Автономная навигация лунного корабля Л1. «Открытие» НИИМП. Первые микроэлектронные космические БЦВМ
Автономная навигация лунного корабля Л1. «Открытие» НИИМП. Первые микроэлектронные космические БЦВМ
В процессе развития проектов 7K-Л1 и Л3 проблемы автономного определения местоположения корабля, особенно при различных нештатных ситуациях, в том числе и при потере связи с Землей, встали очень остро. Поэтому, применительно к «Вычислителю», как уже упоминалось выше, по этим задачам кроме НИИ-88 велась интенсивная работа и с ОПМ МИ им.В.А.Стеклова АН СССР.
Под руководством Б.В.Раушенбаха были расширены в этом направлении работы и в ОКБ-1. В секторе В.П.Легостаева для разработки задач автономной навигации была организована группа под руководством Эрнста Гаушуса.
Еще до выхода октябрьского решения по кораблю 7К-Л1 было ясно, что основные усилия коллектива ОКБ-1 и смежников будут направлены на «более простую лунную программу», а именно - облет пилотируемым кораблем Луны с возвращением на Землю после прохождения второй космической скорости.
Оценки реализации минимального состава задач автономной навигации (АН) показали, что при активном включении экипажа в проведение астроизмерений на борту пилотируемого корабля с помощью полуавтоматических астронавигационных приборов требования к бортовой ЦВМ по вычислительным возможностям можно существенно снизить.
Учитывая это, а также то, что на корабле 7К-Л1 образовался острейший дефицит по массе, мы решили все-таки рассмотреть возможность создания для решения только навигационной задачи специализированной БЦВМ меньшей массы и электрической мощности, но более надежной. Решили попробовать «прокатать» эту задачу с предприятиями ГКЭТ, поскольку монополизм этого ведомства в разработке микроэлектронных приборов привел их в то время к крамольной мысли: а зачем отдавать предприятиям комитета по радиоэлектронике полученные в муках ограниченные количества микросхем, когда можно самим собирать из них готовые приборы? Собственно, основное препятствие для НИЭМ ГКРЭ в сжатые сроки создать БЦВМ по нашему ТЗ и состояло в отсутствии микроэлектронной базы.
В июне 1965 года я еду на разведку в НИИ микроприборов и Центр микроэлектроники в Крюково под Москвой. Принял меня директор НИИ Игорь Николаевич Букреев. Произошел интересный разговор. Мне показали все, чего достиг институт за два с небольшим года своего существования. В мелкую серию были запущены тонкопленочные корпусные микросхемы «2С» полного логического набора, на которых уже были разработаны отдельные типовые узлы цифровой техники. Тогда же с И.Н.Букреевым и его ведущими специалистами мы рассмотрели предложение о создании в течение примерно 13-15 месяцев на разработанной в институте тонкопленочной микросхемотехнике специализированной бортовой ЦВМ.
И.Н.Букреев и его специалисты посчитали, что они за такую задачу могли бы взяться. Решили еще подумать, съездить к нам, посмотреть «Кобру-1» и «Вычислитель».
18 июня к нам приехала делегация от И.Н.Букреева во главе с Л.Н.Флоровским. Посмотрели они схемотехнику «Вычислителя», обсудили с нами возможные характеристики будущей микроэлектронной БЦВМ и уехали с большей уверенностью в том, что БЦВМ они смогут сделать.
Вскоре в НИИМП Б.В.Раушенбах и я встретились с И.Н.Букреевым и договорились о разработке ТЗ на специализированную БЦВМ и проработке производственных и финансовых вопросов соглашения.
В начале сентября 1965 года практически было разработано и в рабочем порядке согласовано ТЗ на специализированную БЦВМ для решения ограниченного круга задач автономной навигации на пилотируемом космическом корабле 7K-Л1.
В связи с дефицитом масс на корабле и с трудностью компоновки на нем «Вычислителя» решение о создании и установке на корабль средств для решения жизненно важных ограниченных задач автономной навигации на базе специализированной БЦВМ становилось чрезвычайно актуальным и требовало утверждения главного конструктора.
