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.

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.

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.

Вычислительный комплекс

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 – 37х10⁴ 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.

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.

Проверено практикой

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.

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.

Технологии прошлого

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.

Автор: Рябов Кирилл

На фото:

1. Система "Энергия-Буран" на стартовом столе. Фото НПО "Молния"

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

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

4. Гидравлический привод одного из аэродинамических рулей. Фото Wikimedia Commons

5. Кабина тренажера экипажа. Фото Wikimedia Commons

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

https://topwar.ru/armament/space/