НА СТЕНДЕ В ХЬЮСТОНЕ
НА СТЕНДЕ В ХЬЮСТОНЕ
Любая система космического корабля, перед тем как попасть в полет, должна поработать в условиях, достаточно близких к тем, в которых она может оказаться в космосе. Разумеется, практически невозможно одновременно имитировать на Земле все условия, присущие космическому полету: глубокий вакуум, невесомость, различные формы облучений, широкий диапазон возможных температур, действие вибраций и перегрузок выведения на орбиту. Поэтому испытателям приходится как бы расчленять воздействие космоса на составные части и с большим или меньшим приближением последовательно их воспроизводить. При этом одна из наиболее сложных задач состоит в выявлении самых трудных или, как говорят, критических условий для каждой системы. Стыковочные агрегаты последовательно проходят испытания в самых разнообразных условиях. Но все же наибольшие хлопоты стыковщикам доставляет невесомость.
Как заставить многотонные корабли парить перед стыковкой в воздухе и двигаться только по инерции, под воздействием сил соударения и реактивных струй управляющих двигателей так, как это происходит в невесомости?
Как добиться, чтобы корабли со стыковочными агрегатами свободно, без действия силы тяжести, сближались с заданными скоростями и смещениями до соприкосновения, сцеплялись, выравнивались и стягивались, а амортизационная система и другие механизмы при этом работали точно так же, как им предстоит работать в космосе?
Конечно, сделать это непросто. Существуют разные способы воспроизведения такого движения в земных условиях. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, но все они сложны и доставляют много хлопот испытателям. Можно, например, подвешивать специальные макеты кораблей на карданных шарнирах, так, чтобы точки подвеса находились в центрах тяжести кораблей и перемещались в трех направлениях. Получается довольно простая система, но в ней все же нелегко полностью исключить земную тяжесть при поступательных движениях, а также имитировать работу систем управления кораблями.
Специалисты НАСА выбрали другой путь. Они сделали комбинированную установку для воспроизведения процесса стыковки, которая состоит из шестистепенного стенда с гидравлическими следящими приводами и вычислительной машины. Компьютер непрерывно вычисляет координаты кораблей, как если бы они двигались в невесомости, и выдает команды на следящие приводы. Те перемещают установленные на стенде стыковочные агрегаты один относительно другого в соответствии с вычисленными координатами. При соприкосновении стыковочных агрегатов возникают усилия, которые непрерывно измеряются с помощью специальных датчиков. Сигналы от датчиков поступают в компьютер, тот их учитывает, и таким образом вычислительно–механический контур, как говорят, замыкается. Процесс в нем идет непрерывно.
На такой испытательной установке американские специалисты отрабатывали систему стыковки для лунной программы «Аполлон», а потом и для программы «Скайлэб». Установка очень дорогая и довольно капризная в эксплуатации. В ней используется много высокоточных приборов, начиная от приводов стенда, датчиков усилий и перемещений, кончая элементами вычислительного устройства. Она снабжена системой автоматической настройки и проверки, а также разветвленной системой аварийной остановки при возникновении каких?либо неисправностей, перегрузок или выхода одного из ее многочисленных параметров за допустимые пределы. Чтобы проводить испытания при очень высоких и очень низких температурах, часть стенда с испытуемыми агрегатами заключается в специальный подвижный чехол, под который нагнетается горячий или холодный воздух.
Короче говоря, испытательный комплекс, хотя и обладает большими возможностями и несомненными достоинствами, сам требует тщательного ухода, постоянного контроля и устранения частых неисправностей. В этом мы убедились на собственном опыте осенью 1973 года и особенно летом 1974 года во время проведения совместных динамических испытаний. Как?то один из американских специалистов в сердцах пошутил: «Здесь никогда не знаешь, что испытывается: стыковочное устройство на стенде или стенд с помощью стыковочного устройства».
На самом деле бывало и то, и другое. Несомненное достоинство американской испытательной установки — возможность «стыковать» самые различные космические корабли: от легких до сверхтяжелых. Ведь изменять параметры кораблей очень просто, достаточно ввести нужные коэффициенты в уравнениях, решаемых компьютером, или использовать другие уравнения. По мере развития космических полетов, увеличения количества запускаемых космических кораблей и станций такой стенд действительно может оказаться необходимым.
Испытательную установку подобного типа, конечно, трудно было сразу создать совершенной. Стенд с системой приводов, изготовленный в середине 60–х годов в разгар работ по программе «Аполлон», рассчитывался на испытание стыковочных устройств ограниченных размеров. Кроме того, принципиальная кинематическая схема стенда была не совсем удачной: сложна, громоздка и имела целый ряд неблагоприятных технических характеристик.
