3.16 Перестыковка: как часовой механизм
3.16 Перестыковка: как часовой механизм
В ночь на 8 декабря 1989 года мы находились в подмосковном ЦУПе, в его новом зале, специально сооруженном для управления ракетно–космической системой «Энергия» — «Буран». На этот раз зал использовали для управления модулем «Квант-2», который двумя днями ранее, преодолев трудности, успешно пристыковали к осевому причалу ОК «Мир». В ту ночь нам предстояло выполнить новую операцию: перестыковать этот модуль к боковому причалу. Эта операция выполнялась впервые. Нам вместе с нашей системой предстояло выдержать еще один экзамен в космосе. Пожалуй, это был даже не экзамен, а такая операция, в которой не могло быть никакой осечки. Каждый модуль, так же как первый знаменитый апрельский «Квант» 1987 года, являлся уникальным «квантом», вносившим свою долю в сооружение постепенно растущего орбитального комплекса.
Предварительно проверив состояние систем модуля и станции, мы начали эту необычно длинную операцию. Несколько радиокоманд, выданных с Земли на борт, инициировали целую серию действий, которые выполнялись двумя связанными между собой системами: стыковки и перестыковки. Принципиально новым элементом в этой операции стал манипулятор–перестыковщик. Иногда мы называли его просто «лапа», что было понятнее. Эта электромеханическая рука, короткая и мощная, действительно чем?то напоминала лапу сибирского медведя, отсюда и ее название. Манипулятор установили сбоку на активный стыковочный агрегат модуля. Две системы попеременно, шаг за шагом начали выполнять эту задачу. Перестыковка состояла из двух десятков отдельных действий, которые выполнялись в автоматической последовательности управлявшейся бортовой авионикой обеих систем. Вся операция заняла ровно 60 минут — столько времени потребовалось, чтобы переместить модуль из осевого положения на бок, в конфигурацию, которая получила другое образное название «сапог»: станция стала похожей на русскую букву «Г» космического масштаба. Фотографию станции такой новой непривычной формы вскоре доставили на Землю наши космонавты, и она, хотя и оказалась очень неудобной в управлении, украсила нашу коллекцию, а также календари 1990 года.
Все это случилось позже, а в ту ночь новая система и новая операция заставили нас изрядно поволноваться.
Продолжительность зоны связи через наземные измерительные пункты (НИПы) не превышает 20—25 минут. Это очень неудобно при длительных операциях на орбите. При перестыковке мы получали телеметрическую информацию о работе систем лишь в начале, затем наступал длительный перерыв. Весь орбитальный комплекс в промежуточной нестабильной, нежесткой конфигурации с 20–тонным модулем на «лапе» скрылся за горизонтом, где?то на восточных границах огромной страны. Нам ничего не оставалось — лишь ждать у наших мониторов, следующая зона связи начиналась только через час. За годы управления стыковкой из ЦУПа таких часов ожидания набралось немало. Почти привыкнув к такому режиму, мы проводили это время в разных мелких делах. Обычно занимаясь тем, что называется времяпрепровождением: выпить чашку кофе, переговорить с товарищем, более опытные профессионалы успевали даже подремать. Можно сказать, мы жили по орбитальным часам. На этот раз почти никто не двигался в течение целого часа, никто не отходил от своих мониторов. Мы ждали, глядя на почти ничего не значившие, не говорившие экраны: зависшие буквы и цифры, этот птичий язык, застывший в воздухе.
Шестьдесят минут могут стать очень длительным часом, тянуться медленно, почти бесконечно, а могут проскочить очень быстро, как один миг. Этот час оказался очень длинным. Однако всё когда?нибудь кончается, и этот час прошел: 10, 9, 8,… 2, 1, строки на экране снова побежали, снова пошла информация, пришедшая уже с западных границ страны. Мы впивались взглядом в экран, я почему?то посмотрел сначала на телеметрический параметр под названием ЛПШ, он показывал 440 мм, значит, вот она — жесткая стыковка к боковому причалу. «Сапог» обут полностью.
Ю. Семёнов, в то время уже генеральный всего НПО «Энергия», покидая зал управления, сделал крюк, пройдя мимо нас, не остановившись, а лишь на ходу бросив всего несколько слов: «Вы тут все?таки можете работать, иногда». Эту фразу мы с Е. Бобровым тоже запомнили надолго и не раз вспоминали по разному поводу.
