Наука и техника: прошлое и настоящее

Отечественная лунная одиссея

Продолжение. См. № 7, 12, 16, 20/2009, 2, 6/2010

Экипаж лунохода

Телеуправление луноходом после его доставки на Луну представляло принципиально новую проблему, которая до того времени ни советской, ни зарубежной космонавтикой ещё не решалась. По­этому на Земле проводилась длительная и разносторонняя подготовка к эксперименту.

В начале апреля 1968 г. Главный конструктор непилотируемых межпланетных космических аппаратов Г.Н. Бабакин прибыл к начальнику Центра Командно-измерительного комплекса (КИК) генерал-майору И.И. Спице с предложением по формированию специалистами КИКа группы операторов для управления с Земли необычным космическим транспортом [1]. Предложение получило одобрение, и в мае на Командно-измерительные пункты (КИП) поступила телефонограмма, в которой предлагалось направить в Москву офицеров, желающих посвятить себя испытательной работе по исследованию космоса.

В конце мая в Институт медико-биологических проблем (ИМБП) для медицинского обследования прибыли более 40 офицеров, отобранных из многочисленных добровольцев. Медики придирчиво оценивали их общее физическое состояние, выносливость, возбудимость, долговременную и оперативную память, способность ориентироваться в пространстве, переключать внимание, адаптивность, зрение и многое другое. 11 июля полковник Романов А.П. представил заместителю начальника Центра КИКа по научной части и измерениям генерал-майору П.А. Агаджанову 18 офицеров^*, выдержавших испытания, и предложил их включить в состав специальной группы.

Генерал-майор П.А. Агаджанов разъяснил предназначение такого набора: научиться дистанционному управлению самоходным аппаратом на Луне – передвижной научной лабораторией, – которое будет осуществляться из Симферопольского Центра дальней космической связи (ЦДКС). Профессия оператора дистанционного управления инопланетным транспортным средством (ТС) была принципиально новой. Он должен иметь отличное здоровье, обладать ясным мышлением, вниманием и собранностью, уметь оценивать пространственные характеристики местности по плоскому изображению на телевизионном экране, быстро и точно воспринимать и перерабатывать принимаемую с борта информацию и принимать самостоятельно решение.

После персонального собеседования в группу операторов были включены Васильев Ю.Ф., Давидовский К.К., Довгань В.Г., Ерёменко Н.М., Иванов Н.Н., Калиниченко А.И., Кожевников А.Е., Козлитин Н.Я., Латыпов Г.Г., Мосензов Л.Я., Сапра­нов В.М., Самаль В.Г., Фёдоров И.Л. и Чубукин В.И.

14 июля группа была представлена Г.Н. Бабакину. Он придавал особое значение этой встрече, ведь люди толком и не знали, чем им придётся заниматься в течение нескольких лет. Молодым офицерам он сказал: «Хочу предупредить: техника, с которой вам предстоит работать, не то, что новая, – новейшая. Она создаётся на ваших глазах, и вы станете активными участниками этого процесса. Как лётчики-испытатели в авиационных КБ. Но там есть опыт, преемственность, традиции, а мы всё начинаем с нуля, впервые… Будет трудно. И нам, и вам. И ответственность у нас будет одинаковая. Как говорится, “синяки и шишки” общие… Но вы станете первопроходцами, а такое счастье в жизни выпадает не каждому. Чем скорее вы начнёте входить в курс дела, тем будет лучше для вас. Вы должны знать всю машину. Мало будет толку, если вы изучите только кнопки, на какую нажимать, когда ехать вперёд, а на какую, когда ехать назад. За каждой кнопкой вы должны видеть всю схему, логику всей работы».

Было принято решение создать три учебные группы. Одна – Ю.Ф. Васильев, А.Е. Кожевников, Н.Я. Козлитин, Л.Я. Мосензов и И.Л. Фёдоров – была направлена в г. Химки в ОКБ им. С.А. Лавочкина, где полным ходом шли испытания бортовых систем лунохода. Другая – В.Г. Довгань, Н.М. Ерёменко, Н.Н. Иванов, А.И. Калиниченко, Г.Г. Латыпов, В.М. Сапранов и В.И. Чубукин, изъявившие желание стать водителями лунохода, – во ВНИИ-100 (п. Горелово), специалистами которого под руководством А.Л. Кемурджиана было создано шасси лунохода. А третья – К.К. Давидовский и В.Г. Самаль (будущие штурманы) – в Институт космических исследований АН СССР, в одном из отделов которого была сформирована оперативная научная группа во главе с молодым учёным, кандидатом технических наук Б.В. Непоклоновым.

