Управление движением «Союза» на пальцах

Ночной режим:

Представьте, что вы сидите за штурвалом самого настоящего «Союза». Земная поверхность проносится под вами со скоростью, во много раз превышающую скорость пули. А теперь, держа этот факт в голове, попытайтесь вообразить, что ваша жизнь зависит от того, насколько точно будет выпрыскиваться до граммов рассчитанный коктейль из несимметричного диметилгидразина и азотного тетраоксида.

В прошлой статье мы уже немного посидели в кресле командира и выяснили, что у космонавтов есть пульт «Нептун-МЭ». Он безусловно хорош, но для ручного управления «Союзом» у командира (помните того русского парня, который сидит посередине спускаемого аппарата и отвечает за успешность всей миссии?) есть ещё две ручки управления пространственным положением корабля: ручка управления ориентацией (РУО) и ручка управления движением (РУД)

Ручка управления ориентацией (РУО) (9), Ручка управления движением (РУД) (8), Визир специальный космический (ВСК) (7). Визир — полностью оптическая система, а обе ручки могут работать от батареек типа «Крона». Так что даже если автоматика и система электропитания (СЭП) решат подвести, то мы все равно сможем стыковаться. (Credit: http://galspace.spb.ru/orbita/29.htm)

Если вы смотрели наше видео о стыковке с МКС в орбитере, то сразу вспомните «тетрис» на маневровых движках. А если не смотрели, то обязательно это сделайте пока Паша не вычислил вас по IP 🙂

Тетрис на маневровых движках

Этих двух ручек достаточно для ручного расположения «Союза» в любой ориентации, в любой точке пространства (в разумных пределах!). На корабле установлено два типа двигателей причаливания и ориентации (ДПО): ДПО большой тяги и ДПО малой тяги. При сдвиге РУД с нейтрального положения сигнал поступает на ДПО-Б, а при сдвиге РУО на ДПО-М.

Как РУО и РУД двигают Союз

Подробнее о ручках управления рассказывает Михаил Смирягин в своем блоге на пикабу  [кликните, чтобы показать текст]

Ручка управления движением (РУД) имеет две степени свободы. Отклонение ручки по каждой из них вызывает замыкание концевых контактов, сигналы с которых поступают через БУПО-1 в БА ДПО и включают двигатели ДПО-Б для перемещения центра масс в направлениях ±Y, ±Z в связанной системе координат ТК. Для выдачи сигналов на перемещение центра масс ТК в направлениях ±X на ручке РУД установлен нажимной тумблер со средним нейтральным и крайними положениями «РАЗГОН», «ТОРМОЖЕНИЕ». Ручка РУО предназначена для задания угловых скоростей корабля. РУО подвижная, имеет три степени свободы, и отклонение ее по каждой из них вызывает перемещение движка соответствующего потенциометра (по каналам X, Y, Z). У ручки РУО имеется два положения: «мягкий упор» и «жесткий упор». «Мягкий упор» соответствует отклонению РУО на 60% по отношению к отклонению РУО до «жесткого упора». Для режимов управления РО АК и РО ДК выходные характеристики ручки различны. — это из учебника

Расположение ДПО. Красным отмечены ДПО-М, зеленым — ДПО-Б. Зеленый перископ — оптическая часть визира специального космического (ВСК). Кресла показывают, что на данной картинке космонавты сидели бы вверх ногами (покрутить «Союз» можно тут)

Раньше ДПО и корректирующее-тормозная двигательная установка (КТДУ) (основной двигатель «Союза), работали на разном топливе, что привело к срыву миссии «Союз-3». Когда Георгий Береговой пытался стыковаться со вторым «Союзом» вверх тормашками, перекись водорода, на которой работали двигатели причаливания и ориентации (ДПО), быстро израсходовалась. Из-за этого пришлось потратить остатки перекиси на  ̶о̶б̶р̶а̶б̶о̶т̶к̶у̶ ̶д̶у̶ш̶е̶в̶н̶ы̶х̶ ̶р̶а̶н̶ ̶о̶т̶ ̶г̶о̶р̶е̶ч̶и̶ ̶п̶о̶р̶а̶ж̶е̶н̶и̶я̶ ориентацию корабля для последующего схода с орбиты. Кстати, сразу после миссии «Союз-3» стыковки начали проводиться только на освещённой части орбиты.

