Дата 12 апреля 1961 года навсегда вошла в историю человечества. В этот день Юрий Гагарин на пилотируемом корабле «Восток» впервые в мировой истории совершил полёт вокруг Земли – легендарные 108 минут, за которые корабль сделал всего один оборот вокруг земного шара. Но это был огромный шаг вперёд. Полёт Юрия Гагарина доказал, что человек может жить и работать в космосе. Началась новая эпоха – эпоха освоения человеком космического пространства.
Системы космического применения сегодня являются одним из важных направлений работ нашего концерна. История работ по этому направлению началась на заре космической эры, когда наши приборы оказались востребованы для обеспечения ориентации в пространстве спутников наблюдения за поверхностью Земли.
НА ЗАРЕ КОСМИЧЕСКОЙ ЭРЫ
Первые советские наблюдательные спутники, так же как и пилотируемый корабль-спутник «Восток», разрабатывались в ОКБ-1 под руководством С.П. Королёва (ныне РКК «Энергия») по одному типовому образцу, что объяснялось соображениями экономии при проектных работах. Первоначально эти спутники даже имели одинаковое название, различаясь только цифрой. Пилотируемый корабль назывался «Восток-1», наблюдательный спутник – «Восток-2».
После успешного полёта Ю.А. Гагарина на пилотируемом корабле «Восток-1» во избежание путаницы спутник «Восток-2» переименовали в «Зенит-2», и вся дальнейшая серия спутников получила название «Зенит». Работы над «Зенитами» были переданы в куйбышевский филиал №3 ОКБ-1, который впоследствии был переименован в ЦСКБ «Прогресс», которое по сей день является ведущей организацией по созданию космических аппаратов оптического наблюдения Земли.
Внешне «Зенит» мало отличается от «Востока». Его основа – сферическая возвращаемая капсула – чуть больше 2 метров в диаметре и массой около 2,5 тонн. Но различие в целевом назначении предопределило существенные отличия их внутренней компоновки. Внутри капсулы «Зенита» вместо системы жизнеобеспечения были установлены фотографическая аппаратура, телеметрическая система для передачи информации, система управления бортовым комплексом и др. Фотоаппараты устанавливались так, чтобы их оптические оси были перпендикулярны продольной оси спутника. Съёмка осуществлялась через многостекольные иллюминаторы, прорезанные в крышке одного из двух технологических люков большого диаметра. Интересно, что даже система терморегулирования была существенно доработана, т.к. сложные оптические системы могут выдержать более узкий диапазон колебаний температуры и скорости её изменения, чем человеческий организм.
Одно из важнейших отличий спутника «Зенит» от пилотируемого корабля «Восток» состояло в необходимости поддерживать с высокой точностью его ориентацию на всём протяжении полёта. Система управления движением «Востока» обеспечивала его ориентацию только перед спуском. Но для того, чтобы фотографировать поверхность Земли наиболее эффективно, оптическая ось фотоаппаратуры должна быть перпендикулярна объекту съёмки. Для качественной фотосъёмки требуется постоянная высокоточная трёхосная ориентация аппарата – погрешность ориентации более одного градуса приводит к недопустимому ухудшению качества изображения. Новая система управления должна была обеспечивать форсированные развороты в плоскости крена (плоскости, перпендикулярной плоскости орбиты) на углы до ±35 градусов и последующую трёхосную стабилизацию в этом положении с сохранением заданной точности; в процессе полёта вне тени Земли выставку солнечных батарей на оптимальные углы для наиболее эффективного освещения всей их площади. Всё это потребовало создания принципиально новой системы ориентации и навигации.
«… Наш традиционный смежник по гироскопической технике Виктор Кузнецов был пресыщен работами по боевым ракетам, и мне не удалось соблазнить его перспективой создания фантастического гирокомплекса.
– Попробуй в Ленинграде уговорить Гордеева и Фармаковского.
… В КБ ленинградского «Электроприбора» на редкость добросовестно была исследована схема и разработана конструкция двухроторного орбитального гироскопического комплекса для нового космического спутника «Зенит-4». Точность системы была при этом за счёт дотошности ленинградцев повышена по сравнению с «Зенитом-2» в десять раз!»