В те дни и ночи мы продолжали работать над МСБ, над многоразовой солнечной батареей, над тем, что позже стали называть: «больше, чем доступно глазу», — а та декабрьская ночь стала завершающим аккордом другой большой работы, которая началась еще в начале 80–х годов. Она не закончилась в том тяжелом 1989 году, нам еще предстояло пережить много таких перестыковочных часов. В 1995 году предстояло многократно запускать этот часовой механизм туда и обратно, а ситуация становилась почти критической. Похоже, что этой системе еще предстоит не раз совершить свой часовой оборот в этом, а может быть, и в третьем тысячелетии. Поэтому стоит рассказать о ней подробнее.
Мы приступили к разработке перестыковки вместе с нашими проектантами, которые работали под руководством К. Феоктистова. Мне пришлось много и тесно взаимодействовать с ним в то время, однако, как всегда, он держался на расстоянии.
Уже немного писалось о проблеме, как состыковать модули к боковым причалам переднего переходного отсека ОС «Мир», так называемого ПхО, говорилось о том, что прямая стыковка сбоку оказалась практически невозможной. Так родилась схема этой операции с промежуточной стыковкой к осевому причалу ПхО и последующим кантованием модулей на бок. Для кантования требовался манипулятор — механическая рука.
Мы вместе с проектантами рассматривали возможные варианты. Их было несколько, они отличались прежде всего тем, где располагался манипулятор и какова его кинематическая схема — кинематика.
В моем архиве до сих пор сохранились эскизы, на которых сделаны первые наброски этих схем. Среди них есть варианты с манипулятором, установленным на отсеке ПхО, есть варианты с манипулятором на модуле. Рассматривались также разные кинематические схемы самого манипулятора со звеньями, соединенными только шарнирами, и с применением поступательных пар. Там, где можно, мы старались не применять поступательно перемещавшихся звеньев, несмотря на то что умели их делать: ведь в каждом стыковочном механизме они используются. Природа, однако, не создала ни одного живого организма с поступательно движущимися членами, так же как нигде не использовала колеса. Наверное, потому, что проще шарнира механизма нет.
В конце концов, мы выбрали вариант с манипулятором с двумя шарнирами и расположили его на модуле. На станции, на ПхО, разметили специальные гнезда, в которые входил штырь головки манипулятора. Гнезд стало два, каждое из них обслуживало по два боковых стыковочных агрегата, а манипулятор еще на Земле можно было установить справа или слева, с головкой, обращенной к одному или другому гнезду, в зависимости от того, к какому боку направлялся модуль. Вариантов и подвариантов набралось немало, даже появилась опасность что?то перепутать. С этим мы столкнулись позже, когда начались настоящие перестыковки в космосе.
Несмотря на то что приходилось устанавливать манипулятор, «лапу», на каждый модуль, другие аргументы пересилили этот недостаток. Прежде всего в этом варианте обе активных части системы — стыковки и перестыковки — располагались вместе, на модуле, это значительно упрощало управление, позволило выполнять операцию автоматически. Как показал последующий анализ, опыт работы в космосе, это решение действительно оказалось правильным. Все это стало ясно только через 10 с лишним лет, в середине 1995 года. Тогда, на проектном этапе, мы анализировали основные и резервные режимы работы, и они нам подсказали правильное решение. В этом, может быть, главная ценность такого подхода к проектированию космических систем, резервирования многих компонентов, поиска и анализа нештатных ситуаций.
Утвердив, заморозив проект, мы приступили к детальной разработке. Работа на этом этапе развивалась в двух направлениях: по конструированию самого манипулятора и по проектированию управления перестыковкой, включая интеграцию с системой стыковки. Обе части этого проекта были, конечно, тесно связанными между собой и с решением ряда частных проблем.
Манипулятор, или «лапу», разрабатывали конструкторы Боброва и Обманкина. Их опыт, талант и энтузиазм сделали свое дело: конструкция получилась удачной, и всех нас не подвела.