Через месяц группы собрались в Химках, где продолжилась их совместная учёба. Преподавателями были разработчики и создатели всех систем лунохода.

На технической территории Симферопольского ЦДКС в конце августа под руководством полковника Н.И. Бугаева были созданы пункт управления луноходом (ПУЛ) и лунодром. ПУЛ предназначался для командно-программного управления лунным космическим аппаратом (ЛКА) в режиме реального времени с учётом принимаемой телеметрической, телевизионной, фотометрической, научной и других информаций. С участием экипажа лунохода были составлены технические задания на оборудование, разработано и отлажено математическое обеспечение для автоматизированного комплекса обработки телеметрической информации (АКОТИ) с аппаратурой отображения и автоматизированной обработки СТИ-90М.

Лунодром – это «кусочек Луны» на Земле, представлявший собой на площади приблизительно один гектар (120 × 70 м) весьма точную копию некоторых участков лунной поверхности, по тогдашним представлениям селенологов.

12 июля 1968 г. Г.Н. Бабакин утвердил «Генплан спецсооружения» (одна из его копий находится в музее ГИЦ (ИУ КС) им. Г.С. Титова в г. Красно­знаменске). На отведённом участке начались строительные работы. Срезали растительный слой и заменили его песчаным грунтом (около 8000 м³). Соорудили различные возвышенности – горки (ещё более 3000 м³ грунта). Вырыли 54 кратера, в числе которых были 19 кратеров диаметром 2 м, 23 – диаметром 4 м, 11 – диаметром 8 м и 1 – диаметром 16 м. Разместили более 160 камней различного размера, всю площадь покрыли евпаторийским ракушечником слоем 20 см (а это около 1600 м³), ракушечник покрасили в серо-чёрный цвет.

В середине сентября 1968 г. на Симферопольский ЦДКС прибыла группа из четырнадцати офицеров для приобретения навыков дистанционного управления луноходом. Именно тогда в космической технике и появился новый термин – «система дистанционного управления (СДУ) космическим транспортным средством».

Выбор рациональной структуры СДУ был не прост, т. к. эта система «замыкалась» на человека с его психикой, свойственной ему реакцией, способностью к анализу и другими особенностями, которыми характеризуется мыслящая личность.

Специфические особенности заключались в отсутствии непосредственного восприятия оператором процесса самого движения, в затруднённом восприятии местности по телеэкрану, во временных задержках при выдаче на борт радиокоманд и приёме с борта телевизионного изображения и телеметрической информации, в зависимости характеристик подвижности самоходного шасси от условий рельефа и физико-механических свойств лунного грунта [2]. Это потребовало наличия определённых навыков и психофизических качеств. К первым относились способность оперировать пространственными представлениями в отрыве от управляемого ТС и умение оценивать обстановку с упреждением во времени для компенсации временных задержек в системе управления. Ко вторым – хорошая память, способность к длительному вниманию, быстрота реакции и осмысления информации, умение по телевизионному изображению оперативно оценивать конкретную обстановку, определять расстояние до препятствий и их размеры, выбирать рациональный маршрут движения ТС и принимать решение по методу управления им. В настоящее время в мировой практике управления инопланетным ТС применяется термин «телеоператорное управление».

Один из технологических образцов лунохода (машина 108А) был доставлен на лунодром. (В настоящее время он экспонируется в музее ГИЦ (ИУ КС) им. Г.С. Титова, г. Краснознаменск.) Это полномасштабный макет лунохода с настоящим шасси, но без панели солнечной батареи, с телевизионными системами, с введённой задержкой, соответствующей времени распространения радиоволн от Земли до Луны и обратно. Правда, связь с этим «луноходом» осуществлялась не по радиоканалу, как это должно быть в реальных условиях, а по 16-жильному кабелю (длина около 11 м, масса более 100 кг).

Для разработки специальной программы и методик тренировок операторов по управлению этим необычным ТС была создана группа, в которую вошли П.С. Сологуб (руководитель), В.В. Громов, Ю.П. Китляш, Л.Н. Поляков, В.В. Бабенко, А.И. Краснов и др. (ВНИИ-100), а также медицинские работники из ИМБП МЗ СССР под руководством кандидата медицинских наук полковника медицинской службы П.Я. Нурдыгина. Перед началом работы операторы проходили медицинский контроль, а в процессе вождения производилась зкспресс-диагностика эмоционального напряжения. На них надевались специальные «лифчики» с датчиками, которые автоматически следили за частотой сердечных сокращений, кровяным давлением, температурой тела и другими показателями сердечно-сосудистой деятельности [2].