В связи с этим в начале октября 1965 года С.П.Королеву направляется «Предложение по решению задач автономной навигации на борту пилотируемых космических объектов типа Л1, ЛЗ» за подписями В.П.Мишина, Б.Е.Чертока, С.С.Крюкова, Б.В.Раушенбаха и от ОПМ МИ АН СССР Д.Е.Охоцимского.
«Предложение» включало следующие разделы:
— Обоснование необходимости решения задач АН.
— Возможность реализации бортовых измерений с необходимой точностью экипажем с помощью разработанного астронавигационного прибора.
— Метод решения задач АН.
— Применение бортовой ЦВМ как необходимое условие решения задач.
— Активное участие экипажа в решении задач АН как способ снижения требований к БЦВМ, повышения надежности и достоверности решения в целом.
— Состав и структура автономной бортовой системы навигации.
— Требуемые технические характеристики БЦВМ и пульт пилота для обмена данными с БЦВМ.
— Оценка возможного объема работ экипажа.
— Предложения по кооперации работ и оценка сроков реализации задачи.
— Выводы.
Некоторые фрагменты «Предложения»:
...Возможны сбои в работе радиолинии особенно, при возвращении к Земле со второй космической скоростью с посадкой на территории СССР. Потеря связи может привести к гибели объекта. В качестве дублирующей может выступать система бортовой автономной навигации и управления с участием космонавтов.
Оценки точности прогнозирования, проведенные в ОКБ-1, ОПМ МИ АН СССР и НИИ-88, показали, что с помощью бортовой оптической измерительной системы с ошибками измерения около 10 угл.сек. принципиально возможно решить весь комплекс навигационных задач, связанных с выведением КА к Луне и его возвращением к Земле с точностью не хуже 10 км по высоте условного перигея орбиты. При этом полное решение всего комплекса навигационных задач требует наличия на борту универсальной БЦВМ. Учитывая необходимость в средствах АН для управления Л1-ЛЗ и сжатость сроков по их разработке, был просмотрен упрощенный вариант автономной бортовой навигационной системы и метод решения задач АН, использующий в качестве вычислительного средства специализированный вычислитель. Смысл упрощения сводится к тому, чтобы путем сужения круга решаемых навигационных задач, уменьшения оперативности их решения и увеличения загрузки космонавтов ослабить требования к ЦВМ.
Автономными бортовыми средствами должны быть решены две основные задачи в процессе управления полетом: одна — проведение последней коррекции траектории возвращающегося на Землю корабля, обеспечивающей точность входа коридора в атмосфере по высоте условного перигея 10 км, другая — связанная с выходом из аварийной ситуации, возникшей в результате выявления неисправности после вывода космического корабля на геоцентрическую траекторию полета к Луне. При этом бортовая автономная навигационная система позволит обеспечить возвращение на Землю с точностью в 25 км высоты условного перигея...
Состав бортовой автономной навигационной системы:
1. Специализированная цифровая вычислительная машина с устройствами вывода данных на интегратор и систему ориентации и приема меток СЕВ.
2. Астронавигационный измерительный прибор для измерения угловых величин.
3. Пульт ручного управления и индикации, обеспечивающий обмен информацией с СЦВМ и пилотом по вводу и выводу данных.
4. Звездный атлас с необходимыми таблицами.
5. Инструкция для работы с системой.
6. Хронометр.
7. Пульт ручного ввода уставок в БЦВМ системы управления.
СЦВМ должна обеспечить:
— решение задач определения координат космического корабля по результатам обработки введенных данных;
— решение задачи расчета уставок на проведение коррекции траектории;
— выдачу уставок на интегратор и систему ориентации по командам с пульта пилота;
— счет и хранение меток СЕВ и формирование бортового времени;
— преобразование данных, вводимых с пульта, и преобразование результатов вычислений на пульт.
СЦВМ должна отвечать следующим минимальным требованиям:
— одноадресная последовательного действия с фиксированной запятой;
— разрядность — 32 двоичных разряда;
— ОЗУ — 32 полноразрядных числа;
— ПЗУ констант — 100 чисел;
— ПЗУ команд — 2048 чисел;
— ввод/вывод (обмен с пультом) десятичных чисел, угловых величин, времени;
— ввод данных с астроизмерительного прибора последовательным двоичным 13-разрядным кодом;
— выдача данных позиционным кодом на 4 абонента;
— масса с пультом — 12 кг;
— электрическая мощность, включая пульт — 19 Вт;
— вероятность безотказной работы за 20 часов непрерывной работы — 0,992.
