Onboard complex of management

Features of a booster rocket the "Energia" connected with the asymmetrical multibank batch scheme{plan} of a design and with presence of a plenty of mid-flight engines, high requirements on safety and reliability of preparation and carrying out of tests, necessity of maintenance of the accepted complex program of experimental working off, an onboard complex of independent management of a booster rocket of "Energia" for conditions of not completed process of definition of dynamic characteristics of a booster rocket and its{her} components have demanded the decision of some complex{difficult} scientific and technical problems among which it is possible to allocate the following:
- Creation of the multimachine computer complex of a control system of a booster rocket of "Energia";
- Creation of the software ground and onboard digital computer complexes;
- Creation of system of angular stabilization and management of movement of the center of weights of a booster rocket;
- Creation of system of prompting; creation of a complex of the equipment of means of emergency protection of engines;
- Creation of system of power supplies of the block of the second step;
- Creation of system of gathering, processing and delivery of the control information;
- Creation of technology of preparation of data on start-up.
The problem of creation of the multimachine computer complex of management of a booster rocket of "Energia" was predetermined by necessity of maintenance of interaction of a control system of the block of the second step, the first step and the ground equipment of a complex of independent management, and also onboard and ground parts of control systems of payloads at carrying out of electric checks, the decision of problems{tasks} of prestarting preparation, start-up and management in flight. Besides problems{tasks} of management are assigned to an onboard complex of independent management by preparation and carrying out огневых bench tests of blocks of the first step, the second step, the control of a condition of working engines and emergency protection, and also management of blocks of the first step for a site of their returning and soft landing{planting}.
Complexity and variety of problems{tasks} of management, necessity of work with experimental rockets and blocks on various workplaces and launchers, necessity of a possibility of deducing{removing} by a booster rocket not only the orbital ships with enough perfect{absolute} control system, but also the pendant payloads equipped by various control systems, and also necessity of creation of a complex of independent management as base control system for of some rockets-carriers{-bearers} have defined{determined} shape of multimachine structure of the computer complex of a control system of a booster rocket of the "Energia", the including central computer M6M located on the block of the second step, computers M4M on each block of the first step, the computer on the block of the second step for the decision of problems{tasks} of the control and protection of engines and group of computers M4 and СМ-2 in structure of the ground equipment of a complex of independent management. The created digital computer of the block of the second step (the central digital computer of a complex) provides demanded productivity on all sites of flight of a booster rocket.
Hardware-software means of an exchange between digital computers of a complex and subscribers of digital computers on blocks of the second and first steps and in the ground equipment of a complex of independent management provide data exchange with the delays which are not exceeding managements admissible for problems{tasks} by agencies, elements and adjacent systems of a rocket. Software provide synchronously-inphase work of digital computer complexes of blocks of the second and first steps and synchronization of their work with work of digital computer complexes of the ground equipment of a complex of independent management on sites of joint functioning.
The information-distributive system carries out operations on preparation for work of a control system of blocks, spends independent tests of systems and onboard units at a minimum quantity of communications{connections} between the onboard and ground equipment of a complex of independent management, delivers the necessary telemetering information in the digital computer complex of the ground equipment of independent management.
For this purpose the specialized computing means of information-distributive system supporting{maintaining} demanded rate of transfer of the exchange information between the digital computer complex of the ground equipment of independent management and onboard subscribers, specialized means of an information exchange in information-distributive system, onboard subscribers and in digital computer complexes of ground system of the independent management, providing distribution and concentration of transferred{transmitted} messages, means of self-checking of information-distributive system are created.
The operating computer complex of the ground equipment of a complex of independent management provides demanded interaction with a control system of blocks of the second and first steps, adjacent systems and ground objects at rather small requirements to productivity of the digital computer of a complex of independent management. For what devices of communication{connection} with the equipment of the onboard and ground equipment, demanding the minimal participation of the digital computer of the ground equipment of independent management in data transmission between subscribers are created, the structure of the device of communication{connection} with the equipment of the minimal complexity матобеспечения, operating is realized by exchanges.
The technology of operation is based{founded; established} on use малоразмерных libraries of the onboard digital computer complex, concentration of logic and циклограмм checks in programs of the digital computer complex of the ground equipment of independent management and provides storage of programs of checks on adjacent carriers{bearers} (magnetic disks) and escalating of volume матобеспечения independent tests practically without change of programs of the onboard digital computer complex. Such technology allows to reduce terms of development and working off by introduction этапности and escalatings. Thus, малоразмерные libraries of standard subroutines of digital computer complexes of blocks of the second and first steps provide an exchange with subscribers of the onboard digital computer complex under instructions of digital computers of the ground equipment of independent management and delivery of the information which have been read through in the digital computer of the ground equipment of independent management; System матобеспечение the digital computer complex of the ground equipment of independent management provides performance of inquiries of the developer of checks on an exchange with subscribers without necessity of knowledge of subtleties of программно-algorithmic realization of these means. The operational system of the digital computer of the ground equipment of a complex of independent management, and also the research stand and technology of working off on it{him} матобеспечения is created.
The system of means of the control and parrying of supernumerary situations provides a demanded level of safety at electrotests, preparation for start-up and in flight. For this purpose means of the control of parameters for fixing supernumerary situations on the basis of use of information-distributive system, матобеспечения the onboard and ground digital computer complex are created; means of the control of occurrence of supernumerary situations in матобеспечении the digital computer complex of the block of the second step, blocks of the first step, the digital computer complex of the ground equipment of the centralized complex of independent management and their parrying in flight and on final sites of preparation by localization of supernumerary situations, or the centralized translation{transfer} of a complex of independent management in a mode of the automatic termination{discontinuance} of start-up.