Б.Е. Черток «Ракеты и люди»
Космический дебют Владимира Григорьевича Гордеева (начальника лаборатории, впоследствии главного инженера – заместителя директора, д.т.н., профессора) и Сергея Фёдоровича Фармаковского (главного инженера, затем заместителя директора по научной работе, д.т.н., профессора) ознаменовался разработкой гироскопической системы «Сфинкс». Это была корректируемая по сигналам инфракрасной вертикали система, в которую входили двухроторный гироорбитант и гирогоризонт. Система содержала два свободных гироскопа (ЗШГ-50), оси роторов, которые при штатной эксплуатации располагались в плоскости орбиты перпендикулярно друг другу, внешние оси подвеса обоих гироскопов были нормальны к этой плоскости и допускали неограниченное вращение. Такая схема позволяла обеспечить формирование всех трёх сигналов углового отклонения от орбитальной системы координат инерциальными методами.
С этой разработкой в начале 1960-х годов «Электроприбор» включился в работу по созданию гироскопических приборов ориентации искусственных спутников Земли. Научным руководителем проектов был один из ведущих учёных страны в области автоматического управления, д.т.н., профессор В.А. Бесекерский.
В 1963–1964 годах был разработан гироориентатор «Соболь», в котором были достигнуты большая точность и возможность обеспечения манёвренности космических объектов на околоземной орбите.
«… Для решения вопроса (о создании новой схемы гироскопических приборов) Б.В. Раушенбах предпринял поездку в Ленинград – в НИИ-303, известное предприятие, профессионально занимающееся системами навигации и гироскопии в судостроительной промышленности (теперь это концерн «ЦНИИ «Электроприбор»).
На этой встрече был определён ответственный исполнитель работ со стороны НИИ. Им стал Владимир Гордеев. Надо сказать, что благодаря его энергии и таланту начатое сотрудничество оказалось очень плодотворным.
… Наши исследования показали эффективность применения предложенной ленинградцами двухроторной гироорбиты».
В.Н. Бранец «Записки инженера»
В 1966–1968 годах был создан и освоен в производстве гироориентатор «Квант» для космического аппарата дистанционного зондирования Земли «Зенит». Этот проект также возглавлял В.Г. Гордеев. В 1972 году «Квант» был принят на вооружение Военно-космических сил.
«Квант» сделал возможным проведение фотосъёмки любого района Земли с большой разрешающей способностью, позволяющей, например, различать типы и направление движения автомашин. Более 30 лет (при соответствующей модернизации) его выпускали серийно для многих космических объектов.
Оригинальность технических решений, реализованных в разработках «Электроприбора» по космической тематике, подтверждена 36 свидетельствами на изобретения.
«… В кабинете генерального директора Российского научно-производственного центра НИИ «Электроприбор» члена-корреспондента Российской академии наук Владимира Пешехонова профессор Фармаковский обратил моё внимание на висевший на стене огромный план Санкт-Петербурга. Это был подарок самарского ЦСКБ Петербургскому НИИ «Электроприбор». План был космическим снимком Санкт-Петербурга. На нём можно разглядеть буквально каждый дом».
Б.Е. Черток «Ракеты и люди»
МОРСКОЙ КОСМИЧЕСКИЙ ФЛОТ
Любой космический аппарат с момента старта и до окончания полёта должен находиться под наблюдением Центра управления полётом. С этой целью начиная с 1956 года на территории СССР начала разворачиваться сеть наземных командно-измерительных пунктов для поддержания радиосвязи с экипажами космических кораблей, наблюдения и управления космическими аппаратами. Однако, как показали исследования, из 16 суточных витков 6 находятся вне радиовидимости с территории СССР.