Предложения по распределению работ и кооперации:
1. ОКБ-1 — головное по системе АН, ответственное за разработку ТЗ на СЦВМ, сопровождение ее разработки и разработку электрической схемы системы.
2. НИИ-335 МЭП — разработка СЦВМ.
3. ГОИ МОП с заводом «Арсенал» — разработка и поставка астроизмерительного прибора.
5. ГНИИ КМ МО — исследование факторов инженерной психологии при решении задач с участием экипажа.
Основным звеном, определяющим сроки разработки системы, является СЦВМ. По предварительному согласованию с НИИ-335, который предполагается разработчиком СЦВМ, изготовление и поставка летных образцов могут быть произведены в мае 1967 года. Однако при соответствующем внимании к этой работе сроки изготовления СЦВМ могут быть сокращены.
Выводы:
1. Разработка системы автономной навигации пилотируемого КК является чрезвычайно актуальной задачей, позволяющей существенно повысить надежность выполнения основной задачи объекта.
2. Применение упрощенного варианта автономной бортовой навигационной системы с вычислителем высокой надежности с учетом возможностей экипажа космического корабля позволит решить следующие частные задачи автономной навигации:
— расчет уставок на проведение последней коррекции траектории возвращаемого на Землю лунного космического корабля, обеспечивающей необходимую точность входа коридора в атмосферу по высоте условного перигея 10 км;
— расчет уставок на выход из аварийной ситуации, возникшей и результате выявления неисправности после вывода космического корабля на геоцентрическую траекторию полета к Луне с обеспечением возвращения на Землю с точностью в 25 км высоты условного перигея.
3. Характеристики упрощенной системы автономной навигации необходимы и достаточны для решения вышеперечисленных задач и могут быть получены на базе существующей схемотехники с применением средств микроэлектроники.
Главный конструктор С.П.Королев «Предложение...» рассмотрел и одобрил. Его резолюция была краткой и определенной: «Предложение необходимо реализовать. Для воплощения нужны энтузиасты, которых надо поддержать».
После этого ТЗ на СЦВМ было окончательно подготовлено, подписано нами «снизу» и представлено на утверждение С.П.Королеву. Утвердил он его в конце декабря 1965 года, и это был один из последних документов, утвержденных им перед уходом в больницу. Так что первая БЦВМ для космического корабля, выполненная на отечественной микроэлектронной схемотехнике, получила путевку в жизнь, можно сказать, с благословения С.П.Королева.
До конца 1965 года ТЗ было отправлено в НИИМП (НИИ-335) Центра микроэлектроники, и уже 5 января 1966 года был оформлен договор № 180 на тему «Разработка СЦВМ по теме «Салют-1»
Далее и сама СЦВМ стала называться «Салют-1», открыв родословную последующим БЦВМ семейства «Салют».
Еще до получения первого образца«Салюта-1» в НИИ-335 было выдано ТЗ на БЦВМ для пилотируемого космического корабля ЛЗ, которая получила название БЦВМ «Салют-2». Забегая вперед, скажем, что далее были разработанные уже в ЦКБЭМ ТЗ на БЦВМ «Салют-3» и «Салют-4», но об истории их создания и жизни будет рассказано позже.
В соответствии с договором № 180 от 5 января 1966 года НИИ-335 поставляет в ОКБ-1 один технологический комплект и два летных образца СЦВМ «Салют-1». Технологический образец СЦВМ предназначался для отладочных и стыковочных работ в составе изделия Л1. Дополнительный экспериментальный (4-й) образец оставался в НИИ-335. Срок поставки первого образца — декабрь 1966 года, летные образцы — I и II кварталы 1967 года.
Поставки летных образцов укладывались в сроки, которые были вскоре определены в решении ВПК № 101 от 21 апреля 1966 года, исходя из того, что пилотируемый пуск Л1 должен был состояться к 50-й годовщине Октября.