For system of an operative estimation of results of complex tests and start-up in матобеспечении the onboard and ground digital computer complex means of delivery and an estimation of data with a conclusion to a press{seal} of results and values of primary controllable parameters have been created.
Basis of experimental base for carrying out of researches and working off of the equipment and the software were research stands, analog-digital complexes and complex stands. Research stands allowed to lead modelling of separate stages of flight of a booster rocket and flight as a whole both in regular, and in supernumerary modes. The analog-digital complex was used for modelling angular movement of a rocket in view of elastic fluctuations of the case and a liquid in fuel tanks with an involvement of real steering drives. Complex stands have allowed to check up full compatibility of program and hardware maintenance of a control system in regular and supernumerary modes of preparation, start-up and flight of a rocket.
The volume and complexity of the problems{tasks} assigned to a complex of independent management of a booster rocket of "Energia", application of multimachine structure of the computer complex, high requirements to quality and reliability of its{his} software have caused of the decision of a problem of development and tests of the big complex of the interconnected onboard programs. The volume of software product for the onboard digital computer complex was made nearby with 150 thousand шестнадцатиразрядных words. Besides programs for carrying out of checks on all workplaces were created at carrying out of independent and complex tests, огневых bench tests of blocks of the first step, the block of the second step and preparation for start-up of a booster rocket of "Energia".
For development of the software of a complex of independent management the modern technology of creation of the software which is based on the automated environment of manufacture of programs has been developed and used. The automated environment of manufacture of programs is the hardware-software complex providing technological support of all stages of life cycle of software product, beginning{starting} from designing and finishing support and operation.
The basic scientific and technical decisions of the automated environment of manufacture of programs the following:
- The integrated set of the high-efficiency means incorporated in one system, opened{open} for expansions and updatings;
- The simple and flexible interface with the user, in the maximal degree promoting increase of productivity, on the basis of uniform language of management of tasks;
- Concentration of all data of development in a uniform databank of the project;
- Specially developed language of a high level and ассемблерная system;
- Systems of debugging and tests of the software.
The theoretical substantiation of the accepted decisions was spent on the basis of потоковой models of the work cycle, allowing to lead coordination of all means and processable data, to define{determine} optimum routes and is maximal распараллелить processes.
On the basis of the automated environment of manufacture of programs a number{line} of research stands for modelling movement of a rocket in regular and supernumerary modes in view of indignations of parameters of a rocket and an environment is created. In total at research stands it is lead over thousand control tests ("flights") and the behaviour of a rocket in flight more than in 200 regular and supernumerary situations is investigated{researched}.
Creation of complex stands has given greater{big} opportunities on complex check of compatibility of program and hardware maintenance of a complex of independent management. For an effective utilization of these opportunities the technology of working off матобеспечения and equipments of independent management at the complex stands, providing контролируемость a choice of volume of checks and its{his} performance is developed and introduced.
At creation of system of angular stabilization and management of movement of the center of weights of a booster rocket of "Energia" are solved following problems{tasks}: maintenance of unaccented movement of a booster rocket on a site of start, restriction of aerodynamic loadings on a design of a booster rocket, stabilization of elastic fluctuations of the case, stabilization of fluctuations of a liquid in fuel tanks, indemnification of the indignations caused by displacement of the center of weights concerning a point of the appendix of equally effective force of draft of engines, distribution of operating efforts on agencies.
Maintenance of unaccented movement is connected with the constrained conditions of an output{exit} of a booster rocket from a starting construction. The arrangement of a заправочно-drainage mast, the unit of emergency evacuation, a tower of service, девертора created practically "well". Position was aggravated with a theoretical opportunity of refusal of one of engines RD-170. The algorithms providing in regular and supernumerary modes such maneuvers of a booster rocket at which movement without impacts with fragments of a starting complex is reached{achieved} have been developed For the decision of this problem{task} on the basis of the theory of optimum control.
In the technical project on development of a complex of independent management from conditions of carrying{bearing} ability of a design of a booster rocket in view of a payload admissible sizes of product of a high-speed pressure on a corner of attack (sliding) have been set. Maintenance of these requirements by development of a complex of independent management has caused the certain difficulties, especially by consideration of the operational mode, described presence of greater{big} wind indignations, and the supernumerary situation connected with an opportunity of refusal of one engines RD-170. The algorithms of management using the information on corners of sliding, received by an estimation of the measured values of accelerations in various sections on length of a booster rocket have been developed. Working off of algorithms of management is lead by digital modelling and modelling of movement of a booster rocket in the closed scheme{plan} on an analog-digital complex and start-up of a booster rocket of "Energia" in a telemetering mode.
The dynamic scheme{plan} of a booster rocket of "Energia" (with a payload) includes the big number осцилляторов, describing fluctuations of a liquid in fuel tanks, cross-section elastic fluctuations of a design, longitudinal fluctuations in a path " топливоподающие highways - impellent installation - the case of a rocket ", elastic fluctuations in a contour " a steering drive - engine RD-170 ".
Stabilization of fluctuations осцилляторов such is problematic both separately, and in aggregate as they have low-frequency dense and crossed on time of flight a spectrum of frequencies.