Управление системой разрабатывали автоматчики из отдела В. Живоглотова. Помню, как я предложил ему поручить это задание лаборатории Е. Панина, которая занималась большим манипулятором для «Бурана», интегрировала его на борту многоразового корабля, а она, как упоминалось, создавалась ленинградскими робототехниками. Мне представлялось, что самостоятельная разработка хорошо дополнит кураторскую деятельность лаборатории. Еще раз могу сказать: руководить — это значит предвидеть. Как известно, бурановскому манипулятору не суждено было слетать в космос. Зато система перестыковки оказалась действительно одной из ключевых наших систем. Панин и его товарищи отлично справлялись с задачей. Им пришлось со своей системой пройти через все этапы отработки и испытаний, квалификации и предполетных проверок, подготовки и испытаний в ЦУПе, им лишь не пришлось слетать самим в космос. Сам Панин, талантливый и самобытный человек, с которым мы вместе хорошо играли в футбол и в хоккей еще в далекие 60–е годы нашей молодости, до конца руководил своими товарищами и своей техникой до тех пор, пока болезнь не приковала его к постели. Мы постарались чем?то помочь, но, к сожалению, люди еще не научились во всех случаях заменять отказавшие живые приборы управления…
Уже в 1992 году мы с В. Живоглотовым предложили Панину возглавить работу по интеграции европейского манипулятора ERA на ОС «Мир-2», он отказался: не захотел развивать высокоразвитую западную робототехнику за счет отечественной. Я не разделял его взглядов, так как был уверен, что сделать еще один большой космический манипулятор в новых условиях стало невозможно: пришло время для широкой кооперации в космосе. Однако сам поступок вызвал уважение.
В июне 1995 года Е. Панин вышел на некоторое время из больницы, специально, чтобы принять участие в управлении перестыковкой модулей, перестройкой ОС «Мир» перед стыковкой Спейс Шаттла. Помню, что он очень волновался тогда, когда показалось, что «Кристалл» зацепился за ПхО и система зависла. Мы вместе пережили еще несколько тревожных и томительных часов.
Я забежал далеко вперед, а если вернуться к проектированию, то следует коротко остановиться еще на одной технической подробности.
С одной стороны, манипулятор получился не очень сложным: нам удалось ограничиться лишь тремя степенями подвижности. Сложность задачи оказалась в другом, в частности, она возникла прежде всего из?за того, что требовалось манипулировать, кантовать огромный двадцатитонный модуль. Несмотря на то что механизм проектировался в расчете на невесомость, а скорость вращения, кантования выбрали небольшую, инерционные силы оставались огромными, и их требовалось преодолевать, гасить кинетическую энергию относительного движения. Конструкция манипулятора во многом определялась также логикой и последовательностью управления. В конце концов, удалось увязать обе части проекта и расставить все необходимые датчики на манипуляторе, даже ввести еще один дополнительный датчик в стыковочный механизм. Система сложилась, в основном режиме она работала автоматически. Весь цикл перестыковки складывался из отдельных операций. Как было принято в нашей технике, все эти операции могли выполняться по радиокомандам с Земли. Слава Богу, воспользоваться этой возможностью пока не привелось. На практике, в космосе, все оказалось сложнее.
Техника, как и жизнь, многогранна. Она складывается из аппаратуры, систем и из тех операций, которые они выполняют. Рояль может просто украшать комнату, а можно научиться извлекать из него еще один мир. Это старый пример, а современный компьютер, который может порождать чудеса, генерировать почти любую виртуальную жизнь, более понятен новому поколению. Это — суперпримеры. В нашей космической технике системы тоже могут выполнять разные операции, могут работать в разных режимах. Управлять ими на орбите, на борту или из ЦУПа — тоже искусство. Это относится ко всем системам кораблей со станцией, в том числе к нашей системе стыковки и перестыковки. Мы проделывали это неоднократно, десятки и сотни раз.
На одной международной конференции, специально посвященной полетным операциям, мне пришлось делать доклад о перестыковке. Показывая свой манипулятор с его несложной кинематикой и стараясь подчеркнуть непростую сущность процесса его работы, я пересказал историю, которую поведал мне старый граф А. Татищев еще в годы «Союза» и «Аполлона». Учась в Сорбонне в юные годы, он делил комнату с другим молодым человеком, очень активным в части… как бы лучше сказать… стыковки. Возвращаясь под утро домой, он, раздевшись, любил посмотреть на себя в зеркало и, глядя на стыковочный инструмент, приговаривал: «Какой же ты у меня маленький и неказистый, а ведь сколько хлопот с тобой». «Сложных коррекций, пространственных маневров и тонких операций», — сказал бы космический инженер.