НИИ-335 строго выполнял свои обязательства. Как и было оговорено договором, через месяц (9 февраля) нам был направлен на рассмотрение аванпроект по СЦВМ «Салют-1». Для приемки аванпроекта начальником 9ГУ МЭП распоряжением № 36 от 23 февраля была создана комиссия под председательством Б.В.Раушенбаха. К сожалению, председатель вместе с членами комиссии допустили определенное разгильдяйство и затянули более чем на месяц выдачу заключения на аванпроект, что привело к тому, что И.Н.Букрееву пришлось выходить к руководству ОКБ-1 (в копии директору Центра Ф.В.Лукину) со специальным обращением по ускорению выдачи заключения.
Заключение было в целом положительное, с рядом рекомендаций (необходимость принятия мер по повышению надежности, увеличению быстродействия, расширению функций по вводу и выводу данных), которые предлагалось учесть на стадии ОКР. В апреле 1966 года заместитель главного конструктора ЦКБЭМ (так стало с марта 1966 года называться ОКБ-1) Б.Е.Черток и директор Центра микроэлектроники Ф.В.Лукин утвердили ТЗ на ОКР по разработке, изготовлению и поставке СЦВМ «Салют-1».
От ЦКБЭМ ТЗ подписали А.А.Шустов, я, Б.В.Раушенбах, от НИИ-335 — Б.Ф.Высоцкий, А.С.Новожилов, А.С.Флоровский.
Для стадии ОКР были определены следующие характеристики СЦВМ «Салют-1»:
— одноадресная последовательного действия с фиксированной запятой;
— разрядность — 32 двоичных разряда;
— ОЗУ — 64 полноразрядных числа;
— ПЗУ констант — 128 32-разрядных чисел;
— ПЗУ программ и команд — 3072 17-разрядных чисел;
— быстродействие — 500 операций/сек;
— ввод/вывод (обмен с пультом) десятичных чисел, угловых величин, параметров времени;
— универсальная система команд с выполнением операций с одинарной и удвоенной точностью (64 разряда);
— ввод данных с астроизмерительного прибора последовательным двоичным 13-разрядным кодом;
— выдача данных позиционным кодом на 4 абонента;
— вывод данных на прибор ручного ввода уставок в БЦВМ системы управления число-импульсным кодом;
— вывод на пульт сигналов индикации о режимах работы окраски данных;
— масса с пультом — 15 кг;
— электрическая мощность с пультом — 56 Вт;
— вероятность безотказной работы за 20 часов непрерывной работы — 0,992.
В общем, планировали малый специальный вычислитель, а получилась по тем временам вполне приличная БЦВМ, ориентированная на выполнение сложных вычислений и работу не в реальном масштабе времени. В конструкторской документации собственно СЦВМ «Салют-1» имела индекс 1СТ1, а пульт управления и индикации — 1СТ2.
Следует отметить, что наряду с «Салютом-1» для корабля практически в то же время началась разработка и другой микроэлектронной БЦВМ. Как я выше упоминал, головным разработчиком системы управления кораблей Л1 и Л3 был определен НИИАП, главный конструктор которого Н.А.Пилюгин уже четко проникся мыслью, что без БЦВМ они систему управления с заданными требованиями для этих кораблей просто не сделают. В конце мая 1965 года С.П.Королев и Н.А.Пилюгин подписали решение о выпуске эскизного проекта по системе управления Л3, в состав которой входила БЦВМ.
Своих БЦВМ в НИИАП в то время еще не было, не считая урезанного макета, который они построили на схемотехнике нашей «Кобры-1», поэтому они обратились в НИЭМ к С.А.Крутовских с просьбой о создании тоже малой БЦВМ для систем управления кораблей Л1, Л3. Основу этой БЦВМ составила БЦВМ «Аргон-11А», аванпроект которой по ТЗ НИИАП разработал НИЭМ для систем управления новых баллистических ракет.
ТЗ на разработку бортовых вычислительных машин «Аргон-11» и «Аргон-11А» заместитель главного конструктора НИИАП М.С.Хитрик в конце ноября 1965 года направил главному конструктору ОКБ-1 С.П.Королеву, главному конструктору ОКБ-692 В.Г.Сергееву (Харьков), директору НИЭМ С.А.Крутовских и заместителям министров МОМ и МРП Гусеву и Богданову.