The problem of stabilization of elastic fluctuations of a design and fluctuations of liquid filling of tanks is solved by system engineering suppression of the most active tones of elastic fluctuations, maintenance of phase conditions of stabilization on the basis of use of the information from gauges of the angular speeds placed in various sections on length of a booster rocket, creation of system digital smoothing and режекторных filters and an active filtration of signals in a path of measurement of angular speeds.
Correctness of the accepted decisions is confirmed by modelling on digital computers, analog-digital complexes and results of start-up of a booster rocket of "Energia".
Asymmetrical configuration of a booster rocket with a payload, and also refusals of separate engines during flight lead to significant displacement of the center of weights of a rocket concerning a point of the appendix of equally effective force of impellent installation.
With the purpose of indemnification of arising indignations and reduction of additional loadings by a design the algorithms of management providing invariancy to external indignations are developed. The developed algorithms which have been checked up on digital computers, analog-digital complexes, have confirmed the efficiency at start-up of a booster rocket of "Energia" N6СЛ.
At creation of operating influences on a booster rocket of "Energia" 40 agencies participate: 32 steering drives operate engines RD-170 on blocks of the first step and 8 steering drives - mid-flight engines of the second step. In default one of engines of the first or second steps symmetry in the scheme{plan} of distribution of forces is broken at formation of operating influences on channels тангажа, rovings and a roll. It leads to deterioration of conditions of controllability and stabilization of a booster rocket.
With a view of maintenance of sufficiency of operating efforts at the set ranges of deviations{rejections} of operating bodies or under condition of possible{probable} refusal of one of engines the problem{task} of optimum distribution of resources of operating bodies is solved. The made decision is checked up by modelling on the digital computer and an analog-digital complex.
The dynamic scheme{plan} of a booster rocket with a payload is described by system from more than 500 differential equations. Factors of the equations of system in view of various operational modes consist of several tens thousand parameters. All known analogues had the order of system of the equations no more than 50 and only hundreds variable parameters.
Existing technologies of designing on the basis of domestic computer facilities could not provide the decision of a task in view.
For the successful decision of all complex of the questions connected with creation of system of angular stabilization of a booster rocket of "Energia", the new technology of designing in which basis the partition of uniform system of the equations on a number{line} of subsystems with poorly expressed functional communications{connections}, creation of a uniform databank, association in a uniform network of the big number of analog both digital computing means and creation on their base of an analog-digital complex lays, development of a package of provisional programs, creation of a digital modelling complex, creation of a complex of loading stands and stations of a hydrofeed{hydromeal} of steering drives has been developed.
The basic problem at creation of system of prompting of a booster rocket of "Energia" is connected with necessity of the account for algorithms of a complex of independent management of influence of refusal of any of eight engines on a trajectory of flight and definition of the program of management in case of falling total draft of impellent installation on the size reaching{achieving} 40 % of rating value.
The similar problem{task} is solved a control system of reusable space system " the Space the Shuttle " in default one of three mid-flight engines, leading decrease{reduction} in total draft of impellent installation at the first step only on 7 % of rating value. Rather small decrease{reduction} in total draft at the first step of reusable space system " the Space the Shuttle " allows to use on an atmospheric site of deducing{removing} methods the managements as much as possible approached to traditional.
Significant decrease{reduction} in a level of total draft of impellent installations on a booster rocket of "Energia" in default the engine has demanded development of a new программно-adaptive method of prompting on an atmospheric site. This method allows to form the program of management as for regular flight, and in default one of eight engines, and to provide performance of restrictions on a corner of attack and size of a high-speed pressure.
For management of movement of a booster rocket of "Energia" on an extra-atmospheric site of deducing{removing} in conditions of the possible{probable} supernumerary situations connected with refusal of one engines, there was a necessity to use the methods of the prompting providing performance of complex{difficult} spatial maneuvers with the purpose of deducing{removing} of a payload with really developed тяговооруженностью of booster rocket. The problem{task} became complicated uncertainty of the moment of refusal of the engine and a level of draft of working engines. Application of functional methods existing now in this case practically is not obviously possible because of necessity потребных basic trajectories at all variety of possible{probable} refusals in impellent installation.
For management of a booster rocket of "Energia" on an extra-atmospheric site of deducing{removing} with performance of the set restrictions and regional conditions in regular flight, and also at refusal of one of engines the iterative-adaptive method of management in which basis use of optimum laws of management and the decision of a regional problem{task} is necessary is developed. Thus set of regional conditions and restrictions was defined{determined} from the conditions imposed by means, providing rescue of crew and a payload, branch параблоков, head обтекателя and a settlement orbit of deducing{removing}.
At refusal of one of engines the complex of independent management makes a decision on the further flight with a choice: or continuation of flight with deducing{removing} on regular regional conditions, or returning in area of start with landing{planting} the orbital ship to a landing complex (maneuver of return), or reduction of a payload area of alienation (maneuver of reduction).
Ground working off of algorithms of prompting and the software of a complex of the independent management, realizing problems{tasks} of management in regular flight and in supernumerary situations, has been lead at research and complex stands. Thus alongside with traditional technology of testing of the program (use of control examples) it has been introduced and the technology of working off of the software of a control system in the closed scheme{plan} of the research stand was widely used.
Working off of the software of a control system in the closed scheme{plan} of the research stand, so-called " electronic start-up ", was spent on the basis of use of the regular module of the software of a control system, model of object of the management realizing including indignant movement, and service programs of an automatic integrated estimation of the basic characteristics (performance of the set restrictions, accuracy of hit of separate elements of a booster rocket to preset areas of alienation, accuracy of deducing{removing} into an orbit, parameters of system of stabilization). At the complex stand working off of interface of the software of a control system with the real equipment was spent. The developed algorithms of prompting have provided high parameters at start-up of a booster rocket of "Energia" N6СЛ.