Начиная с «Союз-Т» (1979 год), и ДПО, и сближающее-корректирующий двигатель (СКД) (современная версия КТДУ) объединили в комбинированную двигательную установку (КДУ) с одинаковым  двухкомпонентным топливом (несимметричный диметилгидразин — горючее, азотный тетраоксид — окислитель).

Как же всем этим добром управлять-то? Откуда экипажу знать, в каком положении нужно быть кораблю для выдачи тормозного или разгонного импульса? Где ориентир, по которому можно было бы выровнять корабль, чтобы все прошло гладко? Ответ на все эти вопросы может дать система управления движением и навигацией (СУДН).

Первое, что приходит в голову при словах «управление движением», — это датчики. Нельзя представить систему управления чем-либо без датчиков. Возьмите хотя бы свой организм: прямо сейчас вы бегаете по тексту своими двумя очень важными оптическими датчиками. Для улавливания плача соседских детей и шума машин за окном есть еще два звуковых датчика. Логично предположить, что для системы управления «Союза» тоже нужны какие-то визуальные датчики, чтобы можно было ориентироваться на что-то статичное, например, на звезды. Такая система установлена в телескопе «Хаббл», о котором у нас на канале недавно вышло видео. Она хороша в точности, но очень чувствительна к разного рода помехам и засветам, а ещё просто не способна работать при быстрых вращениях. Потому в «Союзах» вместо оптической навигации используется инерциальная.

Работа звёздного датчика. По взаимному расположению звёзд из каталога определяется ориентация аппарата (Credit: https://habr.com/ru/post/365759/)

Для разбора принципа работы такой системы возьмём организацию двухимпульсного манёвра, который выполняется кораблем с целью перейти на более «высокую орбиту» фазирования.

Двухимпульсный маневр aka переход Гомана

В «Орбитере» в таких случаях мы бы просто подрубили автопилот, который выровнял бы нас чётко по направлению движения и спокойно выдавали бы себе импульс. В реальности требуется работа гироскопов, датчиков и много сложной математики, прежде чем запустить основой движок. А ещё симулятором космических полетов называется…

Нажал кнопку и выровнялся по направлению движения. «Орбитер»…

Задолго до включения сближающее-корректирующего двигателя (СКД) и «подъёма» орбиты подготавливается и запускается мозг «Союза-МС» — бортовая вычислительная система (БВС).

Формат СУДН — РЕЖИМ. Сигнализатор «БВС ГОТОВ» должен загореться после подготовки и включения БВС. Credit:https://pikabu.ru/story/upravlenie_kosmicheskimi_apparatami_teoriya_i_praktika_pilotirovaniya_soyuztma_post_2__formatyi_otobrazheniya_6480989

За ним следует разрешение динамического режима ЦУПом через командную радиолинию. Экипаж должен проследить снятие этого запрета на левом командно-сигнальном поле (КСПл). Также, командир или бортинженер может снять запрет вручную, в случае если команда по радиолинии не прошла.

КСПл. После работы ЦУПа или экипажа сигнализатор должен погаснуть как на картинке, что будет означать снятие запрета (Credit:https://pikabu.ru/story/upravlenie_kosmicheskimi_apparatami_teoriya_i_praktika_pilotirovaniya_soyuztma_post_5_formatyi_otobrazheniya_chast_3_6504118)

Затем начинается раскрутка гироскопов блока датчиков угловых скоростей (БДУС). Всего на «Союзе» три таких блока. В каждом блоке три датчика — по одному на каждую ось СВЯЗАННОЙ системы координат.

Связанная система координат «Союза». Начало в центре масс.

Связанная она потому что физически связана с самим кораблем. То есть при смещении корабля она смещается вместе с ним.

Этап №1

После того как гироскопы раскрутились (60 секунд) в бортовую вычислительную систему (БВС) заносится точный математический «слепок» СВЯЗАННОЙ системы координат — формируется НЕРЕГУЛИРУЕМАЯ инерциальная система координат (ИСК).

