Система управления орбитального корабля Буран

Система управления орбитального корабля «Буран» — уникальная компьютерная система, выполнявшая управление космическим кораблём «Буран» в автоматическом режиме, начиная с выхода на орбиту до посадки на космодроме. Была испытана на практике единственный раз в 1988 году. Это центральная система комплекса бортовых систем корабля, обеспечивающая функционирование и тесные связи с другими системами ОК, планером, обритальной двигательной установкой, агрегатами и элементами, включающими в свой состав электроприводы, пиротехнические устройства, элементы пневмо- и гидроавтоматики, требующие дистанционного управления и контроля.

Являет собою беспримерный по сложности и объёму работы программистский и компьютерный проект в истории человечества, достигший блестящего успеха, но погибший в результате предательства власти и гибели государства.

Описание

В системе управления ОК "Буран" основные функции управления и контроля потребовали использования прогрессивных принципов и решений, что придало комплексу бортовых систем новые качества и возможности. Система управления ОК решает три главные задачи:

1. управление движением ОК с реализацией программных изменений траектории его движения для переходов с одной орбиты на другую, а также изменение и поддержание необходимой ориентации в процессе полета;
2. управление бортовыми системами ОК, т.е. реализация программы включения-выключения систем и их элементов, а также изменения режимов их работы в соответствии с требованиями, диктуемыми программой полета;
3. контроль и диагностика функционирования всего комплекса бортовых систем в целях подтверждения правильности выполнения программы их работы и выявления отклонений для принятия мер по обеспечению безопасности экипажа и выполнению программы полета.

Система управления включает:

• программно-логические устройства, центральным звеном которых является бортовой цифровой вычислительный комплекс (БЦВК);
• датчики (гироскопические, оптико-электронные, радиотехнические, измерения высотно-скоростных параметров и др.);
• блоки электросилового питания и согласования с исполнительными органами и многочисленными бортовыми системами и агрегатами.

По конструктивному исполнению СУ представляет собой ряд крупных блоков, установленных для обеспечения теплового режима на охлаждаемые жидкостным контуром системы терморегулирования платы. Основные блоки СУ размещаются в кабине, других отсеках и крупных агрегатах ОК. Многочисленные и многообразные электрокабели связывают всю аппаратуру ОК с СУ.

главный бортовой компьютер ... величиной (мне уже приходилось сравнивать и подвергаться иронии специалистов) с тракторный аккумулятор. Правда, на борту их четыре - обязательное дублирование. "Американцы не понимают, как русские сделали управление на четырех машинах без всякого сбоя. У них бортовсй комплект - пять ящиков..." Насчет быстродействия: сорокаминутный спуск стационарные машины наземного комплекса (много-много больших шкафов) считают двое суток. Настолько удлиняется и смена испытателей, моделирующих полет. Ведь спусков не один-два - десятки и сотни, прежде чем компьютер напитается необходимыми алгоритмами. "А потом, когда все готово, двигателисты вдруг вносят изменение в работу ОДУ. Машина должна перестраивать программу не только для управления двигателями, но и для увязки со всеми системами корабля - а их 52!

...

Вообще система управления - это 1100 сложнейших электромеханических приборов общей массой примерно три тонны. Три - из стотонного корабля. Но минуя ее, и лампочка в кабине не зажжется, и тормоза не сработают. Реле, усилители, преобразователи, фильтры... "По всей этой цепи много раз с хвоста на нос гоняем сигнал - вот и все управление", - усмехаются управленцы в усы.

...

Главной загвоздкой была непредсказуемая аэродинамика такого корабля. До плотных слоев атмосферы, наглядно объясняют мне, он, как разогнанная машина в гололед: реакция на ручку может быть самой неожиданной. Крутишь влево-идет вправо, и наоборот. Юзы, заносы, зигзаги. Избежать этого нельзя - надо гибко и молниеносно реагировать на сигналы гироскопов, акселерометров, угловых датчиков. Компьютер в такой ситуации способен тридцать раз в секунду выдавать команды на рули. И тридцать восемь сопел малой тяги "играют" свою симфонию, сохраняя устойчивость и направленность корабля. Вопрос вопросов: "где мы?" - навигационная задача - решается шестнадцать раз в секунду. Набор сложнейших ситуаций, из которых корабль находит выход с помощью алгоритмов, настолько превышает реальность, что разработчики назвали его "фильмом ужасов".

Невольно выскакивает вопрос: а человек? Посильна ли ему эта задача?

- Конечно, нет! - у управленцев нет сомнений. - Автомат здесь вне конкуренции. Человек справится в самолетном полете, когда ясен выход на полосу. Поэтому главное из главных - надежность. С Гагарина это наша основная забота.

Математический скачок к "Бурану" таков: все предыдущие задачи вмещались в 30 тысяч команд. Здесь - 144 тысячи, и оперативной памяти компьютера не хватает. Ему помогает внешняя память - магнитофон, пленка которого обменивается с компьютером программной информацией: подает новую и берет отработанную.