The scientific and technical problem of creation of the equipment of means of emergency protection of engines consisted in necessity of development of an effective control system of engines and their elements, possessing adaptibility to changes of structure of controllable parameters of breakdown susceptibility and algorithms of the control, the necessary speed providing prevention of development of failure{accident}, reliability of scope of all parameters of an emergency condition of the engine and недопущения false switching-off of normally working engines.
The problem of creation of a complex of the equipment of means of emergency protection of engines is solved by development датчиковой and преобразующей equipments, applications of the onboard digital computer and development of a complex algorithmic and the software providing flexible adjustment{option} of structure контролиpyeмых of parameters of breakdown susceptibility and thresholds of the control over input of a file of official given engines in structure of data on start-up by prestarting preparation of a booster rocket.
The problems connected with creation of system of power supplies of the block of the second step, are caused by features of technical requirements to this system, basic of which are:
- Power supplies of the onboard equipment of the block of the second step at all kinds of tests on all workplaces and in flight;
- Maintenance of necessary quality of power supplies (absence of splashes, failures, pulsations of pressure{voltage}) for a plenty of diverse consumers (the digital computer complex, the electronic equipment, powerful consumers), eating from a uniform source of the limited capacity{power}.
As a result of the analysis of variants of possible{probable} technical decisions the system of electrosupply on the basis of four турбогенераторных the sources of a direct current (modules) working in parallel on the general{common} loading has been chosen турбогенераторная.
Турбогенераторный the source should provide an opportunity of work on various working bodies in a wide range of change of temperatures, pressure and charges, a significant resource of work, high specific capacity{power} (24 kw at weight of 330 kg).
Created турбогенераторный the source of a direct current worked with a drive air, nitrogen, hydrogen and helium. Gas pathes of modules for all kinds of working bodies have been combined with the purpose of simplification of a design and decrease{reduction} in weight of system, that has allowed to exclude also switching at transition from one working body on another. The radially-ring structure of distribution of the electric power from uniform system of electrosupply coped the onboard digital computer.
For the decision of a problem of creation of system of gathering, processing and delivery of the control information hardware of gathering and transformation of the control information, formation of streams of the digital information transferred{transmitted} in the form of consecutive codes in parallel in a measures and in information-distributive system are created.
The lead research works within the limits of outline, the contract design and at a stage of release of the working documentation have allowed to create a complex of independent management of a booster rocket on the basis of the multimachine computer complex providing necessary interaction of a control system of the block of the second step, blocks of the first step and the ground equipment at carrying out of electric checks, the decision of problems{tasks} of prestarting preparation and problems{tasks} of management in flight.
On the basis of all-round automation of processes of designing, use of the perfect{absolute} methods of designing, carrying out theoretical and experimental researches the highly reliable software of onboard and ground digital computer complexes has been created. Have been solved problems of creation:
- Systems of angular stabilization and management of movement of the center of the weights, a booster rocket of "Energia" providing steady movement with the complex{difficult} dynamic scheme{plan};
- A complex of the equipment of means of emergency protection of the engines providing performance of the program of bench working off of the mid-flight engine of the first step and the mid-flight engine of the second step, and also bench tests of blocks by the first and the block of the second of steps;
- Systems of power supplies of the block of the second step providing power supplies of the onboard equipment of the block at all kinds of tests;
- Systems of gathering, processing and delivery of the control information for the control over carrying out of independent both complex tests and preparation for start-up;
- The experimental base including research stands, an analog-digital complex, complex stands and loading stands of steering drives;
- Technologies of preparation of data on the start-up, allowing to consider in algorithms of a complex of independent management a plenty of parameters of a booster rocket, a complex of independent management, onboard and ground systems and units.

Original version of the text

Бортовой комплекс управления

Особенности ракеты-носителя "Энергия", связанные с несимметричной многоблочной пакетной схемой конструкции и с наличием большого количества маршевых двигателей, высокие требования по безопасности и надежности подготовки и проведения испытаний, необходимость обеспечения принятой комплексной программы экспериментальной отработки, бортового комплекса автономного управления ракеты-носителя "Энергия" в условиях незавершенного процесса определения динамических характеристик ракеты-носителя и ее составных частей потребовали решения ряда сложных научно-технических проблем, среди которых можно выделить следующие:
- создание многомашинного вычислительного комплекса системы управления ракеты-носителя "Энергия";
- создание программного обеспечения наземного и бортовых цифровых вычислительных комплексов;
- создание системы угловой стабилизации и управления движением центра масс ракеты-носителя;
- создание системы наведения; создание комплекса аппаратуры средств аварийной защиты двигателей;
- создание системы электропитания блока второй ступени;
- создание системы сбора, обработки и выдачи контрольной информации;
- создание технологии подготовки данных на пуск.
Проблема создания многомашинного вычислительного комплекса управления ракеты-носителя "Энергия" предопределялась необходимостью обеспечения взаимодействия системы управления блока второй ступени, первой ступени и наземной аппаратуры комплекса автономного управления, а также бортовой и наземной частей систем управления полезных грузов при проведении электрических проверок, решении задач предстартовой подготовки, пуска и управления в полете. Кроме того, на бортовой комплекс автономного управления возложены задачи управления подготовкой и проведения огневых стендовых испытаний блоков первой ступени, второй ступени, контроля состояния работающих двигателей и аварийной защиты, а также управления блоками первой ступени на участке их возвращения и мягкой посадки.