Поэтому, готовясь к испытаниям о программе ЭПАС, а также учитывая перспективы развития следующей программы пилотируемых полетов США — «Спейс Шаттл», специалисты НАСА решили перестроить стенд, сохранив в основном вычислительную и управляющую части установки и другие вспомогательные системы.
К осени 1973 года работы были закончены, схема стенда стала намного логичнее и проще. Но, к сожалению, при этом, как выяснилось позднее, не избежали и некоторых просчетов.
Новые полномасштабные стыковочные агрегаты решили испытывать именно на этой динамической установке в Хьюстоне. Конец зимы, весна и все лето семьдесят третьего года ушли на изготовление и отработку стыковочного агрегата в СССР и подготовку к совместным испытаниям. Тем же были заняты американские специалисты в США. В мае первый АПАС увидел свет. Это уже была настоящая космическая система, отвечающая всем жестким требованиям, обеспечивающим ее высокую надежность при минимальном весе и габаритах.
Он действительно получился красивым, наш АПАС, если исходить из того, что истинная красота конструкции в рациональности, в том изяществе, с которым она решает поставленные перед ней задачи. «Он элегантен, ваш стыковочный агрегат», — скажет позднее М. Фаже, один из руководителей американского космического Центра имени Джонсона. Я думаю, он имел в виду не только внешний вид АПАСа, комплимент относился и к его принципу действия.
Поскольку корабль «Аполлон» создавался для полета на Луну, американские конструкторы, приспосабливая его для решения задач в околоземном космосе, располагали солидными резервами веса. Может быть, по этой причине авторы американского стыковочного агрегата не слишком заботились об экономии веса. Их стыковочный агрегат получился почти в два раза тяжелее нашего.
АПАС успешно прошел всю предварительную отработку и проверку и к концу августа был готов к отправке в Техас.
Наша небольшая испытательная команда 14 сентября, прибыла в Хьюстон. Нам предстояло впервые произвести настоящую стыковку агрегатов кораблей «Союз» и «Аполлон», при которой фактически проверялись и отрабатывались все этапы сложного и многостороннего процесса соединения кораблей, работа агрегатов в совместном полете и при расстыковке.
Сначала последовательно шаг за шагом были проверены все операции по стыковке и расстыковке, причем оба агрегата работали при этом как в активной, так и в пассивной роли. Затем испытана герметичность состыкованных агрегатов, в том числе при нагреве и охлаждении конструкций с имитацией полетных экстремальных температур. Еще раз убедились в том, что стык способен выдерживать одновременное воздействие внешних и внутренних нагрузок. На этом первая часть испытаний закончилась, и агрегаты установили на динамический стенд для проведения основной по объему и сложности части работ — стыковки с имитацией движения космических кораблей в условиях невесомости.
На этом стенде мы провели в общей сложности более 100 стыковок, или испытательных пробегов, как их называли американцы, при нормальных, высоких и пониженных температурах. Может возникнуть вопрос: зачем нужно так много стыковок? Дело в том, что корабли могут подойти друг к другу в самых разных положениях. Космонавты и астронавты управляют сближением кораблей, используя две трехстепенные ручки и наблюдая специальную мишень, как бы прицеливаясь по ней. Несмотря на продолжительные и интенсивные тренировки, как и при обычной стрельбе, всегда возникают ошибки. Только здесь их разброс увеличивается: управлять приходится пространственным положением, выдерживая как относительные координаты, так и скорости.
Одновременно работают автоматические системы ориентации кораблей, которые, с одной стороны, облегчают космонавту управление, а с другой — вносят свой «вклад» в виде определенных ошибок. Тот, кто управлял автомобилем, имеющим только три степени свободы, знает, как не просто бывает порой выехать через узкие ворота гаража, а управление кораблем в пространстве намного сложнее. Поэтому стыковочное устройство рассчитывается так, что даже при самых худших условиях, самых грубых ошибках относительного положения кораблей и разных скоростях происходила бы надежная стыковка. Это требование не только усложняет стыковочный агрегат, сам процесс стыковки, но и проведение испытаний.
Прежде всего, трудно определить, какие условия, какие сочетания скоростей и ошибок взаимного положения наиболее неблагоприятны. Что, например, страшнее — большие скорости сближения или малые? Оказывается, плохо и то, и другое. При больших скоростях может не хватить энергоемкости амортизаторов и возникнут слишком большие силы от соударения кораблей. При малой скорости сближения кинетической энергии кораблей может оказаться недостаточно для срабатывания защелок. Если сцепка не произойдет, система начнет «разваливаться», и, чтобы избежать соударения, корабли придется быстро разводить.
