Ракеты и люди. Лунная гонка - Борис Черток

В работе Токаря впервые предлагалась система, которая стала классической для всех «Востоков», «Восходов» и «Зенитов», и существовала до времен, пока не наступила эпоха «бесплатформенных» систем. Для ориентации одной из осей спутника по местной земной вертикали (то есть по направлению к центру Земли) предлагалось использовать прибор, чувствительный к инфракрасному излучению поверхности планеты. Идея сканирования таким прибором границы между видимым с космического аппарата земным диском и космосом была высказана Раушенбахом. В разработке схемы и теоретических основ прибора значительное участие принимали Евгений Башкин и Станислав Савченко. Первый реальный прибор ИКВ был выполнен Владимиром Хрусталевым и Борисом Медведевым в ЦКБ «Геофизика». В настоящее, время ни один околоземный спутник не обходится без ИКВ — построителя местной вертикали. ОКБ «Геофизика» с тех давних пор довело надежность, точность и массу ИКВ до величин, о которых в первые годы мы и не мечтали.

Кроме ориентации двух осей по углам тангажа и крена, которые обеспечивались ИКВ, требовалось остановить свободное вращение спутника вокруг вертикальной оси, направленной на Землю, то есть научиться ориентировать его относительно плоскости курса, как мы говорили по-ракетному, по углу рыскания.

Для этой цели Токарь предложил гироскопический ориентирующий прибор, позднее названный «гироорбитант». Он применялся практически на всех отечественных автоматических и пилотируемых космических кораблях, нуждавшихся в орбитальной ориентации. Теория гироорбитанта явилась основой кандидатской диссертации Токаря, которую он защитил в 1959 году. Изготовить гироорбитант своими силами мы не могли. Требовалось высокоточное специализированное производство. Естественно, что обратились к тогдашнему монополисту в ракетной гироскопии — Виктору Кузнецову. Первая реакция была резко отрицательной. Кузнецов не пожелал изготавливать у себя прибор, идея которого родилась где-то на стороне. Кроме того, Кузнецов усомнился в самой идее гироорбитанта, который представлял собой, как он мне высказал, «принцип морского гирокомпаса, испорченный для космоса».

Но отмахнуться от нас в те времена Кузнецов не мог. Это грозило серьезным объяснением с Королевым, а тот, чего доброго, мог сказать: «Ну, Витя, если ты отказываешься мне помочь, я поищу других». «Витя» попросил Александра Ишлинского провести подробную проверку теории в математическом институте в Киеве, директором которого тот был избран еще в 1948 году. Независимую экспериментальную проверку принципа по поручению Кузнецова произвел один из его ведущих специалистов Оскар Райхман. Не будучи великим теоретиком, но являясь хорошим организатором и гироскопистом-практиком, тот быстро соорудил стенд, на котором подтвердил работоспособность прибора. Великая заслуга Ишлинского и Райхмана состояла в том, что они независимо друг от друга убедили Кузнецова. Он поверил и дал зеленый свет изготовлению первой серии. Приборы Кузнецова под индексом КИ-008, КИ-009 и т.д. были установлены на первые космические корабли: «Востоки», «Зениты», последующие разведчики, челомеевские «Алмазы». На орбитальных станциях «Салют» мы сделали попытку заменить гироорбитант так называемой «ионной ориентацией» по курсу и тангажу. Одной из причин такой замены была длительность периода первоначальной «выставки» гирообитанта после выхода на орбиту.

Ориентация по всем трем осям с помощью ИКВ и гироорбитанта занимала для ИСЗ почти целый виток. Ориентация с помощью ионной системы по тангажу и курсу осуществлялась минут за десять. Однако использование столь заманчивой по времени ориентации системы без предварительной тщательной проверки закончилось гибелью ДОСа № 3.

На этой трагедии я остановлюсь ниже.

Идея более точного блока гироприборов, дающего ориентацию по курсу и фильтрующего флюктуации оптической ИКВ, была развита и реализована Токарем совместно с морскими гироскопистами ленинградского «Электроприбора» Гордеевым и Фармаковским. В КБ этого завода на редкость добросовестно была исследована схема и разработана конструкция двухроторного орбитального гироскопического комплекса для нового космического разведчика «Зенит-4». Такой комплекс включал гировертикаль, корректирующуюся по сигналам ИКВ, и собственно гироорбитант. Точность системы была при этом за счет дотошности ленинградцев повышена по сравнению с «Зенитом-2» в десять раз! Для экономии рабочего тела впервые была предусмотрена система электродвигателей-маховиков, разработанных во ВНИИЭМе. В целом система приборов ориентации «Зенита-4», изготовленных всеми смежниками, была заметным качественным скачком в технике управления в пространстве.