Не видна измерительным пунктам и большая часть траектории над Атлантикой, где должны были выполняться ответственные операции – стыковки–расстыковки космических аппаратов, торможение и спуск космических кораблей, а также «второй старт» – вывод межпланетных космических станций с промежуточной орбиты на заданную траекторию. К началу 1960-х годов стала понятна необходимость присутствия измерительных пунктов и в Мировом океане. Назрел вопрос о создании специализированных судов, способных выполнять функции командно-измерительных пунктов. С этой целью в срочном порядке на трёх торговых судах Министерства морского флота СССР («Ворошилов», «Краснодар» и «Долинск») была установлена телеметрическая радиоаппаратура. В августе 1960 года эти суда вышли в свои первые рейсы.
До 1967 года «космические» суда, находясь под флагом СССР, выходили в рейс под видом судов снабжения рыболовного флота. В июне 1967 года было принято решение о создании в составе отдела научного флота Академии наук СССР подразделения научно-исследовательских судов, и на кораблях был поднят вымпел Академии наук СССР, а в 1970 году при отделе морских экспедиционных работ была создана «Служба космических исследований».
В 1967 году флот пополнили суда так называемой «лунной флотилии» – «Космонавт Владимир Комаров», «Боровичи» и др. Назначением этих судов было сопровождение советской программы лунных пилотируемых полётов.
В 1970 году вошло в строй научно-исследовательское судно «Академик Сергей Королёв», а в 1971 – флагман морского космического флота «Космонавт Юрий Гагарин». К концу 1978 года флот «Службы космических исследований» отдела морских экспедиционных работ АН СССР насчитывал 11 судов, базировавшихся в Ленинграде и Одессе.
В 1967–1971 годах «Электроприбор» оборудовал уникальными навигационными комплексами («Сож-595», «Альтаир» и «Антарес») научно-исследовательские корабли-измерители «Космонавт Владимир Комаров», «Академик Сергей Королёв» и «Космонавт Юрий Гагарин». Навигационные комплексы обеспечили определение места и слежение за космическими аппаратами во всех точках мирового океана и при любых погодных условиях.
«… Я пишу эти строки в Одессе, на борту судна «Академик Сергей Королёв». … [Этот корабль – ред.] – это прежде всего восемьдесят пять лабораторий, напичканных самой современной аппаратурой.
Основное назначение судна – передача в космические объекты команд и программ управления, проведение траекторных измерений (определение дальности и радиальной скорости объекта), телеметрический контроль функционирования бортовой аппаратуры двухсторонняя телеграфно-телефонная связь с экипажами пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций. С этой целью на корабле установлены командно-измерительный комплекс «Мезон» и комплекс связи «Румб», обеспечивающий совместную работу с ЦУП через спутники «Молния». <…> Однако всё это техническое великолепие лежало бы мёртвым грузом, если бы на судне не был установлен разработанный нашим предприятием высокоточный навигационный комплекс «Альтаир». Он обеспечивает не только навигационную безопасность плавания, но и, что самое важное, высокоточное позиционирование судна в открытом море (без чего, например, были бы невозможны траекторные измерения)».
Б.С. Ривкин «Путешествие в неизведанное»,
цикл заметок в газете «Электроприбор»,
№№2-7, 2013 г.
НОВЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ
Исследования воздействия условий космоса на живые организмы и физические процессы начались с первыми полётами. На орбиту отправились не только собаки Белка и Стрелка, но и мыши, семена растений и прочие биологические объекты. Проект «Восток» имел продолжение во многих сферах.
Кроме «Зенитов», на его основе были созданы также научные спутники «Фотон» для исследований в области космического материаловедения и «Бион» для изучения воздействия факторов космического полёта на живые организмы. Некоторые уникальные технологии, такие как получение сверхчистых полупроводниковых материалов и оптических стёкол, выращивание кристаллов в растворе, проведение экспериментов по клеточной биологии, продуктивны только в условиях невесомости. Однако «тонкие» и «капризные» исследования и технологии требуют жёсткого контроля влияния микрогравитации и микроускорений. Ведь на борту космического аппарата нет абсолютной невесомости, просто при его свободном неуправляемом полёте воздействие сил гравитации и инерции в 1000 и более раз ниже, чем на Земле.
