действующих орбитальных станций.

Задачу автоматической встречи и стыковки впервые решили советские специалисты в 1967 году при полете искусственных спутников «Космос-186» и «Космос-188». Система управления, разработанная в СССР, позволяет осуществлять сближение также и с участием пилота. Так происходили полеты кораблей «Союз» и их стыковка между собой и со станцией «Салют».

Начали обсуждение проблемы применительно к совместному полету. Используемый нами метод сближения предполагал запуск двух кораблей (одновременный или последовательный) таким образом, чтобы плоскости их орбит совпали. К такому выводу пришли и американские инженеры. Всем ясно: поворот плоскости орбиты потребует слишком больших затрат топлива.

Мы договорились, что на дальнем этапе сближения, когда расстояние между кораблями будет превышать сотни и даже тысячи километров, измерение и расчет параметров относительного движения двух кораблей будем вести с наземных командно-измерительных комплексов и из координационно-вычислительных центров, расположенных на собственных территориях стран – участниц эксперимента. Рассчитав величину и направление импульса скорости, необходимого для сближения, и время, когда нужно включить двигатель, Земля передаст данные на борт корабля.

И в этом подходы сторон также не расходились. Единственное ограничение в американском методе сближения состояло в том, что «активный» корабль, как правило, должен быть ниже и сзади «пассивного». При спасении низколетящего корабля такой метод едва ли применим, для обычных же траекторий полета указанное ограничение мало существенно. Разница в подходе проявилась позже.

Советские космические корабли оборудованы радиотехнической системой, обеспечивающей измерение не только относительного расстояния и радиальной скорости, но и угловой скорости линии центров – линии, соединяющей центры масс двух кораблей. Кроме того, наша радиотехническая система позволяет вести взаимное радиообнаружение кораблей и вырабатывает сигналы для углового управления ими.

«Пассивный» корабль во время сближения у нас не остается совершенно пассивным. Радиоответчик, установленный на его борту, обеспечивает нужной информацией «активный» корабль. Он сам автоматически находит своего партнера и в процессе всего сближения постоянно следит за ним, поворачивая стыковочный узел к узлу партнера.

Информация, полученная на борту «активного» корабля, выдается на пульт космонавта, а при автоматическом сближении – в вычислительное устройство. Это счетно-решающее устройство и направляет «активный» корабль для встречи на орбите. Поставь эту систему на корабль «Аполлон» – и он без затруднений сблизится с «Союзом».

Но на американском корабле система сближения несовместима с нашей. И недаром «активный» «Аполлон» при подходе к участку автономного сближения должен находиться ниже «пассивного» аппарата. Дело в том, что американские инженеры использовали для измерения положения «пассивного» корабля оптические системы. А заметить и наблюдать за перемещением светящейся точки на фоне космоса значительно удобнее, чем на фоне Земли. Правда, дальность между кораблями при этом определяется с помощью радиотехнических средств, но они ничего общего не имеют с нашими ни по методу измерения дальности, ни по используемым радиочастотам.

Сближение по методу наших американских коллег – это длительный процесс маневрирования «активного» корабля. «Пассивный» корабль не ищет активный корабль, а лишь стабилизирует свое угловое положение в пространстве и ждет его. Как видите, обе системы оказались весьма несхожи.

ПЕРВЫЕ
ШАГИ
НАВСТРЕЧУ

Шли месяцы. Наша совместная рабочая группа встречалась уже не один раз, но нам никак не удавалось сдвинуться с мертвой точки. Правда, предугадывая трудности, мы с самого начала были склонны к тому, чтобы создать общими усилиями новую систему, совместимую и универсальную.

Обе стороны с энтузиазмом разрабатывали проект. Выработали общие принципы построения системы, определили ее основные параметры, точностные характеристики, дальность действия. Обозначили параметры, которые должны быть совместимыми, и попытались определить их характеристики. В общем, все пришли к выводу, что новую систему создать можно. Но в какие сроки?

Новый стыковочный агрегат решено было изготовить в два-три года. На доработку системы жизнедеятельности могло уйти столько же времени. Что касается новой системы сближения, то только разработка алгоритмов и математическая отладка метода сближения замяла бы более трех лет. Увы, нам ничего не оставалось, как вернуться к попыткам взаимно приспособить существующие системы. Советскими инженерами было рассмотрено и такое решение задачи: поставить два радиоответчика (один советский – на корабль «Аполлон», другой американский – на корабль «Союз»), так чтобы в случае выхода из строя одного перейти на другой.