Телеоператорное управление луноходом – это сложный контур человек–машина с анализом текущего состояния бортовых систем аппарата, изменяющихся ситуаций, передаваемых по радиолинии Земля–борт–Земля, передачи и приёма всех видов информации радиотехническими средствами ПУЛа, оценки принятой ТВ- и ТМ-информаций и принятия правильного решения. Особенности управления движением лунохода привели, по существу, как к формированию нового класса задач в теории управления ТС, так и к появлению не существовавшей ранее на Земле специальности «водитель лунохода».

Но водитель лунохода – важнейший, но не единственный элемент контура. И теория, и практика показали, что для управления луноходом одного человека (водителя) просто недостаточно. Большой объём принимаемой информации, необходимость быстрой её переработки (и особенно в экстремальных, нештатных, ситуациях) потребовали наличия операторов и других специальностей.

Луноход – многофункциональный, комплексный, насыщенный электронными приборами и механизмами аппарат, и контроль состояния всех его служебных бортовых систем не простое дело. Получение такой информации осуществлялось по телеметрическим каналам и фиксировалось на 32 регистрирующих стойках. Каждая из них обслуживалась телеметристом-дешифровщиком, входящим в дежурный расчёт ПУЛа. Кстати, в таком расчёте бóльшую его часть составляли служащие советской армии – члены семей военнослужащих КИП-10.

Среди сотен измеряемых параметров есть десятки таких, без знания которых управление луноходом просто невозможно. Оценка состояния всех систем лунохода в режиме реального времени была поручена оператору-бортинженеру.

Прокладка пройденного пути по всей трассе движения лунохода – задача, впервые поставленная в мировой космической практике, – решалась прежде всего путём изучения принятых фототелепанорам лунной поверхности. По теням определялось положение Солнца над горизонтом и обнаруживались не увиденные ранее на ТВ-экране препятствия в виде камней, кратеров, трещин и т. п. Тщательно анализировалась информация с бортовых курсового гироскопа, гировертикали и датчиков пройденного пути. В процессе сеанса движения, по докладам водителя и бортинженера, принималось решение о выборе дальнейшего курса движения лунохода. Этот трудный и непрерывный процесс счисления пути, прокладки трассы движения в заданном направлении был поручен ещё одному оператору – штурману.

Моделирование процесса перемещения лунохода показало, что нельзя исключить случаи, когда при определённых углах крена и дифферента, поворотах на месте и в движении антенна может «потерять» Землю, и радиоканал борт–Земля на какое-то время может прерваться. Для обеспечения бесперебойной радиосвязи с луноходом был введён оператор по наведению остронаправленной антенны (ОНА). В его обязанности входило выдавать радиокоманды в соответствии с динамикой движения лунохода для корректировки пространственного положения антенны – строго на Землю.

И конечно, как и в каждом коллективе, должен быть командир, принимающий доклады всех четырёх операторов, осуществляющий общее руководство их работой и принимающий в ответственные моменты окончательное решение. Тогда и появилось впервые понятие «экипаж лунохода» (от франц. equipage – коллектив, команда – подразделение, непосредственно обслуживающее танк, БМП, самолёт и др. самодвижущуюся технику) [3]. Но впервые экипаж и ТС разделяло расстояние почти 400 000 км.

Особое значение для надёжной работы всей системы имело рациональное распределение функций между экипажем и средствами автоматики, а также внутри самого экипажа. Каждому члену экипажа с избытком хватало дел, что и подтвердили первые же тренировки на лунодроме. Программа тренировок предусматривала постепенное усвоение операторами расстояния до объектов (вешка, трафарет, камень и т. п.), устанавливаемых на лунодроме и предъявляемых на видеоконтрольное устройство (ВКУ).

На пульте водителя ДУ-001 органы управления выглядели так. Стрелочные приборы обеспечивали оценку положения лунохода по крену и дифференту, направление его движения (курс) и пройденный путь. Центральное место на пульте занимало ВКУ. Телевизионный экран водителя был покрыт прозрачной плёнкой, на которой были нарисованы две прямые, сходящиеся у линии горизонта. Они показывали, где пойдут колёса лунохода. Между ними – горизонтальные линии с метками 2, 4, 6, 8 м. До 8–9 м местность просматривалась хорошо, а дальше детали сливались. Сопоставляя выводимое на ВКУ изображение участка поверхности с показаниями приборов, водитель оценивал расстояние до камней, кратеров, расщелин и других препятствий, их форму, размеры и принимал решение о своих дальнейших действиях.

