Системы управления космического корабля «Буран»

15 ноября 1988 г. состоялся первый и единственный орбитальный полет советского многоразового космического корабля «Буран». При помощи ракеты-носителя «Энергия» корабль вышел на орбиту, сделал два витка и вернулся на Землю, выполнив горизонтальную посадку на аэродроме. Полет полностью выполнялся в автоматическом режиме с использованием уникальных бортовых средств управления.

Сложные задачи

Разработка перспективной многоразовой ракетно-космической транспортной системы, итогом которой стало появление «Бурана», стартовала в 1976 г. Головным исполнителем работ стало специально созданное НПО «Молния» во главе с генеральным конструктором Г.Е. Лозино-Лозинским. Также к проекту привлекли десятки других научных и проектных организаций. К примеру, за разработку двигательной установки отвечали КБ химавтоматики (г. Воронеж) и НИИ машиностроения (г. Нижняя Салда).Участникам программы предстояло сформировать оптимальный облик будущего корабля, а также реализовать его в виде полноценного проекта. При этом требовалось решить массу технических задач разного рода. Так, в соответствии с техническим заданием будущий «Буран» следовало сделать пилотируемым, но предусматривалось использование автопилота с широкими функциями. Корабль должен был иметь режим автоматического полета, спуска и посадки.

"Буран" после первого полета. Фото НПО "Молния"

В целом разработка систем управления была разделена на несколько основных направлений. Первое предусматривало разработку рулей и сопутствующих систем для планера, предназначенных для полета в атмосфере. Второй задачей стало создание комплекса маневровых двигателей для работы в космосе. В рамках третьего направления разрабатывалась бортовая электроника, вычислительные средства и программное обеспечение для них. Эти средства должны были обеспечить контроль за работой прочих систем управления.Проектирование всех систем завершилось в первой половине восьмидесятых годов. Это позволило приступить к строительству самолета-аналога БТС-002 для последующих испытаний в атмосфере. Кроме того, началось строительство полноценного космического корабля.

Аэродинамическое управление

«Буран» построили по схеме «бесхвостка» с низкорасположенным треугольным крылом, имевшим переменную стреловидность передней кромки. На хвостовой части фюзеляжа имелся киль. При таком аэродинамическом облике орбитальный самолет мог совершать планирующий полет в атмосфере, что требовалось для штатной посадки.Для управления на посадке «Буран» получил достаточно простые и привычные средства. На задней кромке крыла разместили элевоны большой площади: синхронное или дифференциальное их отклонение позволяло контролировать крен и тангаж. Между элевонами, на хвосте фюзеляжа снизу, поместили т.н. балансировочный щиток. С его помощью улучшалась управляемость на сверх- и гиперзвуковых скоростях. На киле находился руль направления. Он состоял из двух симметричных вертикальных частей, которые могли расходиться в стороны и выполнять задачи воздушного тормоза.Все рулевые поверхности приводились в движение гидравликой. Для повышения надежности «Буран» получил три независимые гидравлические системы с собственными насосами, трубопроводами и т.д. Исполнительные механизмы гидравлики, отвечающие за привод рулей, контролировались дистанционно электрическими сигналами от главных систем управления.

Хвостовая часть "Бурана". Хорошо видны киль с рулем направления, блоки двигателей управления и ориентации, элевоны и балансировочный щиток. Фото Wikimedia Commons

Контроль в космосе

Для работы, маневрирования и ориентации на орбите «Буран» получил т.н. объединенную двигательную установку (ОДУ). В ее состав включили два маршевых двигателя тягой по 90 кН в хвосте. Также корабль получил 38 управляющих двигателей и 8 двигателей точной ориентации. Эти агрегаты разместили в носовой части фюзеляжа с выводом сопел на верхней части и на бортах, а также в двух характерных хвостовых кожухах.Основная работа на орбите возлагалась на управляющие двигатели типа 17Д15. Они размещались в разных частях планера и были направлены в разные стороны. Включая те или иные двигатели на требуемое время, экипаж или автопилот должны были изменять ориентацию корабля. Также управляющие двигатели могли дублировать маршевые, но с потерей характеристик.Изделие 17Д15 представляло собой газожидкостный ракетный двигатель на углеводородном топливе и кислороде. Тяга одного такого изделия достигала 4 кН при удельном импульсе до 290-295 сек. За полет двигатель мог включаться до 2 тыс. раз. Общий ресурс – 26 тыс. включений.Двигатель ориентации по своей конструкции был похож на двигатель управления, но отличался меньшими размерами и иными характеристиками. Его тяга достигала лишь 200 Н при удельном импульсе 265 сек. При этом за полет допускалось 5 тыс. включений. За счет меньшей тяги обеспечивалась более точная ориентация корабля в пространстве, достаточная для проведения тех или иных работ.Управление ОДУ осуществлялось централизовано при помощи соответствующих приборов. Работу установки контролировал экипаж и/или автоматика, в зависимости от выполняемых мероприятий и задач.