Я обманул вас когда сказал, что система управления движением и навигацией (СУДН) использует инерциальную навигацию вместо оптической. Так вот: оптическая навигация в «Союзах» тоже используется. На надирной стороне «Союза» (та, что по методичке должна быть направлена на Землю) размещено два (для надёжности) комплекта датчиков инфракрасной вертикали (ИКВ).

Два комплекта инфракрасной вертикали (ИКВ). Фото Союз ТМ-27 с STS-91

Дело в том, что Земля это очень хороший ориентир, потому что она постоянно и почти одинаково «светит» в «тепловом» диапазоне независимо от времени суток.

После раскрутки гироскопов подается питание на один из комплектов ИКВ.

Подача питания на инфракрасную вертикаль (ИКВ)

Теперь начинается самое интересное. Поскольку у любого аппарата после запуска есть остаточные угловые скорости, он продолжает вращаться в произвольных направлениях, пока кто-нибудь не захочет это изменить движками. Спустя какое-то время после раскрутки гироскопов и установки НЕРЕГУЛИРУЕМОЙ инерциальной системы координат (ИСК) получается что-то вроде такого:

Смещение СВЯЗАННОЙ системы координат относительно инерциальной системы координат (ИСК)

Блок датчиков угловых скоростей (БДУС) даёт нам угловые скорости для каждой из связанных осей корабля относительно осей инерциальной системы координат (ИСК). С помощью интегрирования функций скоростей в бортовой вычислительной системе (БВС) дилемма Мюнхгаузена и болота решается и на выходе получаются УГЛЫ между осями СВЯЗАННОЙ и ИНЕРЦИАЛЬНОЙ системы координат.

Математическое колдовство на этом не заканчивается, и потому делается ещё один математический слепок СВЯЗАННОЙ системы координат. Его будут называть ПРИБОРНОЙ системой координат.

Связанная + Инерциальная + Приборная системы координат

Не стоит забывать, что остаточные угловые скорости после выведения ещё не погашены, и корабль продолжает двигаться куда вздумается её величеству Физике.

Смещение относительно приборной системы координат

И только сейчас, с целью погасить остаточные угловые скорости и наконец твердо связать СВЯЗАННУЮ и ПРИБОРНУЮ систему координат, на сцену выходят двигатели причаливания и ориентации (ДПО).

Совмещение ПРИБОРНОЙ и СВЯЗАННОЙ системы координат

 

Формат СУДН — МАНЕВР. Сигнализатор «Работа ДПО» мигает когда из сопел ДПО вылетают струи газа. Credit: https://pikabu.ru/story/upravlenie_kosmicheskimi_apparatami_teoriya_i_praktika_pilotirovaniya_soyuztma_post_2__formatyi_otobrazheniya_6480989

Если угловые рассогласования по каждой оси СВЯЗАННОЙ и ПРИБОРНОЙ системы координат будут меньше 1.5°, а скорость их рассогласования меньше 0.1°, то формируется ГСО-1, что означает готовность системы ориентации. Можно сказать, что это первый уровень подготовки системы ориентации, который ещё называют решением ДИНАМИЧЕСКОЙ задачи ориентации.

Если в будущем отклонение отдельных осей будет больше 3°, а скорость их рассогласования за шесть секунд больше 0.25°, то ГСО-1 снимается и космонавты расстраиваются. Заметьте, что допуски на выход из ГСО-1 больше чем на вход. Дело в том, что всяческие переходные процессы ломали бы ГСО-1, если бы допуски на выход равнялись бы допускам на вход.

Этап №2

Комплект датчиков инфракрасной вертикали (ИКВ) включается на максимально возможный угол (156°), чтобы получить как можно более широкий конус видимости, в который должна попасть Земля. Не стоит однако забывать, что наша звезда куда более мощный излучатель инфракрасных волн, и если навестись не туда, то эффект будет примерно как после взгляда на светило в яркий, солнечный денек. Если Земля сразу попадает в поле зрения, то начинается третий этап. Если нет, то начинается медленное  вращение по крену (0.75°/ с), пока первый инфракрасный лучик родной планеты не коснётся нашего датчика. Вращение по крену выбрано из соображений экономии топлива: в этом случае момент инерции минимальный, а значит двигателям максимально легко вращать корабль именно в этом направлении. Стоит заметить, что после того как СВЯЗАННАЯ система координат совмещена с ПРИБОРНОЙ, они перемещаются как единое целое. Если работают движки, смещается СВЯЗАННАЯ и «склеенная» с ней ПРИБОРНАЯ система координат.