Сложность и многообразие задач управления, необходимость проведения работ с экспериментальными ракетами и блоками на различных рабочих местах и пусковых установках, необходимость обеспечения возможности выведения ракетой-носителем не только орбитальных кораблей с достаточно совершенной системой управления, но и подвесных полезных грузов, оснащенных различными системами управления, а также необходимость создания комплекса автономного управления как базовой системы управления для ряда ракет-носителей определили облик многомашинной структуры вычислительного комплекса системы управления ракеты-носителя "Энергия", включающую центральную вычислительную машину М6М, расположенную на блоке второй ступени, вычислительные машины М4М на каждом блоке первой ступени, вычислительную машину на блоке второй ступени для решения задач контроля и защиты двигателей и группу вычислительных машин М4 и СМ-2 в составе наземной аппаратуры комплекса автономного управления. Созданная цифровая вычислительная машина блока второй ступени (центральная цифровая вычислительная машина комплекса) обеспечивает требуемую производительность на всех участках полета ракеты-носителя.
Аппаратно-программные средства обмена между цифровыми вычислительными машинами комплекса и абонентами цифровых вычислительных машин на блоках второй и первой ступеней и в наземной аппаратуре комплекса автономного управления обеспечивают обмен данными с задержками, не превышающими допустимые для задач управления исполнительными органами, элементами и смежными системами ракеты. Программные средства обеспечивают синхронно-синфазную работу цифровых вычислительных комплексов блоков второй и первой ступеней и синхронизацию их работы с работой цифровых вычислительных комплексов наземной аппаратуры комплекса автономного управления на участках совместного функционирования.
Информационно-распределительная система выполняет операции по подготовке к работе системы управления блоков, проводит автономные испытания систем и бортовых агрегатов при минимальном количестве связей между бортовой и наземной аппаратурой комплекса автономного управления, доставляет в цифровой вычислительный комплекс наземной аппаратуры автономного управления необходимую телеметрическую информацию.
Для этого созданы специализированные вычислительные средства информационно-распределительной системы, поддерживающие требуемый темп передачи обменной информации между цифровым вычислительным комплексом наземной аппаратуры автономного управления и бортовыми абонентами, специализированные средства информационного обмена в информационно-распределительной системе, бортовых абонентах и в цифровых вычислительных комплексах наземной системы автономного управления, обеспечивающие распределение и концентрацию передаваемых сообщений, средства самопроверки информационно-распределительной системы.
Управляющий вычислительный комплекс наземной аппаратуры комплекса автономного управления обеспечивает требуемое взаимодействие с системой управления блоков второй и первой ступеней, смежными системами и наземными объектами при сравнительно небольших требованиях к производительности цифровой вычислительной машины комплекса автономного управления. Для чего созданы устройства связи с оборудованием бортовой и наземной аппаратуры, требующие минимального участия цифровой вычислительной машины наземной аппаратуры автономного управления в передаче данных между абонентами, реализована структура устройства связи с оборудованием минимальной сложности матобеспечения, управляющего обменами.
Технология эксплуатации основана на использовании малоразмерных библиотек бортового цифрового вычислительного комплекса, концентрации логики и циклограмм проверок в программах цифрового вычислительного комплекса наземной аппаратуры автономного управления и обеспечивает хранение программ проверок на смежных носителях (магнитных дисках) и наращивание объема матобеспечения автономных испытаний практически без изменения программ бортового цифрового вычислительного комплекса. Такая технология позволяет сократить сроки разработки и отработки введением этапности и наращивания. При этом, малоразмерные библиотеки стандартных подпрограмм цифровых вычислительных комплексов блоков второй и первой ступеней обеспечивают обмен с абонентами бортового цифрового вычислительного комплекса по директивам цифровых вычислительных машин наземной аппаратуры автономного управления и доставку информации, прочитанной в цифровой вычислительной машине наземной аппаратуры автономного управления; системное матобеспечение цифрового вычислительного комплекса наземной аппаратуры автономного управления обеспечивает выполнение запросов разработчика проверок на обмен с абонентами без необходимости знания тонкостей программно-алгоритмической реализации этих средств. Создана операционная система цифровой вычислительной машины наземной аппаратуры комплекса автономного управления, а также исследовательский стенд и технология отработки на нем матобеспечения.
Система средств контроля и парирования нештатных ситуаций обеспечивает требуемый уровень безопасности при электроиспытаниях, подготовке к пуску и в полете. Для этого созданы средства контроля параметров для фиксации нештатных ситуаций на основе использования информационно-распределительной системы, матобеспечения бортового и наземного цифрового вычислительного комплекса; средства контроля возникновения нештатных ситуаций в матобеспечении цифрового вычислительного комплекса блока второй ступени, блоков первой ступени, цифрового вычислительного комплекса наземной аппаратуры централизованного комплекса автономного управления и их парирования в полете и на заключительных участках подготовки путем локализации нештатных ситуаций, либо централизованного перевода комплекса автономного управления в режим автоматического прекращения пуска.
Для системы оперативной оценки результатов комплексных испытаний и пуска в матобеспечении бортового и наземного цифрового вычислительного комплекса были созданы средства доставки и оценки данных с выводом на печать результатов и значений первичных контролируемых параметров.