«Париж — это праздник, который всегда с тобой, если тебе посчастливилось жить там молодым человеком», — так написал Э. Хэмингуэй под конец жизни о годах своей молодости.
После того как «космический сегмент» системы перестыковки был готов, хотя в то время только на бумаге, надо было думать, как испытать, как отработать систему на Земле. Так же как при отработке стыковки, одна из основных проблем заключалась в том, как заставить огромные конструкции, приводимые в движение при помощи небольшого манипулятора, рассчитанного на работу в невесомости, перемещаться на Земле. В целом требовалось проверить все: кинематику и динамику, взаимодействие всех компонентов системы и работу автоматики, многое другое. Надо сразу сказать, что эту задачу удалось решить очень удачно, лучше, чем для отработки самой стыковки в целом, можно сказать, блестяще.
Как часто бывало, идея приходила неожиданно, иногда даже во сне. На этот раз все оказалось наяву.
Основой стенда стал ПхО — сам переходной отсек базового блока орбитальной станции «Мир», тот самый шарик, на котором размещались пять наших стыковочных агрегатов: один осевой, рабочий, и четыре боковых, предназначенных для стыковки модулей. Между агрегатами установили те самые два гнезда, ответные узлы для головки манипулятора, все настоящее, почти космическое, в натуральную величину.
Разработка стенда для отработки перестыковки, или, как его называли у нас, экспериментальная установка, — одна из самых успешных и, я бы сказал, красивых наших работ в этой области. Экспериментальная стендовая база являлась той основой, которая обеспечивала главное: позволяла воспроизводить на Земле то, что потом работало в космосе, что обеспечивало надежность и безопасность нашей космической техники. Экспериментальная установка, пожалуй, лучше, удачнее, чем испытательные стенды для других подобных систем, выполняла свою задачу.
Мне уже приходилось рассказывать о том, что при отработке других конструкций, прежде всего — системы стыковки, нам приходилось расчленять процесс, раскладывать его на составляющие. Например, отдельно проверялась работа автоматики и статическая прочность, кинематика и динамика, функционирование в вакууме и при экстремальных температурах — почти все эти испытания проводились на разных стендах и установках. Пожалуй, только для системы перестыковки нам удалось создать стенд, на котором стало возможно совместить испытания почти всех видов.
Основная идея стенда вроде бы не так уж хитроумна. Однако позднее мне пришлось не раз сталкиваться почти с парадоксом, демонстрируя эту установку, рассказывая об идее и об ее исполнении. Все вроде бы на виду: все то, что движется, и в какую сторону. «Крутится, вертится шар голубой» — как поется в популярном куплете. Наш шар не стал голубым, но крутился все?таки так хитроумно, что я сам иногда путал, с какой стороны оказывался осевой причал, с какой — боковой. Не такими уж, видимо, простыми оказались вся эта система и все испытательное устройство: оси вращения расположились в пространстве под каким?то хитрым косым углом, а скорость была очень медленной, едва заметной глазу, почти как у минутной стрелки часов. В целом операция выглядела даже несколько загадочной, а «чтобы уважали, нужно, чтобы тебя хоть немного не понимали». Позднее, во время экскурсий, на нас смотрели уважительно многочисленные посетители и руководство. Однако не только в удачной кинематике и в этих психологических тонкостях заключалась ценность установки. Дело было во многих других технических подробностях и деталях.
Нам удалось заменить массивную станцию и многотонный модуль, воспроизвести их относительное движение при помощи двух специальных маховиков, которые создавали те же динамические нагрузки при манипулировании, как в невесомости. Не только это, на стенде испытывалась не только механика: управление всеми операциями производилась теми же приборами Е. Панина, какие использовались в полете, все работало по–настоящему.
И, наконец, последнее: мы сделали установку портативной, а наружные габариты позволяли поместить ее в термобарокамеру (ТБК). Это позволило проводить испытания в вакууме при повышенных и при пониженных температурах, что особенно важно для космических механизмов. Поэтому манипулятору–перестыковщику, нашей «лапе», можно сказать, повезло: он дважды испытывался в самых суровых климатических условиях, автономно и в совокупности с остальными механизмами и другими компонентами системы. Можно сказать, что манипулятор закалился на холоде, стал «лапой белого медведя».