Стали анализировать, взвешивать, примерять. Оказалось, антенны, как назло, затеняли друг друга, а приборы никак не размещались в кораблях. Снова разочарование. Наступал цейтнот. Надо было принимать решение.

Тщательно взвесив все обстоятельства, сошлись на том, чтобы «Аполлон» сделать «активным» и установить американский радиоответчик на корабле «Союз». Так открылась возможность для детальной разработки всего проекта. А нам, естественно, пришлось столкнуться со всеми трудностями американских разработчиков. «Аполлон» должен обнаружить «пассивный» корабль и «захватить» его оптическим секстантом. Если координаты «активного» и «пассивного» корабля были бы известны к началу сближения абсолютно точно, то задача решалась бы сравнительно легко: достаточно было вычислить углы линии визирования относительно опорной системы координат и повернуть корабль в требуемом направлении.

Практически же все складывалось значительно сложнее. При построении опорной системы и определении координат кораблей точное целеуказание получить не удается. Можно лишь выявить ту область, где цель должна находиться. Так возникла проблема визуального обнаружения «пассивного» корабля на фоне космоса. Хотя она и была решена для корабля «Аполлон», когда он сближался со своими кораблями и станциями, но ведь «Союз» на них совсем не похож! Пришлось всем нам заново присматриваться к «Союзу».

Доктор Д. Читем рассказывает о Москве своим коллегам в Хьюстоне.

Визуально увидеть объект на большом расстоянии в космосе можно только на тех участках орбиты, где он освещен Солнцем. К тому же объект должен быть достаточно ярким. Яркость же, в свою очередь, зависит от геометрических размеров и формы объекта, характера и цвета его поверхности, от того, под каким углом он находится по отношению к Солнцу и «активному» кораблю, наконец, от расстояния до объекта. Необходимо учитывать и физиологические особенности человеческого глаза: порог чувствительности к яркости связан не только с контрастностью и цветом цели, но и со временем адаптации.

Понятно, что изменить форму кораблей и их размеры мы не имели возможности. Так что оставалось только подыскать наивыгодную ориентацию, подобрать цвет поверхности корабля «Союз», чтобы его было легко обнаружить и хорошо видеть через оптические приборы «Аполлона» с расстояния в несколько сотен километров. И. К. Куприянов, В. А. Поделякин, В. Н. Бобков и Ч. Менри принялись выбирать «платье» для «Союза». Казалось бы, лучше всего подходит матово-белая поверхность. Но тогда нарушаются тепловые режимы корабля. Мы очень надеялись, что выручат панели солнечных батарей. Однако их отражательная способность не устроила.

Засели за математические расчеты отражательных характеристик элементов конструкции при различных углах падения солнечного света. Постепенно, на каждом шагу сверяясь с возможностями системы терморегулирования и технологии производства, находили для элементов конструкции корабля «Союз» подходящую окраску. Часть приборно-агрегатного отсека и нерабочая сторона панелей солнечных батарей стали белыми, орбитальный модуль и спускаемый аппарат оставили зелеными, стыковочный узел имел металлический оттенок. Теперь надо все это проверить.

Изготовили оптический макет, и в лаборатории начались исследования видимости «Союза» при его различных положениях. Для объективности проверки проводились одновременно в двух странах. В итоге со всех точек зрения наиболее подошла ориентация, при которой корабль летит по орбите двигателем вперед и держит плоскость солнечных батарей параллельно поверхности Земли. Кстати, это обычная «орбитальная» ориентация корабля «Союз». Но она позволяла не только обеспечить видимость «Союза» с 500 километров, но и рационально разместить антенны системы речевой связи между кораблями и антенны радиосистемы измерения относительного расстояния между ними.

И снова проблема. Все, чего удалось добиться, рассчитано было для того времени, когда «Союз» освещен Солнцем. Но процесс сближения занимает несколько витков: корабли в нужный момент могут оказаться в тени Земли. Значит, необходимо обеспечить видимость кораблей и в темноте. Пришлось оборудовать корабль «Союз» проблесковыми световыми маяками белого цвета. Их установили сверху и снизу. Дальность видимости этих огней невооруженным глазом достигает 50 километров. Занялись подбором частоты вспышек. Если она велика – свет будет казаться сплошным, и корабль сольется с окружающими звездами. Не должна она быть и очень редкой, иначе нетрудно потерять место, где видели вспышку в последний раз. Один раз в секунду – такое мигание сочли наилучшим.