Одним из ведущих специалистов новой системы для «Зенита-4» была Лариса Комарова. Она с блеском защитила кандидатскую диссертацию по этой теме. К сожалению, система управления «Зенита-4» в таком виде в космос не полетела. Требовалось все больше пусков уже освоенного «Зенита-2». Однако идеи, разработанные в те бурные годы, много позднее были реализованы в ОКБ-52 Челомеем на «Алмазе» и Козловым на новых космических фоторазведчиках.

Гироскопические фирмы разрабатывали для ракет, самолетов и кораблей все более сложные приборы, находившиеся по технологии производства на грани возможного. Ракетные управленцы в коллективах Пилюгина, Кузнецова и Арефьева стремились создать высокоточную инерциальную систему управления, основу которой составляла прецизионная гироскопическая платформа. Это направление доминировало и у американцев.

Стремление иметь ориентацию в космосе, чтобы аппарат мог выполнять любые развороты и маневры, ограничивалось конструкцией карданного подвеса гироскопов. Как только превышался разрешенный конструкцией гироорбитанта или гироплатформы угол, гироскопы «ложились на упор» и происходил сбой — потеря режима ориентации. Гироскопические системы ракет этого явления не боялись, потому что возможные углы, определяемые программой активного участка, были заведомо меньше разрешенных гиросистемами.

В недрах теоретического отдела Легостаева вынашивалась идея отказа от классического карданного подвеса, ибо сама задача управления ориентацией ИСЗ из-за требований неограниченных угловых эволюций (программные повороты, смена режимов ориентации, эволюции при стыковках) подсказывала необходимость отказа от механического ограничения. Внутри систем космического аппарата не должно быть никаких упоров для маневрирования! Так ставилась задача.

Теоретически бескарданные, или бесплатформенные, системы, или, как их теперь называют, БИНС — бескарданные инерциальные навигационные системы, были известны давно. Имелись на сей счет даже диссертации. Но самые главные ракетные управленцы Кузнецов и Пилюгин считали, что это забава для теоретиков, подобная очередному варианту перпетуум-мобиле.

Тем не менее теоретики утверждали, что в принципе можно создать бесплатформенную систему ориентации и навигации, если овладеть техникой численного интегрирования систем кинематических уравнений и преобразований систем координат. Система углов, входящих в уравнения, описывающие движение твердого тела, в принципе может моделировать карданный подвес гироскопов. Если есть хороший вычислитель, он, получая информацию, может заменить сложную конструкцию гироплатформы.

Практическое решение такой задачи не под силу чистому математику. Требовался трезвый инженерный взгляд на классическую теорию углового движения твердого тела. В данном случае требовалось найти приемлемый для практики метод замены сложной механики сложной математикой, не имеющей «упоров» и многих десятков килограммов металла. Как это сделать?

История науки и техники показывает, что серьезные открытия делают отдельные люди, либо очень небольшие коллективы — два-три человека. Вот когда открытие сделано, тогда для его реализации требуются смелые руководители, которые пойдут на риск, втянут в эту работу большой коллектив и найдут требуемые средства.

Началом отечественной эпохи бесплатформенных систем следует считать предложение двух молодых выпускников физтеха, появившихся в ОКБ-1 вместе с Раушенбахом. Двадцатисемилетний Владимир Бранец и тридцатилетний Игорь Шмыглевский в 1963 году обратились к трудам математика Гамильтона, который впервые создал в 1843 году теорию кватернионов, стремясь найти удобный аппарат для изучения геометрии пространства.

В 1973 году, через 130 лет после открытия Гамильтона, уже обстрелянные на ракетном полигоне Бранец и Шмыглевский опубликовали труд «Применение кватернионов в задачах ориентации твердого тела». Книгу выпустило издательство «Наука» через два года после получения рукописи, которая явилась завершением многолетних исследований. Труд стал классическим и был переведен даже на китайский. Тяжелая болезнь преждевременно унесла из жизни Шмыглевского, и он не мог полюбоваться своим трудом, изложенным в иероглифах. Такой сувенир Бранцу преподнесли китайские ученые во время его командировки в Пекин.