Состав

Система управления (СУ) ОК предназначена для управления движением, ориентацией и навигацией ОК, а также для реализации командно-программного управления всеми его бортовыми системами. Она включает в себя командные приборы, вычислительную систему, аппаратуру управления исполнительными органами и системами ориентации и навигации, преобразования и распределения электроэнергии, управления средствами посадки, сопряжения бортовых систем и управления ими, уплотнения сигнальной и аналоговой информации для связи с наземным проверочно-пусковым комплексом.

СУ в качестве функциональных узлов включает в себя двухмашинный вычислительный комплекс с радиальной системой связи с периферийными абонентами и базовой БЦВМ (бортовым вычислителем "Бисер-4") и комплекс командных приборов, основой которого является четырехрамочная гиростабилизированная платформа.

Систему управления можно представить как совокупность независимых функциональных трактов, решающих определенную локальную функциональную задачу в соответствии с ее логикой. Аппаратура системы, сгруппированная по признаку выполнения функциональной задачи совместно с аппаратурой других подсистем, объединена в функциональные тракты, которые в соответствии с решаемыми ими задачами делятся на три группы: общего пользования, системы управления движением (СУД) и системы управления бортовыми системами (СУБС).

Бортовой цифровой вычислительный комплекс

Бортовой цифровой вычислительный комплекс (БЦВК) получает информацию от датчиков и бортовых систем, обрабатывает ее в режиме разделения времени между задачами и выдает управляющие воздействия на исполнительные органы и бортовые системы. Для обеспечения работы в реальном масштабе времени каждые 32,8 мс прерывается работа процессора, что создает предпосылки для периодического возвращения к решению одних и тех же задач.

Облик и структуру БЦВК во многом определяет требование сохранения работоспособности и обеспечения безопасности экипажа при любых двух отказах. В состав БЦВК входят две идентичные по структуре и оборудованию вычислительные системы: центральная (ЦВС) и периферийная (ПВС), каждая из которых включает в себя четыре бортовые цифровые вычислительные машины, работающие синхронно по одинаковым программам, фактически резервирующие друг друга и представляющие четыре параллельных канала, на выходе каждого из которых имеется встроенная резервированная схема сравнения, контролирующая команды, выдаваемые абонентам из всех четырех БЦВМ. При отказе одной из БЦВМ схема сравнения блокирует ее выход и вычислительная система продолжает работать в составе трех каналов, при отказе второй БЦВМ ситуация повторяется: выход отказавшей БЦВМ блокируется и система продолжает работать в составе двух каналов.

Программное обеспечение

Программное обеспечение включает в себя программное обеспечение самого ОК, реализованное в БЦВК, а также программное обеспечение наземного автоматизированного испытательного комплекса, обеспечивающего проверку ОК на всех рабочих местах испытаний, в том числе и предстартовую подготовку.

Программное обеспечение БЦВК не имеет аналогов среди систем управления летательных аппаратов как по масштабам и объему разработки, так и по многообразию и сложности решаемых задач. Объём программного обеспечения для современных РН и КА - десятки тысяч, а для ОК - сотни тысяч слов при одновременном резком увеличении логической сложности решаемых задач, что потребовало нового подхода к самой технологии его создания, а также объединения усилий нескольких крупных коллективов, насчитывающих сотни программистов. Сложность разработки ПО для ОК состояла в том, что наряду с традиционными для КА задачами управления движением впервые все задачи управления и контроля бортовых систем были реализованы с помощью управляющих программ БЦВК. Значительное число (более 50) бортовых систем и разнородность их задач потребовали различных подходов при реализации управляющих программ.

Базой математического обеспечения БЦВК является операционная система. Вследствие большого круга задач, решаемых СУ, и большого числа различных программ и связей между ними при разработке операционной системы исходили из таких функций, реализуемых универсальными ЭВМ, как достоверная диагностика ошибок ПО, эффективное использование вычислительных ресурсов, восстановление вычислительного процесса при сбоях и применение вспомогательных программ для отладки.

Для автоматизации анализа исходных данных для написания программ и исключения ручного труда и во избежание внесения дополнительных ошибок была создана информационная система, включающая базу данных с адресами контролируемых параметров и кодовыми конструкциями, принимаемыми или посылаемыми от проверяемой аппаратуры, а также специальный язык описания исходных данных, позволяющий автоматизировать процесс формирования программ на языке универсальной ЭВМ. При таком способе составления программ испытаний при изменениях в электрических схемах или программах БЦВК новые данные вносятся в базу данных информационной системы, которая автоматически определяет новые адреса и кодовые конструкции. Таким образом, коррекция связана лишь с автоматической перетрансляцией программы без изменения текста программы. Такая технология создания ПО позволила в сжатые сроки создать единый бортовой и наземный комплексы ПО общим объемом около 100 Мбайт.

См. также

• Буран (космический корабль)