Стенд экспериментальной установки разместили в большом испытательном зале стенда «Конус». Там собирали и отлаживали всю установку, процесс управления системой, проводили испытания в различных режимах при нормальной температуре. При посещениях «Конуса» многочисленными гостями и зарубежными делегациями наряду с 6–степенным динамическим стендом отработки стыковки, экспериментальная установка всегда тоже вызывала неизменный интерес специалистов по космической технике. Все ее привлекательные качества проявлялись при этих демонстрациях и отмечались вслух.
Это тоже было приятно!
Накануне той памятной ночи, поздним вечером 7 декабря, перед перестыковкой «Кванта-2», в «Конус» приехала высокая партийно–правительственная делегация во главе с секретарем ЦК КПСС О. Баклановым и министром О. Шишкиным. Панин рассказывал, как ему приходилось буквально оттаскивать Бакланова от работавшего стенда, чтобы он не попал между двумя вращавшимися частями.
На примере этой экспериментальной установки можно учить, как испытывать комплексные электромеханические системы, как их отрабатывать перед запуском на орбиту, наглядно продемонстрировать все то, что необходимо выполнить, чтобы система работала надежно, чтобы сделать систему с запасом. Можно сказать, что стенд для испытаний и отработка перестыковки стали классическим образцом, к которому можно стремиться, планируя создание комплексной системы, приступая к ее наземной отработке.
Возможно, когда?нибудь испытательный стенд этой установки как представитель наземного сегмента, скрытого от глаз внешнего наблюдателя, займет место в космическом музее, рядом с моделями, прототипами и настоящими космическими кораблями, побывавшими на орбите.
Однако это произойдет, наверное, не скоро, а пока нам еще много раз приходилось возвращаться на эту установку и работать на ней. Это происходило в 1994–1995 годах, когда требовалось модифицировать систему перестыковки для того, чтобы избежать больших неприятностей на орбите при подготовке последних двух модулей ОК «Мир»: «Спектр» и «Природа», к стыковке первых Спейс Шаттлов, и позднее после двух первых миссий под условным названием STS-71 и STS-74. Об этом рассказ тоже впереди.
Чтобы закончить рассказ о первых манипуляторах–перестыковщиках, надо вспомнить, что изготавливались они так же, как стыковочные механизмы на Азовском оптико–механическом заводе. Там они собирались и испытывались из деталей и узлов, часть из которых по–прежнему делали у нас в Подлипках. При советской власти мелкие детали было делать невыгодно. Положение еще долго оставалось таким, пока обвал начала и середины 90–х годов не стал изменять эти устои, сложившиеся за долгие годы. Какую цену пришлось платить за эту науку — вопрос особый.
Еще в середине 80–х годов, когда работа по системе перестыковки находилась в разгаре, проектанты под руководством К. Феоктистова изменили конфигурацию модулей. Вернее, они решили сохранять в их составе приборно–агрегатный отсек при полете в составе станции, а не отбрасывать его так, как это делалось с первым модулем «Квант». В целом это было правильное решение, увеличились возможности новых модулей. Однако такое изменение легло дополнительным бременем на нашу систему: инерционные, динамические нагрузки при перестыковке значительно возросли. Пришлось на ходу дорабатывать конструкцию, выжимать из нее все, что можно, все запасы по энергоемкости амортизаторов, которые еще оставались в них. В результате система стала еще более напряженной, работавшей почти на пределе своих возможностей.
В общей сложности путь к той памятной декабрьской ночи был длинным и совсем непростым. На заключительном этапе мы готовились сами, взаимодействуя с наземными и космическими испытателями, с персоналом ЦУПа и самими космонавтами. От последних в этой операции почти ничего не зависело, ведь управлять системами стыковки и перестыковки на борту станции они не могли. В данной операции от них требовалось не так много: мы просили их не делать резких движений, не создавать лишних нагрузок на манипулятор, без того перегруженный динамическими силами.
Все сработало, как часы, в течение часа, как часовой механизм. Мне кажется, это название очень удачно, оно действительно отражало многое в нашей системе перестыковки: в общем подходе и в конструкции, в методе отработки и в полученных результатах. Часовой механизм всегда являлся символом того, что работает точно, вовремя и безотказно, а часы, как известно, делают люди и заставляют их ходить.
Читателю еще предстоит столкнуться с этим часовым механизмом несколько раз в следующей главе.