Поэтому вначале отыскиваются наиболее неблагоприятные, или «подозрительные», сочетания начальных параметров сближения и проводится теоретический анализ процесса стыковки для всех этих вариантов. Проведение такого теоретического анализа — это целая большая глава в создании любого стыковочного устройства, а ввиду особой сложности АПАСа — тем более. Чтобы рассчитать, как будут стыковаться корабли, необходимо составить математическую модель процесса стыковки. Полная модель учитывает движение самих кораблей. Для каждого момента времени аналитически отыскивается точка или точки соприкосновения направляющих выступов стыковочных агрегатов друг с другом или с кольцами. Затем определяется, на какую величину и с какой скоростью деформируются амортизаторы при соударении (эти усилия одновременно используются в уравнениях движения кораблей). Компьютер вычисляет, как реагируют системы управления кораблей на действие возмущений при стыковке, и учитывает создаваемые ими усилия и моменты. Математическая модель позволяет рассчитать весь процесс стыковки для разных вариантов.
Конечно, в целом математическая модель очень сложна, ее использование имеет смысл только при работе с самыми быстродействующими и совершенными цифровыми электронными вычислительными машинами.
И тут меня могут спросить: зачем нужны испытания, если создана и работает полная и совершенная математическая модель? А вот зачем. Какой бы ни была совершенной теоретическая модель, это всего лишь ограниченная абстракция реального процесса. Модель позволяет исследовать лишь определенные важнейшие (по мнению ученого) стороны процесса, постигнуть их существо, выявить внутренние зависимости. Но конечным мерилом любого проекта являются испытания настоящих, «живых» конструкций. Вот почему наш теоретик Е. Лебедев привез с собой в Хьюстон целые тома. Их напечатала вычислительная машина, решая задачу стыковки для всех вариантов, которые предстояло испытать на динамическом стенде в паре с американским агрегатом. При сравнении теоретических и экспериментальных результатов стенд и модель взаимно проверяли друг друга.
Теперь пора сказать, что для успешного проведения совместных испытаний требовалось обеспечить совместимость не только стыковочных агрегатов. Необходимо было договориться о присоединительных размерах агрегатов, пультов управления и другого испытательного оборудования, согласовать кабельные разъемы и электрическое напряжение питания, а также решить все вопросы, связанные с системой координат, программой, инструкцией, и многое другое.
Наша группа состояла из специалистов, необходимых для проведения всего комплекса намеченных работ: конструктора Евгения Боброва, инженера–электрика Бориса Чижикова, механиков Николая Хохлова и Валентина Руненкова, обеспечивших подготовку агрегатов и испытательного оборудования к работе; специалиста по измерениям, обработке и анализу данных испытаний Вадима Кудрявцева, упомянутого ранее динамика Евгения Лебедева, испытателя и оператора Эдуарда Беликова, который провел, работая плечом к плечу с американскими операторами и нашим переводчиком Олегом Першиковым, все многочисленные динамические пробеги. «Не встречал людей более компетентных и самоотверженных в работе. Можете ими гордиться. Мы рады, что они здесь с нами», — так сказал Г. Ланни корреспонденту «Известий» В. Кобышу, когда тот приезжал в Хьюстон во время работы нашей группы.
Конечно, лестно было слышать такое мнение от партнеров, но главное, мы были довольны результатами проведенных испытаний, нашим АПАСом и тем, что поставленную задачу на этом этапе удалось успешно выполнить. Очень важно было получить хорошие результаты работы на самом начальном этапе. После всех многочисленных испытаний и у нас, и в Хьюстоне поверили в АПАС и те, кто скептически был настроен с самого начала, и те, у кого были какие?то сомнения. Но после того как битый буквально вдоль и поперек за время многочисленных испытаний АПАС продолжал честно выполнять все свои функции, сомнения отпали и появилась полная уверенность в надежности его конструкции.
Не все проходило, конечно, абсолютно гладко при первых испытаниях. Ведь их основная задача — совместная отработка конструкции, они так и назывались — отработочные. Было подтверждено, что отдельные элементы конструкции недостаточно жестки, это же фиксировалось и ранее, еще при предварительных испытаниях в Москве. Кроме того, при пятидесятиградусном морозе, который создавался внутри кожуха стенда, в отдельных случаях возникали усилия хотя и допустимые, но все же превышающие расчетные. Одной из причин этого были автоколебания в самом динамическом стенде.
Все испытания проводились, по существу, два раза: поочередно с активным агрегатом «Союза» и «Аполлона». Американцы, кстати, тоже выявили несколько недостатков конструкции своего агрегата стыковки.
