ФГУП МОКБ «Марс»: Автоматическая посадка орбитального корабля «Буран» — первый опыт создания интеллектуальной системы управления и новых технологий разработки программного обеспечения
15 Мая 2018 в 09:10
— Коллективу Московского опытно-конструкторского бюро «Марс» посчастливилось в 1970–80-е годы принять участие в создании орбитального корабля «Буран».
Всё начиналось с решения Военно-промышленной комиссии № 332 от 27.12.1978, где задача формулировалась следующим образом: «Разработка, изготовление и поставка в составе системы управления орбитального корабля (СУ ОК) комплекса систем (РВ-М, РВ-Б, СВСП, РСНП) с обеспечением их логического, информационного, электрического, конструктивного сопряжения, с разработкой алгоритмов, циклограмм, программ, схемно-конструкторской и эксплуатационной документации как для бортовой, так и наземной аппаратуры. Обеспечение заданной динамики полета на участке аэродинамического спуска и посадки».
В результате детализации и уточненного распределения работ между предприятиями-соисполнителями задача обеспечения заданной динамики конкретизировалась следующим образом: разработка программно-алгоритмического обеспечения системы управления ОК на участке спуска и посадки, начиная с высоты Н = 20 км, включая предпосадочный маневр, заход на посадку до касания взлетно-посадочной полосы (ВПП) и пробег ОК по ВПП вплоть до останова.
За этот участок полета ОК «Буран» отвечало МОКБ «Марс». Мы прекрасно осознавали всю ответственность за обеспечение успешной посадки «Бурана», иначе труд сотен тысяч участников создания системы «Энергия — Буран» в случае неудачи был бы просто похоронен, а нас, как говорится, «закатали бы под асфальт».
Алгоритмы управления МОКБ «Марс» разрабатывало с учетом опыта, предложений и замечаний головных предприятий авиационной отрасли — ЦАГИ, НПО «Молния» и ЛИИ им. М.М. Громова.
Однако именно МОКБ «Марс» явилось разработчиком и поставщиком того программного продукта, который, будучи размещен в БЦВК СУ ОК «Буран», обеспечил автоматическую посадку орбитального корабля с заданной точностью при выполнении предъявленных требований по надежности решения поставленной задачи.
Для этого потребовалось:
1. Разработать алгоритмы и бортовые программы, обеспечивающие управление ОК с высоты Н = 20 километров до останова на ВПП с заданной точностью и вероятностью с учетом специфики бездвигательной посадки, вариаций в широком диапазоне аэродинамических характеристик объекта, возмущений, ошибок информации, неопределенности воздушно-скоростных параметров в трансзвуковой зоне полета.
2. Создать методологические основы и технологию проектирования программно-алгоритмического обеспечения (ПАО) высокой надежности.
3. Создать программно-аппаратные средства для проектирования и отработки ПАО.
4. Разработать методы сертификации ПАО ОК на участке посадки.
Неординарность задачи создания высоконадежного ПАО системы управления автоматической посадкой беспилотного ЛА привела к необходимости трехуровневого иерархического построения алгоритмов управления и навигации.
Алгоритмы верхнего (системного) уровня предназначены для контроля текущего вектора состояния объекта и системы управления и формирования стратегии информационного обеспечения и управления. В системах управления самолетов подобные функции возлагаются на экипаж и наземные службы.
Алгоритмы среднего (функционального) уровня реализуют формирование заданной траектории движения и вычисление управляющих воздействий для отслеживания этой траектории; в части навигации — формирование достоверного вектора корректирующих радиоизмерений.
Назначение алгоритмов нижнего (динамического) уровня заключается в обеспечении заданных статических и динамических характеристик нестационарного нелинейного объекта управления, необходимой точности навигационных параметров.
Важнейшим моментом в создании программно-математического обеспечения явилась разработка технологии проектирования и сертификации программно-алгоритмического продукта и выдачи заключения к научной работе.
Принцип сквозной технологии позволил выстроить цепь задач, связанных физическим смыслом и программным сопряжением, последовательно наращивать структуру комплекса моделирующих программ, взаимно согласуемых между предприятиями-соразработчиками, последовательно уточняемых на всех этапах математического и полунатурного моделирования летных испытаний.
Особое внимание уделялось получению и уточнению математических моделей РТС и их погрешностей.
Эта работа проводилась с участием ВНИИРА, ЛИИ, ЭМЗ, НПО «Молния» с учетом как аналитического рассмотрения схемотехнических решений, так и анализа результатов реальных полетов ЛЛ-154 в ЛИИ и на аэродроме «Юбилейный».
Аттестация алгоритмов производилась по методике, согласованной с ЛИИ и НПО «Молния». Вероятность успешного завершения посадки Р=0,9995 (без учета отказов аппаратуры) была подтверждена с учетом статистического моделирования: потребное количество реализаций — 600, выполнено — 1300, а также натурного эксперимента: на ЛЛ-154 — 60 посадок для подтверждения математических моделей, на БТС-002 — 10 посадок. На основании результатов проведенных работ было выдано заключение по критерию точности о соответствии алгоритмов заданным требованиям.
В дополнение к этому отдельно решалась задача оценки и моделирования отказных ситуаций. Детальный инженерный анализ позволил выявить 41 характерную ситуацию как проявлений отказов аппаратуры, так и динамических реакций СУ на различных этапах полета.
Специальной составной частью процесса разработки и аттестации бортового ПО явилась процедура тестирования, включающая в себя, в частности, проверку правильности вычислений, их логической взаимосвязи на соответствие эталону (контрольным примерам и результатам математического моделирования).
«Бурановская эпопея» завершилась в ноябре 1988 года громким успехом: автоматическая посадка орбитального корабля (первая в истории космонавтики) была совершена с потрясающей точностью: отклонение ОК от осевой линии ВПП не превысило 1,5 метра!
С тех пор прошло почти 30 лет. И до сих пор при создании и отработке систем и комплексов управления ракетно-космической техники, программно-математического обеспечения СУ в МОКБ «Марс» используются основные принципы и подходы, разработанные еще во времена «Бурана», но, естественно, с учетом возможностей современных технологий и максимальной автоматизации процессов проектирования. В настоящее время предприятие реализует гособоронзаказ по выпуску систем управления для специальных изделий разработки МКБ «Радуга», разрабатывает СУ для перспективных атмосферных специзделий, изготавливает комплекты СУ для РБ «Бриз-М» ракеты-носителя «Протон-М» и обеспечивает подготовку и аттестацию полетного задания для разгонного блока на каждый пуск РН. Разрабатываются БКУ для КА научного и метеорологического назначения: «Спектр-РГ», «Спектр-УФ», «Электро Л3» и «Арктика-М». Для КА «Кондор-ФКИ» и «Нейтрон» создаются блоки силовой автоматики. По теме «Луна-Ресурс» МОКБ «Марс» с кооперацией разрабатывает систему высокоточной и надежной посадки автоматической станции на Луну. Особо хочется отметить востребованность «бурановского» научно-технического задела в работах по созданию СУ для перспективных многоразовых космических комплексов, разработки которых возобновились в нашей стране.