С.П.Королев этого ТЗ не видел, оно более месяца находилось в папке В.П.Мишина, который только 30 декабря 1965 года направил его без комментариев Б.Е.Чертоку и С.С.Лаврову. Б.Е.Черток 7 января 1966 года адресовал ТЗ своим заместителям Б.В.Раушенбаху и А.А.Шустову (последний, правда, не был еще официально утвержденным замом) с указанием: «Для проработки и учета, что эти машины будут в 1966 г. (? 1968 г.) в малой серии». Б.В.Раушенбах 14 января направил ТЗ Б.Скотникову и Э.Гаушусу с вопросом: «В какой мере эти машины могут служить основой машины по ЛЗ?» А.А.Шустов 29 января направил ТЗ Г.В.Носкину, П.Н.Куприянчику и И.А.Сосновику: «Для проработки и использования в работе».
В феврале 1966 года Б.Е.Чертоку доложили результаты проработки возможности и целесообразности использования этих машин в программе Л3. Мнение было единодушно отрицательным — эти БЦВМ по массово-энергетическим характеристикам не подходили для корабля Л3, что и понимали в НИИАП, когда договаривались с НИЭМ о создании малой БЦВМ на базе «Аргон-11А». Появление же реального образца «Аргон-11 А» в 1966 году совершенно исключалось, поскольку даже выпуск эскизного проекта по этой БЦВМ в НИЭМ совместно с НИИАП планировался в марте 1966 года.
Элементной базой БЦВМ «Аргон-11А» и малой БЦВМ на ее базе для аппаратов Л1, Л3 были первые отечественные серийные толстопленочные микроэлектронные схемы «Тропа-1» предприятия Минэлектронпрома.
БЦВМ для системы управления Л1, Л3 получила название «Аргон-11C». СЦВМ «Салют-1» и БЦВМ «Аргон-11C» предстояло вместе решать новые задачи автономного управления и навигации. Причем связь между ними была не только функциональная, но и прямая, так сказать, электрическая. Дело в том, что по результатам решения навигационных задач на СЦВМ «Салют-1» рассчитывались уставки для ввода в БЦВМ системы управления. Этой БЦВМ и был «Аргон-11 С». А пульт ручного ввода уставок (ПРВУ), как упоминалось выше, входил в систему автономной навигации ОКБ-1. Наша лаборатория взялась за разработку этого пульта. Работу выполнила группа под руководством Николая Рукавишникова, в состав которой входили квалифицированные специалисты (Евгений Васенков, Валентин Глазнев, Борис Тарасенко, Николай Вольнов, Людмила Калинина, Сергей Михеев, Герман Седов, Юрий Банщиков и др.), частично освободившиеся от разработки ПВУ кораблей 2МВ и ЗМВ. После того как Николай Рукавишников стал готовиться к полету в космос, руководить работами стал Е.Васенков. Схемотехника ПРВУ была та же, что и в ПВУ межпланетных кораблей, с поэлементным резервированием, отлично себя зарекомендовавшая.
Следует отметить, что за разработку этого прибора очень бился главный конструктор специального опытного конструкторского бюро (СОКБ) ЛИИ МАП С.Г.Даревский, являвшийся, я уже выше упоминал, главным конструктором всех пультов пилота и средств ручного управления пилотируемых космических аппаратов. В связи с этим он вел массированную обработку (письменно и устно) Б.Е.Чертока и главного проектанта К.П.Феоктистова. Но к тому времени наша лаборатория по опыту разработки цифровых приборов и, пожалуй, творческому потенциалу) в этой части уже превосходила СОКБ ЛИИ, а посему разработка ПРВУ для Л1 и его изготовление было оставлено в ОКБ-1. В дальнейшем аналогичный прибор, но с расширенными функциями, для корабля ЛЗ уже без всякой борьбы с СОКБ ЛИИ разрабатывался в этом же коллективе.