Последняя группа нашей испытательной бригады возвращалась в Москву в конце декабря. В самолете, летевшем из Хьюстона в Нью–Йорк, в огромном воздушном лайнере, совершавшем свой первый коммерческий полет (это был «Тристар» фирмы «Локхид»), мы были почти единственными пассажирами. Летели в первый день Рождества, традиционного семейного праздника в США. Задержавшись в Нью–Йорке из?за непогоды еще на три дня, мы прибыли в Москву в канун нового, 1974 года. Но новый год не сулил нам отдыха. Он оказался не менее хлопотным, чем предыдущий. Пришлось срочно заканчивать корректировку технической документации, уже началось изготовление летной партии агрегатов.
Процесс создания АПАСов разбит был на два основных этапа: разработка и изготовление опытной партии, отработка конструкции, затем изготовление летной партии, часть агрегатов которой проходила квалификационные испытания. Эти испытания называются так потому, что проводятся не с целью выявления каких?либо недостатков конструкции, а для того, чтобы аттестовать, квалифицировать конструкцию, подтвердить ее соответствие всем техническим требованиям, ее готовность к полету.
Так же, как при отработке, квалификационные испытания делились на автономные, проводимые каждой страной отдельно, и совместные — снова в Хьюстоне. Агрегаты, готовившиеся непосредственно для полета, было намечено стыковать между собой в Москве. И все это пришлось на 1974 год.
Начался он с дополнительных экспериментов, проведенных для того, чтобы разобраться, почему во время испытаний в Хьюстоне на морозе возрастали усилия в стыковочном механизме. Пришлось один за другим исследовать все элементы, участвующие в работе, в условиях, так сказать, «крайнего севера». Картина постепенно прояснилась. На ходу, без остановки «конвейера» внесли небольшие изменения в конструкцию. К маю АПАСы были изготовлены.
На встрече в конце апреля мы окончательно согласовали документы предстоящих летних квалификационных испытаний. Так что после напряженной работы в мае— июне, после выполнения всей программы испытаний у себя в стране мы почти в том же составе снова выехали в Хьюстон.
Жарким летом можно назвать этот период работы. Лето в Хьюстоне, находящемся на 30 параллели, действительно, жаркое. Но внутри кожуха стенда по–прежнему царил холод. На этот раз он был не страшен нашему АПАСу. Главные трудности и хлопоты снова доставил нам стенд.
Обычная рабочая смена часто уходила на устранение неполадок в стенде, его элементах и блоках компьютера. Был даже случай, когда стенд вышел из?под контроля. В управляющих цепях приводов из?за электрических помех в подземных кабелях появился ложный сигнал, аварийная система остановки стенда немного запоздала, но даже этих долей секунды было достаточно, и на стыковочные агрегаты подействовала нагрузка, превышавшая расчетную почти в два раза. К счастью, оба агрегата, и наш, и американский, оказались достаточно прочными, больше того, совершенно равнопрочными. Конструкции выдержали и это дополнительное, неожиданно суровое испытание.
Дала о себе знать и старая «болезнь» стенда — автоколебания, возникавшие при определенных условиях. Хотя за прошедший со времени окончания отработочных испытаний период было разработано средство лечения этого технического недуга, оно не всегда оказывалось эффективным. На этот раз под колебания строптивого стенда попал американский стыковочный агрегат — не все испытательные пробеги проходили гладко и до конца. Наш АПАС на этот раз успешно обеспечил стыковку для всех случаев, которые были запланированы.
Новый казус произошел при испытаниях на холоде. Неожиданно кольцо с направляющими «застыло». Что случилось? Ведь несколько дней назад все было нормально. Может быть, во время «горячих» испытаний в механизм попала влага, которая потом на морозе замерзла? Оказалось, замерзла не влага, а консервационное покрытие, которое не было удалено из внутренних отверстий нескольких штанг. Этот случай еще раз показал, что при подготовке космической техники к испытаниям и тем более к полету не должно быть никаких недосмотров.
Специалисты НАСА и смежных фирм, не считаясь со временем, устраняли неполадки в стенде, боролись с электрическими помехами, которые возникали в кабелях, связывающих стенд с компьютером, проводили на ходу исследования и частичную модернизацию.
Постепенно дело наладилось, и испытания были доведены до конца.
Запаковав наше многочисленное оборудование, мы вылетели в Москву, где нас встречали наши семьи… и наши американские коллеги: им удалось прибыть на день раньше, чтобы согласовать программу и другую документацию для следующего этапа работы.
Снова небольшой «перерыв», до предела насыщенный работой по подготовке лаборатории с многочисленной аппаратурой, летными агрегатами, и снова мы в международном аэропорту Шереметьево встречаем американскую испытательную бригаду, прибывшую для проведения предполетной контрольной стыковки.