Поиск Земли с помощью инфракрасной вертикали (ИКВ)

Этап №3

На этом этапе происходит вращение «Союза» по крену и тангажу, пока он не станет как бы перпендикулярно к поверхности Земли. Этот перпендикуляр, проведенный из центра Земли в центр масс корабля, называется «местной вертикалью» и строится он по сигналам инфракрасного ока ИКВ. Более подробно о строительстве местной вертикали вы можете почитать на livejournal Михаила Смирягина.

Этот этап, как и предыдущий, может и не проводиться, если по какому-то стечению обстоятельств «Союз» уже выровнялся по местной вертикали.

Построение местной вертикали. Зелёная пунктирная линия — местная вертикаль. Красная стрелка показывает в какую сторону движется «Союз» по орбите, зеленая система координат — связанная, синяя — приборная.

Этап №4

Инфракрасная вертикаль (ИКВ), при включении на этапе поиска Земли, охватывает максимально возможный угол (156°) и вплоть до четвертого этапа в такой настройке и остается. На точность построения местной вертикали очень сильно влияет высота на которой находится ИКВ вместе с кораблем. Это значит, что на точность показаний прибора влияет «угол обзора», и чем плотнее он «охватит» Землю, тем точнее будет построена местная вертикаль. Процесс отдалённо напоминает применение автофокуса на вашем смартфоне. Вы смотрите на экран и видите, что автофокус поймал лицо, и с помощью рук пытаетесь центрировать. Так же и двигатели причаливания и ориентации (ДПО), руководствуясь сигналами от ИКВ, будут выравнивать корабль по тангажу и крену до тех пор, пока не добьются максимально «чёткого» фокуса на Землю. Настоящая орбита не может быть идеальной окружностью, и поэтому приходиться выполнять подстройку ИКВ по высоте постоянно.

Процесс «сужения» конуса сканирования инфракрасной вертикали (ИКВ) (Credit: https://misha-smiryagin.livejournal.com/660.html)

Этап №5

Канал рыскания никоим образом не влияет на построение местной вертикали и потому занимаются им в самом конце. Однако не подумайте, что он не особо важный: в конце концов именно ориентация по рысканию решает, будет выдаваться импульс на «подъем» орбиты или же на спуск. Во время своего шестичасового путешествия к МКС «Союз» довольно долго находится в положении «на торможение»: так, в случае нештатной ситуации, можно выдать тормозной импульс и вернуться домой.

Если угол рыскания не будет равен нулю (ПРОТИВ направления движения по орбите) или 180° (ПО направлению движения), то корабль будет постоянно смещаться по крену. Поэтому для подстройки корабля по каналу рыскания используется отклонение по крену, и если оно есть, значит «Союз» летит боком и требуется работа движками.

Правильная ориентация по рысканию — корабль вращается только по тангажу, как бы «естественно» огибая кривизну орбиты. В «орбитере» из-за того, что при выравнивании по направлению движения не учитывается канал рыскания, нужно постоянно тратить топливо на поддержания такого выравнивания.

Этап №6

Как только динамическая задача ориентации была решена (СВЯЗАННАЯ система координат совмещенная с ПРИБОРНОЙ) началось решение кинематической задачи ориентации. По сигналам из инфракрасной вертикали (ИКВ) приборная система координат вместе со связанной начали свое путешествие к осям ОПОРНОЙ системы координат. Кстати у меня есть догадка, что ПРИБОРНАЯ получила свое название как раз потому, что изменяет своё положение в зависимости от показаний приборов ИКВ или солнечного датчика. Сегодня мы рассматривали орбитальную систему координат (ОСК).