Основой экспериментальной базы для проведения исследований и отработки аппаратуры и программного обеспечения были исследовательские стенды, аналого-цифровые комплексы и комплексные стенды. Исследовательские стенды позволяли провести моделирование отдельных этапов полета ракеты-носителя и полета в целом как в штатном, так и в нештатном режимах. Аналого-цифровой комплекс использовался для моделирования углового движения ракеты с учетом упругих колебаний корпуса и жидкости в топливных баках с задействованием реальных рулевых приводов. Комплексные стенды позволили проверить полную совместимость программного и аппаратного обеспечения системы управления в штатном и нештатном режимах подготовки, пуска и полета ракеты.
Объем и сложность задач, возложенных на комплекс автономного управления ракеты-носителя "Энергия", применение многомашинной структуры вычислительного комплекса, высокие требования к качеству и надежности его программного обеспечения вызвали необходимость решения проблемы разработки и испытаний большого комплекса взаимосвязанных бортовых программ. Объем программного продукта для бортового цифрового вычислительного комплекса составлял около 150 тыс. шестнадцатиразрядных слов. Кроме того, создавались программы для проведения проверок на всех рабочих местах при проведении автономных и комплексных испытаний, огневых стендовых испытаний блоков первой ступени, блока второй ступени и подготовки к пуску ракеты-носителя "Энергия".
Для разработки программного обеспечения комплекса автономного управления была развита и использована современная технология создания программного обеспечения, которая базируется на автоматизированной среде производства программ. Автоматизированная среда производства программ - это программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий технологическую поддержку всех этапов жизненного цикла программного продукта, начиная от проектирования и кончая сопровождением и эксплуатацией.
Основные научно-технические решения автоматизированной среды производства программ следующие:
- интегрированный набор высокопроизводительных средств, объединенных в одну систему, открытую для расширений и модификаций;
- простой и гибкий интерфейс с пользователем, в максимальной степени способствующий повышению производительности, на базе единого языка управления заданиями;
- концентрация всех данных разработки в едином банке данных проекта;
- специально разработанный язык высокого уровня и ассемблерная система;
- системы отладки и испытаний программного обеспечения.
Теоретическое обоснование принятых решений проводилось на базе потоковой модели технологического цикла, позволяющей провести увязку всех средств и обрабатываемых данных, определить оптимальные маршруты и максимально распараллелить процессы.
На базе автоматизированной среды производства программ создан ряд исследовательских стендов для моделирования движения ракеты в штатном и нештатном режимах с учетом возмущений параметров ракеты и внешней среды. В общей сложности на исследовательских стендах проведено свыше тысячи контрольных тестов ("полетов") и исследовано поведение ракеты в полете более чем в 200 штатных и нештатных ситуациях.
Создание комплексных стендов предоставило большие возможности по комплексной проверке совместимости программного и аппаратного обеспечения комплекса автономного управления. Для эффективного использования этих возможностей разработана и внедрена технология отработки матобеспечения и аппаратуры автономного управления на комплексных стендах, обеспечивающая контролируемость выбора объема проверок и его выполнения.
При создании системы угловой стабилизации и управления движением центра масс ракеты-носителя "Энергия" решены следующие задачи: обеспечение безударного движения ракеты-носителя на участке старта, ограничение аэродинамических нагрузок на конструкцию ракеты-носителя, стабилизация упругих колебаний корпуса, стабилизация колебаний жидкости в топливных баках, компенсация возмущений, обусловленных смещением центра масс относительно точки приложения равнодействующей силы тяги двигателей, распределение управляющих усилий по исполнительным органам.
Обеспечение безударного движения связано со стесненными условиями выхода ракеты-носителя из стартового сооружения. Расположение заправочно-дренажной мачты, агрегата экстренной эвакуации, башни обслуживания, девертора создавали практически "колодец". Положение усугублялось теоретической возможностью отказа одного из двигателей РД-170. Для решения этой задачи на основе теории оптимального управления были разработаны алгоритмы, обеспечивающие в штатном и нештатном режимах такие маневры ракеты-носителя, при которых достигается движение без соударений с фрагментами стартового комплекса.
В техническом задании на разработку комплекса автономного управления из условий несущей способности конструкции ракеты-носителя с учетом полезного груза были заданы допустимые величины произведения скоростного напора на угол атаки (скольжения). Обеспечение этих требований при разработке комплекса автономного управления вызвало определенные трудности, особенно при рассмотрении эксплуатационного режима, характеризующегося наличием больших ветровых возмущений, и нештатной ситуации, связанной с возможностью отказа одного из двигателей РД-170. Были разработаны алгоритмы управления, использующие информацию по углам скольжения, получаемую оценкой измеренных значений ускорений в различных сечениях по длине ракеты-носителя. Отработка алгоритмов управления проведена путем цифрового моделирования и моделирования движения ракеты-носителя в замкнутой схеме на аналого-цифровом комплексе и пуске ракеты-носителя "Энергия" в телеметрическом режиме.
Динамическая схема ракеты-носителя "Энергия" (с полезным грузом) включает в себя большое число осцилляторов, характеризующих колебания жидкости в топливных баках, поперечные упругие колебания конструкции, продольные колебания в тракте "топливоподающие магистрали - двигательная установка - корпус ракеты", упругие колебания в контуре "рулевой привод - двигатель РД-170".
Стабилизация колебаний осцилляторов такого рода проблематична как в отдельности, так и в совокупности, поскольку они имеют низкочастотный плотный и пересекающийся по времени полета спектр частот.