Гидравлический привод одного из аэродинамических рулей. Фото Wikimedia Commons

Кабина тренажера экипажа. Фото Wikimedia Commons

Для «Бурана» была создана сложнейшая система управления, обеспечивающая полеты на всех режимах и решение вспомогательных задач, выполнение научных или практических мероприятий и т.д. В ее состав вошло более 1250 различных устройств и приборов, цифровые вычислительные средства, а также многочисленные кабельные трассы и т.д. Различные устройства из состава системы управления распределялись практически по всему планеру корабля.Основой системы управления был бортовой центральный вычислительный комплекс (БЦВК), разделенный на две системы, центральную и периферическую. Каждая такая система строилась на основе двух ЭВМ БИСЕР-4. Подобная архитектура БЦВК обеспечивала высокую надежность и отказоустойчивость комплекса в целом. Изделие БИСЕР-4 разработки НПЦАП им. академика Пилюгина представляло собой 32-разрядную машину с производительностью центрального процессора – 37х10

Вычислительный комплекс

оп./сек. Энергопотребление – 270 Вт, масса – 34 кг.БЦВК собирал и обрабатывал данные от различных датчиков, средств и систем. Он отвечал за навигацию в космосе и в атмосфере, контролировал состояние узлов и агрегатов, вел обмен данными с наземными средствами комплекса и т.д. Также комплекс управлял работой аэродинамических рулей и ОДУ. В режиме ручного управления полетом БЦВК должен был преобразовывать действия экипажа в команды для исполнительных механизмов. Автоматический режим предусматривал полностью самостоятельную работу.Для БЦВК было создано оригинальное программное обеспечение в виде операционной системы и набора дополнительных программ. Общий объем ПО был выдающимся для того времени – ок. 100 Мб.

Принципиальная схема систем управления. Графика Buran.ru

Программный комплекс обеспечивал работу аппаратных средств, взаимодействие БЦВК с различными приборами и т.д. Среди прочего, в нем были реализованы алгоритмы автоматического управления полетом на всех режимах. Особый интерес представляет возможность автоматического спуска с орбиты, полета в атмосфере и посадки на заданный аэродром. Любопытно, что изначально предусматривался только автоматический режим посадки. Ручной добавили позже по настоянию заказчика.В 1984 г. НПО «Молния» при содействии других участников проекта «Буран» построила самолет-аналог БТС-002, также известный как ОК-ГЛИ или «0.02». Он представлял собой копию орбитального самолета, доработанную для горизонтального взлета и полета в атмосфере. БТС-02 практически полностью повторял конструкцию «Бурана» и имел все необходимые средства управления, вычислительный комплекс и т.д. При этом его оснастили турбореактивными двигателями.10 ноября 1985 г. летчики-космонавты Игорь Волк и Римантас Станкявичус впервые подняли БТС-002 в воздух. В июне следующего года, в четвертом полете, впервые опробовали полуавтоматическое планирование – летчики сохраняли контроль над самолетом, но часть задач передали автоматике. В конце 1985-го проводились эксперименты с автоматическим полетом к аэродрому; ручное управление включали только перед касанием. Наконец, 16 февраля 1987 г. в десятом полете БТС-002 впервые сел самостоятельно. До весны 1988-го выполнили еще более десятка аналогичных полетов для отработки систем и алгоритмов.

Проверено практикой

Гироскопический прибор инерциальной навигации Ш300 (на переднем плане), созданный для "Бурана". Фото Wikimedia Commons

Наконец, 15 ноября 1988 г. состоялся первый и единственный космический полет орбитального «Бурана». После двух витков вокруг планеты корабль автоматически выполнил спуск и совершил посадку на аэродроме Байконура. На этапе посадки БЦВК принял данные о метеоусловиях на аэродроме от наземных средств, правильно оценил их и выполнил неожиданный маневр. «Буран» самостоятельно построил оптимальный заход и выполнил посадку против ветра.К сожалению, первый космический полет «Бурана» так и остался единственным. В дальнейшем, по ряду причин, основную массу которых никак нельзя назвать объективными, программу «Энергия-Буран» свернули, и более работы не возобновлялись. Орбитальный, атмосферный и другие образцы корабля отправились на вечную стоянку, а некоторым повезло стать музейным экспонатом.Впрочем, и при таком исходе смелая и многообещающая программа «Буран» показала свой потенциал. Советская промышленность продемонстрировала свою способность разрабатывать подобную технику и доводить ее, как минимум, до испытаний. Используя доступные и вновь разработанные технологии и компоненты, наши предприятия смогли создать космическую систему с уникальными возможностями.Однако в дальнейшем опыт проекта «Буран», в т.ч. в контексте систем управления, в целом остался невостребованным. В первые годы или десятилетия после единственного запуска «Энергии-Бурана» промышленность не имела возможности полноценно развивать это направление. Затем же появились новые технологии и более совершенная элементная база с куда большим потенциалом.

Технологии прошлого