Но что же такое ОСК и как ее сформировать? ОСК образуется в процессе решения кинематической задачи ориентации: по сигналам из ИКВ формируется нужный крен и тангаж, а в зависимости от смещения по крену узнаем нужное рыскание.

Это конечный результат, которого добивается система управления движением и навигацией (СУДН) при построении орбитальной системы координат в ориентации «на разгон». ОСК собственной персоной в розовом цвете. Ось X направлена по вектору орбитальной скорости (пресловутый «прогрейд»), ось Y совпадает с направлением от центра Земли к кораблю, Z — перпендикулярно орбите вверх.

 

Орбитальная система координат. Credit: РКК Энергия

Конечной задачей при построении любой ориентации, включая ОСК, является совмещение СВЯЗАННОЙ системы координат с ОПОРНОЙ. При прочтении последнего предложения у вас наверняка появился вопрос: зачем тогда нужен посредник в виде ПРИБОРНОЙ системы координат? Вся соль в том, что однажды выставив ПРИБОРНУЮ систему координат по осям ОПОРНОЙ, её математическая модель заносится в бортовую вычислительную систему (БВС). А так как особенностью орбитальной системы координат (ОСК) является ее предсказуемое вращение, то её модель позволяет определить как повернуть корабль, чтобы получить ориентацию в ОСК в любой точке орбиты.

Готовность системы ориентации (ГСО) = ГСО-1 (совмещение ПРИБОРНОЙ И СВЯЗАННОЙ системы координат) + ГСО-n (n — зависит от режима ориентации, в случае ориентации в орбитальной системе координат (ОСК) будет ГСО-2). На последнем этапе ГСО-2 тестируется на прочность. Если за шестьдесят секунд отклонение СВЯЗАННОЙ системы координат от ОПОРНОЙ меньше чем  0.59° по крену и 0.61° по тангажу, то формируется ГСО-2 и соответственно ГСО.

Формат СУДН — МАНЕВР.  Система ориентации готова к маневру.

Из-за того что орбита «Союза» не может быть идеально круглой, по каналу тангажа выполняется коррекция орбитальной скорости в зависимости от высоты орбиты.

Мы рассмотрели работу дискретного контура СУДН в АВТОМАТИЧЕСКОМ режиме. Все шесть этапов ориентации проходили без какого-либо вмешательства человека. Конечно, вы прекрасно знали, что миссии по стыковке «Союза» с МКС проходят автоматически, но после знакомства с деталями штатных процессов я чувствую себя человеком, которого обвел вокруг пальца ловкий фокусник. Умом понимаю, что есть датчики, есть вычислительная система, есть двигатели и все что нужно было для автоматизации это энтузиазм и работа людей, но глаза все равно ищут эльфов 🙂

Автоматический режим в дискретном контуре используется штатно, если нет никаких проблем. При отказе обоих комплектов инфракрасной вертикали или при нехватке времени выполняется ручная ориентация в дискретном контуре (РО ДК). Это достаточно сложная и интересная тема, заслуживающая отдельной статьи. Ещё есть запасной, аналоговый контур, который используется в случае неполадок дискретного контура…

Надеюсь вам понравилось очередное путешествие сквозь тернии инженерного волшебства.

Отдельные благодарности Николаю Дементьеву за помощь в написании статьи и консультации 🙂

Интересная статья о системах ориентации космических аппаратов.

P.S  Михаил Смирягин — человек, который занимается непосредственной разработкой тренажеров космонавтов, начал вести свой блог о «Союзах», «Соколах», рабочих буднях на МКС и прочих интересных штуках в мире российских пилотируемых полетов. Рекомендую подписаться и активно следить за постами. Лучше о «Союзах» вам не расскажет никто.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

18
Войдите, чтобы читать и оставлять комментарии.
Николай Дементьев
Участник
Николай Дементьев

Проверка работоспособности комментариев.

Taras Polishchuk
Участник
Taras Polishchuk

Дякую. Чекав довгих 3 дні щоб стаття стала доступною. В захваті прочитав, мало що зрозумів (це вище мого розуміння) але було круто. Ще раз дякую за проведену роботу !!!

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

[X]
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.