Проблема стабилизации упругих колебаний конструкции и колебаний жидкого наполнения баков решена путем разработки системы подавления наиболее активных тонов упругих колебаний, обеспечения фазовых условий стабилизации на основе использования информации с датчиков угловых скоростей, размещенных в различных сечениях по длине ракеты-носителя, создания системы цифровых сглаживающих и режекторных фильтров и активной фильтрации сигналов в тракте измерения угловых скоростей.
Правильность принятых решений подтверждена моделированием на цифровых вычислительных машинах, аналого-цифровых комплексах и результатами пусков ракеты-носителя "Энергия".
Несимметричная компоновка ракеты-носителя с полезным грузом, а также отказы отдельных двигателей в процессе полета приводят к значительным смещениям центра масс ракеты относительно точки приложения равнодействующей силы двигательной установки.
С целью компенсации возникающих возмущений и уменьшения дополнительных нагрузок на конструкцию разработаны алгоритмы управления, обеспечивающие инвариантность к внешним возмущениям. Разработанные алгоритмы, проверенные на цифровых вычислительных машинах, аналого-цифровых комплексах, подтвердили свою эффективность при пусках ракеты-носителя "Энергия" N6СЛ.
При создании управляющих воздействий на ракете-носителе "Энергия" участвуют 40 исполнительных органов: 32 рулевых привода управляют двигателями РД-170 на блоках первой ступени и 8 рулевых приводов - маршевыми двигателями второй ступени. В случае отказа одного из двигателей первой или второй ступеней нарушается симметрия в схеме распределения сил при формировании управляющих воздействий по каналам тангажа, рыскания и крена. Это приводит к ухудшению условий управляемости и стабилизации ракеты-носителя.
В целях обеспечения достаточности управляющих усилий при заданных диапазонах отклонений управляющих органов или при условии возможного отказа одного из двигателей решена задача оптимального распределения ресурсов управляющих органов. Принятое решение проверено моделированием на цифровой вычислительной машине и аналого-цифровом комплексе.
Динамическая схема ракеты-носителя с полезным грузом описывается системой из более 500 дифференциальных уравнений. Коэффициенты уравнений системы с учетом различных эксплуатационных режимов состоят из нескольких десятков тысяч параметров. Все известные аналоги имели порядок системы уравнений не более 50 и только сотни переменных параметров.
Существующие технологии проектирования на базе отечественной вычислительной техники не могли обеспечить решение поставленной задачи.
Для успешного решения всего комплекса вопросов, связанных с созданием системы угловой стабилизации ракеты-носителя "Энергия", была разработана новая технология проектирования, в основе которой лежит расчленение единой системы уравнений на ряд подсистем со слабо выраженными функциональными связями, создание единого банка данных, объединение в единую сеть большого числа аналоговых и цифровых вычислительных средств и создание на их базе аналого-цифрового комплекса, разработка пакета примерных программ, создание цифрового моделирующего комплекса, создание комплекса нагрузочных стендов и станций гидропитания рулевых приводов.
Основная проблема при создании системы наведения ракеты-носителя "Энергия" связана с необходимостью учета в алгоритмах комплекса автономного управления влияния отказа любого из восьми двигателей на траекторию полета и определением программы управления в случае падения суммарной тяги двигательной установки на величину, достигающую 40 % номинального значения.
Аналогичная задача решается системой управления многоразовой космической системы "Спейс Шаттл" в случае отказа одного из трех маршевых двигателей, приводящего к снижению суммарной тяги двигательной установки на первой ступени всего лишь на 7 % номинального значения. Относительно небольшое снижение суммарной тяги на первой ступени многоразовой космической системы "Спейс Шаттл" позволяет использовать на атмосферном участке выведения методы управления, максимально приближенные к традиционным.
Значительное снижение уровня суммарной тяги двигательных установок на ракете-носителе "Энергия" в случае отказа двигателя потребовало разработки нового программно-адаптивного метода наведения на атмосферном участке. Этот метод позволяет формировать программу управления как для штатного полета, так и в случае отказа одного из восьми двигателей, и обеспечить выполнение ограничений по углу атаки и величине скоростного напора.
Для управления движением ракеты-носителя "Энергия" на внеатмосферном участке выведения в условиях возможных нештатных ситуаций, связанных с отказом одного из двигателей, возникла необходимость использовать методы наведения, обеспечивающие выполнение сложных пространственных маневров с целью выведения полезного груза с реально сложившейся тяговооруженностью ракеты-носителя. Задача усложнялась неопределенностью момента отказа двигателя и уровня тяги работающих двигателей. Применение существующих в настоящее время функциональных методов в этом случае практически не представляется возможным из-за необходимости потребных опорных траекторий при всем многообразии возможных отказов в двигательной установке.
Для управления ракетой-носителем "Энергия" на внеатмосферном участке выведения с выполнением заданных ограничений и краевых условий в штатном полете, а также при отказе одного из двигателей разработан итеративно-адаптивный метод управления, в основу которого положено использование оптимальных законов управления и решение краевой задачи. При этом совокупность краевых условий и ограничений определялась из условий, накладываемых средствами, обеспечивающими спасение экипажа и полезного груза, отделения параблоков, головного обтекателя и расчетной орбитой выведения.