В 1993 г. благодаря достижениям в области прецизионной гироскопии ЦНИИ «Электроприбор» вернулся к разработкам аппаратуры по космической тематике на новом техническом уровне. Одной из таких задач стала разработка принципиально новой системы измерений и спектрального анализа микроускорений «Синус-К» для низкоорбитальных космических аппаратов. Специальные технические требования и условия эксплуатации поставили перед главным конструктором О.Л. Муминым задачу разработки принципиально нового акселерометра и средств преобразования информации.
В короткий срок необходимо было не только провести разработку, подготовить производство, решить ряд технологических задач, изготовить приборы и электронные блоки, но и решить проблемы испытаний в наземных условиях, адаптации к требованиям космического применения и к условиям взаимодействия прибора с другими средствами. Модификации системы «Синус-К» и сейчас успешно используются на борту специализированных космических аппаратов типа «Фотон» и Международной космической станции.
В конце 1990-х годов появились новые требования к управлению движением прецизионных космических аппаратов дистанционного зондирования Земли. Помимо фотосъёмки была поставлена задача ведения видеонаблюдения, для чего потребовалось достичь в несколько раз большей точности ориентации спутника во время съёмки и сложной пространственной траектории углового движения.
«На втором (современном) этапе разработки систем управления движением появились новые возможности для решения по-прежнему уникальных задач определения ориентации космических аппаратов наблюдения с длиннофокусной оптико-электронной аппаратурой наблюдения (ОЭАН). Появилось предложение ЦНИИ «Электроприбор» (директор – академик РАН В.Г. Пешехонов) о создании БИНС на основе электростатических гироскопов (ЭСГ). Декларировалась возможность достижения высокой точности и практически неограниченный ресурс времени функционирования. Столь малый уход опорной системы координат мог обеспечить постоянную готовность к работе ОЭАН при длительных промежутках между астрокоррекциями. <…> Было принято решение принять это предложение и выдать техническое задание на реализацию такой БИНС, удовлетворяющей нашим техническим и эксплуатационным условиям. <…> В итоге система на ЭСГ впервые в отечественной и мировой практике для применения в космосе была создана».
А.Н. Кирилин, Г.П. Аншаков, Р.Н. Ахметов, Д.А. Сторож
«Космическое аппаратостроение: Научно-технические исследования и практические разработки ГНПРКЦ «ЦСКБ Прогресс»
В 1997 году в филиале №1 института в Гатчине начались работы по созданию новой системы ориентации. На основе электростатического гироскопа со сплошным ротором удалось создать уникальную бескарданную измерительную систему (БИС-ЭГ), позволившую достичь требуемых высоких характеристик и приемлемых массогабаритных показателей (главный конструктор – Б.Е. Ландау). Система БИС-ЭГ предназначена для выработки информации об угловом положении космического аппарата относительно базовой инерциальной системы координат, и её использование не накладывает ограничений на величину и скорость углового перемещения космического аппарата, что позволяет реализовать любые виды съёмок.
Система БИС-ЭГ используется на нескольких типах спутников и обеспечивает (и в ближайшей перспективе будет обеспечивать) работу прецизионных систем ориентации российских космических аппаратов дистанционного зондирования Земли.
Детальная информация о земной поверхности, полученная с космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, используется для решения широчайшего спектра задач. Среди них – обновление топографических планов и карт, составление прогноза погоды, отслеживание реального местонахождения морских судов, мониторинг дорожно-транспортной инфраструктуры, планирование аварийно-спасательных работ в районах природных и техногенных катастроф и ещё множество других применений. Качество решения задачи зондирования зависит не только от высокой разрешающей способности средств наблюдения, но и от точности их угловой ориентации относительно объектов наблюдения. В свою очередь, развитие технологий ориентации и управления движением невозможно представить без современных разработок ЦНИИ «Электроприбор».
Авторы благодарят Владимира Николаевича Бранца за ценные замечания в процессе подготовки заметки.
Авторы: Т.В. Панич, О.М. Яшникова
Дальнейшая информация: press@ao–kmp.ru