Кстати, уместно напомнить еще об одних огнях – для ориентации на близком расстоянии. Их предложили укрепить на концах панелей солнечных батарей корабля «Союз». Левый – красный, правый – зеленый. Два задних – белые. Такие же огни договорились установить на корабле «Аполлон». При правильной взаимной ориентации командир корабля, глядя на другой корабль, должен видеть слева зеленый, а справа красный свет. Если не так – ищи ошибку. Поскольку причаливание и стыковка намечались на светлой стороне, бортовые огни могли понадобиться только в случае каких-либо задержек или для проведения совместных экспериментов.

У КОСМИЧЕСКОГО
ПРИЧАЛА

Процесс причаливания одного корабля к другому, пожалуй, самый ответственный момент сближения. Недаром и у нас, и в США в течение многих лет исследовались не только динамические характеристики корабля и человека, но и мышление космонавта, его воля, эмоции. Были написаны многотомные рекомендации для управления, созданы уникальные динамические стенды, приборы, помогающие космонавту в полете. Но когда мы собрались вместе и захотели состыковать корабли «Союз» и «Аполлон», то все эти «пособия» оказались малополезны.

Советские специалисты старались максимально облегчить работу космонавтов и взяли на вооружение прежде всего автоматический метод сближения. Но и метод сближения вручную был нами разработан, – так называемое кооперированное управление. В этом случае в управлении сближений участвует не только космонавт «активного» корабля, но и автоматика «пассивного». Когда «активный» корабль подходит близко, «пассивный», автоматически непрерывно следя за ним, поворачивает свой агрегат к стыковочному агрегату партнера. Хотя стыковочные узлы устанавливаются на передней части космических кораблей, прямая видимость их элементов затруднена. Поэтому для управления причаливанием на «активном» корабле есть специальное прицельное устройство, а на «пассивном» укрепляется или рисуется мишень.

«Союз-19» в космосе.

Иначе решили эту задачу американские инженеры. Они не прибегли к кооперированному управлению. Неподвижный, «пассивный» корабль у них, как уже было отмечено, не следил за «активным», что вызывало необходимость постоянно контролировать, на какой угол от «активного» корабля повернут «пассивный». В результате потребовалась мишень более сложной конструкции.

Чтобы выбрать стыковочную мишень для совместного полета, нам пришлось немало поломать голову. Дело в том, что стыковочные агрегаты имеют довольно жесткие ограничения как по скорости причаливания, так и по углам, под которыми корабли должны подойти друг к другу. Нельзя сближаться со скоростью большей 0,3 метра в секунду. Соударение кораблей может привести к необратимым деформациям. Скорость сближения, в шесть-семь раз меньшая, также неприемлема. Есть опасение, что защелки стыковочного агрегата не сработают и не произойдет сцепки кораблей. Еще более жесткие требования предъявляются к скорости бокового перемещения кораблей. А в распоряжении астронавтов не так уж много оборудования: оптический прицел, на экране которого нанесены риски и шаблоны, да мишень на корабле партнера.

Все расстояния определяются оценкой размеров корабля на экране оптического прицела. По темпу изменения этих размеров астронавт судит о скорости сближения. Малотренированный астронавт не сумеет вести корабль в требуемом диапазоне скоростей.

Надо быть откровенным: первый эксперимент по стыковке кораблей «Союз» и «Аполлон» еще не решил многих задач по спасению экипажей. Так, например, если «пассивный» корабль будет вращаться со скоростью, всего в два раза превышающей скорость поворота минутной стрелки, то из-за сложности пилотирования успех стыковки при современном оборудовании не гарантирован. Но подобная задача в данном эксперименте и не ставилась.

Для управления при причаливании космические корабли оборудованы двумя ручками управления. С помощью одной ручки космонавт управляет вращательными движениями корабля, а с помощью второй – поступательными движениями.

Эта мера, конечно, способствует весьма эффективно процессу причаливания, но не ликвидирует всех трудностей. Возьмем, к примеру, ограничения, которые накладывает стыковочное устройство на величину бокового смещения. 300 миллиметров – предельная величина, на которую может ошибиться космонавт при стыковке. Теперь легко прикинуть, что только из-за того, что стыковочный агрегат находится на некотором расстоянии от центра масс своего корабля, возьмем для примера четыре метра, поворот кораблей на один градус вокруг каждой оси от требуемого положения создает относительные отклонения стыковочных агрегатов около 200 миллиметров.