При отказе одного из двигателей комплекс автономного управления принимает решение о дальнейшем полете с выбором: или продолжение полета с выведением на штатные краевые условия, или возвращение в район старта с посадкой орбитального корабля на посадочный комплекс (маневр возврата), или приведение полезного груза в район отчуждения (маневр приведения).
Наземная отработка алгоритмов наведения и программного обеспечения комплекса автономного управления, реализующих задачи управления в штатном полете и в нештатных ситуациях, была проведена на исследовательских и комплексных стендах. При этом наряду с традиционной технологией тестирования программы (использование контрольных примеров) была внедрена и широко использовалась технология отработки программного обеспечения системы управления в замкнутой схеме исследовательского стенда.
Отработка программного обеспечения системы управления в замкнутой схеме исследовательского стенда, так называемый "электронный пуск", проводилась на основе использования штатного модуля программного обеспечения системы управления, модели объекта управления, реализующего в том числе возмущенное движение, и сервисных программ автоматической интегральной оценки основных характеристик (выполнение заданных ограничений, точность попадания отдельных элементов ракеты-носителя в заданные районы отчуждения, точность выведения на орбиту, параметры системы стабилизации). На комплексном стенде проводилась отработка сопряжения программного обеспечения системы управления с реальной аппаратурой. Разработанные алгоритмы наведения обеспечили высокие показатели при пусках ракеты-носителя "Энергия" N6СЛ.
Научно-техническая проблема создания аппаратуры средств аварийной защиты двигателей состояла в необходимости разработки эффективной системы управления двигателями и их элементами, обладающей адаптивностью к изменениям состава контролируемых параметров аварийности и алгоритмам контроля, необходимым быстродействием, обеспечивающим предотвращение развития аварии, надежностью охвата всех параметров аварийного состояния двигателя и недопущения ложного отключения нормально работающих двигателей.
Проблема создания комплекса аппаратуры средств аварийной защиты двигателей решена путем разработки датчиковой и преобразующей аппаратуры, применения бортовой цифровой вычислительной машины и разработки комплекса алгоритмического и программного обеспечения, предусматривающего гибкую настройку состава контролиpyeмых параметров аварийности и порогов контроля посредством ввода массива формулярных данных двигателей в составе данных на пуск при предстартовой подготовке ракеты-носителя.
Проблемы, связанные с созданием системы электропитания блока второй ступени, обусловлены особенностями технических требований к этой системе, основными из которых являются:
- электропитание бортовой аппаратуры блока второй ступени при всех видах испытаний на всех рабочих местах и в полете;
- обеспечение необходимого качества электропитания (отсутствие всплесков, провалов, пульсации напряжений) для большого количества разнородных потребителей (цифровой вычислительный комплекс, электронная аппаратура, мощные потребители), питающихся от единого источника ограниченной мощности.
В результате анализа вариантов возможных технических решений была выбрана турбогенераторная система электроснабжения на основе четырех турбогенераторных источников постоянного тока (модулей), работающих параллельно на общую нагрузку.
Турбогенераторный источник должен был обеспечивать возможность работы на различных рабочих телах в широком диапазоне изменения температур, давлений и расходов, значительный ресурс работы, высокую удельную мощность (24 кВт при массе 330 кг).
Созданный турбогенераторный источник постоянного тока работал с приводом воздухом, азотом, водородом и гелием. С целью упрощения конструкции и снижения массы системы газовые тракты модулей для всех видов рабочих тел были совмещены, что позволило также исключить переключение при переходе с одного рабочего тела на другое. Радиально-кольцевая структура распределения электроэнергии от единой системы электроснабжения управлялась бортовой цифровой вычислительной машиной.
Для решения проблемы создания системы сбора, обработки и выдачи контрольной информации созданы аппаратные средства сбора и преобразования контрольной информации, формирования потоков цифровой информации, передаваемых в виде последовательных кодов параллельно в систему измерений и в информационно-распределительную систему.
Проведенные научно-исследовательские работы в рамках эскизного, технического проекта и на этапе выпуска рабочей документации позволили создать комплекс автономного управления ракеты-носителя на базе многомашинного вычислительного комплекса, обеспечивающего необходимое взаимодействие системы управления блока второй ступени, блоков первой ступени и наземной аппаратуры при проведении электрических проверок, решении задач предстартовой подготовки и задач управления в полете.
На базе всесторонней автоматизации процессов проектирования, использования совершенных методов проектирования, проведения теоретических и экспериментальных исследований было создано высоконадежное программное обеспечение бортового и наземного цифровых вычислительных комплексов. Были решены проблемы создания:
- системы угловой стабилизации и управления движением центра масс, обеспечивающей устойчивое движение ракеты-носителя "Энергия" со сложной динамической схемой;
- комплекса аппаратуры средств аварийной защиты двигателей, обеспечивающей выполнение программы стендовой отработки маршевого двигателя первой ступени и маршевого двигателя второй ступени, а также стендовых испытаний блоков первой и блока второй ступеней;
- системы электропитания блока второй ступени, обеспечивающей электропитание бортовой аппаратуры блока при всех видах испытаний;
- системы сбора, обработки и выдачи контрольной информации для контроля при проведении автономных и комплексных испытаний и подготовке к пуску;
- экспериментальной базы, включающей исследовательские стенды, аналого-цифровой комплекс, комплексные стенды и нагрузочные стенды рулевых приводов;
- технологии подготовки данных на пуск, позволяющей учитывать в алгоритмах комплекса автономного управления большое количество параметров ракеты-носителя, комплекса автономного управления, бортовых и наземных систем и агрегатов.