Прибор РВУ для Л1 получился очень удачным и надежным. Забегая вперед, можно сказать, что этот бортовой прибор еще до установки на борт БЦВМ «Салют-1» и до подготовки пилотируемого корабля стал неотъемлемой частью всего испытательного комплекса кораблей по теме Л1. ПРВУ работал на стендах НИИАП при отработке системы управления с БЦВМ «Аргон-11 С», в КИСе ЦКБЭМ, на Техническом комплексе на космодроме и всегда уходил в полет на беспилотных кораблях Л1, не имея отказов и замечаний.
Уже позже, в марте 1973 года, по заявке группы авторов (В.Ф.Глазнева, меня, Н.Н.Рукавишникова, Б.А.Тарасенко) «Устройство для ввода информации» было признано изобретением и на него выдано авторское свидетельство.
Основные функции ПРВУ:
— включение и задание режимов работы БЦВМ «Аргон-11 С»;
— подготовка и задание на тестирование БЦВМ;
— ручная закладка уставок в БЦВМ системы управления с квитированием;
— хранение уставки и резервная выдача главной команды на отсечку двигателя по команде космонавта;
— контроль закладки уставок по радиолинии в БЦВМ (квитирование из БЦВМ);
— вызов содержимого ОЗУ БЦВМ на собственные средства индикации;
— хронометрирование времени полета спускаемого аппарата Л1 на этапе второго погружения.
Основные функции БЦВМ «Аргон-11 С»:
— стабилизация корабля на разных этапах полета;
— обеспечение программных разворотов;
— выработка главной команды на отсечку двигателя;
— управление спуском во всех режимах;;
— тестирование системы управления. Характеристики БЦВМ «Аргон-11C»:
— одноадресная, последовательного действия, с фиксированной запятой;
— разрядность — 14 двоичных разрядов;
— ОЗУ — 128 чисел;
— ПЗУ программ и команд — 4096 чисел;
— быстродействие — 25 000 простых операций/сек;
— связи с датчиками и системой исполнительных органов СУ, связь с ПРВУ;
— упрощенная система команд (15 команд) с выполнением операций обмена данными между каналами БЦВМ;
— масса в троированном варианте — 34 кг;
— электрическая мощность при работе трех каналов — 75 Вт;
— вероятность безотказной работы за 10 минут непрерывной работы — 0,993.
Видно, что по вычислительным возможностям эта БЦВМ существенно уступает СЦВМ «Салют-1», но она работала в динамическом контуре и ее характеристики, естественно, ориентированы на рефлексивное управление.
Технологический образец СЦВМ «Салют-1» вместе с наземным испытательным оборудованием и комплектом документации появился в ЦКБЭМ 5 апреля 1967 года, т.е. с отставанием от плана ровно на один квартал. Мы считали, что это был успех наш и, конечно, коллектива НИИ-335 под руководством его директора И.Н.Букреева, главного инженера Б.Ф.Высоцкого и основных разработчиков этой БЦВМ: главного конструктора А.С.Флоровского, начальника отдела А.С.Новожилова, ведущих разработчиков А.Г. Алексы, П.Н.Возьмилова, В.В .Маркова, Ю.Б.Глазкова, А.А.Киселева, В.Галахтина и других, поскольку родилась первая отечественная космическая БЦВМ на тонкопленочной микроэлектронике.
Надо сказать, что в процессе реализации программы Л1 главным конструктором НИИАП Н.А.Пилюгиным было принято решение о разработке новой собственной БЦВМ для управления движением лунного орбитального корабля Л3 и комплекса Н1-Л3. Разработанная БЦВМ на элементной базе «Тропа» (элементы, на которых была реализована БЦВМ «Аргон-11C») получила индекс С-530.
Разработка этой БЦВМ, всей вычислительной системы ЛOK и программного обеспечения проводились под руководством и при непосредственном участии ведущих специалистов НИИАП: И.Ц.Гальперина, М.А.Качарова, В.А.Немкевича, О.М.Невского, А.Г.Глазкова, Б.Н.Вихорева. С мая по ноябрь 1967 года мы согласовали с НИИАП практически все вопросы применения БЦВМ С-530 (размещение блоков, функции ПРВУ, перечни и характеристики электрических связей).