Направление движения лунохода определялось наклоном рукоятки (штурвала) в одно из шести фиксированных положений. Изменение положения рукоятки было подготовкой к выполнению команды на исполнение, а сама радиокоманда уходила на борт лунохода лишь при нажатии кнопки, находящейся в торце рукоятки. Так, при установке рукоятки «от себя» в первое фиксированное положение («Вперёд-1») – луноход двигался вперёд на первой скорости (0,33 м/с), во второе («2-я скорость») – на второй скорости (0,66 м/c). При установке «на себя» в первое фиксированное положение («Назад») – движение назад на первой скорости. Поворот лунохода как на месте, так и во время движения достигался смещением рукоятки «Налево» или «Направо» из фиксированного положения, в котором она находилась. Для прекращения движения лунохода рукоятку нужно было вернуть из любого положения в нейтральное (исходное) – «Стоп».

На горизонтальной панели находились и две кнопки, которые служили только для фиксированного поворота лунохода на месте, – «Поворот 5» и «Поворот 20». Направление поворота зависело от положения рукоятки («Налево» или «Направо»). Также на этой панели располагались кнопки для выдачи команд в режиме движения лунохода в случае неисправности рукоятки. Кроме того, кнопка «9 колесо» предназначалась для выдачи команд «Поднять» и «Опустить» (это колесо) перед движением назад, поворотом на месте или перед началом движения вперёд, а кнопка «Проба грунта» – для определения физико-механических свойств реголита.

На первом этапе водители управляли луноходом по тестовым трассам: они видели на экране ВКУ разметки предлагаемого маршрута и старались свести до минимума отклонения от него. Тестовые трассы позволяли получать навыки управления. Вместе с тем многократное движение по одному и тому же маршруту давало возможность проследить, как в процессе тренировок формируются навыки у каждого водителя по точности вождения. На втором этапе водитель должен был по заранее заданному курсу самостоятельно выбирать маршрут движения.

На борту лунохода была установлена система, которая обеспечивала безопасность движения и позволяла предотвратить его опрокидывание, если водитель неправильно оценил величину уклона: как только крен и дифферент достигали предельных величин, бортовая автоматика выдавала команду «Стоп». Команда «Стоп» выдавалась также и при превышении допустимого предела нагрузки ведущих колёс. При попадании колеса в расщелину было предусмотрено его отключение (отстрел), что делало его из ведущего ведомым и позволяло остальным колёсам, которые оставались ведущими, продолжать движение.

По особой программе проходили подготовку операторы ОНА. Ведь от точности их действий зависело качество изображения «лунной» поверхности на телеэкране. Оптимальное положение антенны обеспечивалось выдачей на борт лунохода команд с пульта ДУ-002 оператора ОНА: «Поворот 7,5», «Поворот 15», «Поворот 180», «Направо», «Налево», «Вверх», «Вниз» и «Стоп». На этом пульте также было ВКУ, индикаторы уровня поля и система отображения углов поворота антенны.

Большой тренировочный курс прошли командиры, штурманы и бортинженеры. Пульт командира ДУ-003 обеспечивал восприятие и переработку информации, поступающей с борта лунохода. Командир (как и водитель) имел перед собой приборы, по которым он оценивал положение лунохода по крену и дифференту, направление его движения (курс) и пройденный путь, а по ВКУ опознавал препятствия и определял расстояния до них. На этом основании он принимал решение о дальнейших действиях водителя. Кнопкой «Стоп» командир мог в любой момент прекратить движение лунохода.

На пульты водителя, оператора ОНА и командира выводилась чёрно-белая фотография («картинка»), которая «стояла» на экране ВКУ в зависимости от выбранного режима, 3,2; 5,7; 10,9 или 21,1 с. Если луноход двигался, то за время такой задержки он мог пройти на первой скорости (0,33 м/с) расстояние от 2,3 до 8,3 м. Вот почему водитель обязан был доложить командиру (этот доклад слышали и все члены экипажа) информацию о появившихся препятствиях на трассе и предложить решение о выборе дальнейшего маршрута. Приблизительно через 2 с борт лунохода принимал радиокоманду, о чём (ещё приблизительно через 2 с) поступала «квитанция» на пульты водителя, оператора ОНА и командира о принятии бортом и исполнении выданной радиокоманды. Приобретённые навыки управления позволили водителям оперативно оценивать обстановку в секторе на расстоянии 3–9 м и принимать решение при задержке более 7 с.

Это был странный способ управления, т. к. каждый раз на ВКУ появлялось изображение, которое не было похоже на предыдущее. Надо было хорошо вжиться в эту работу, чтобы ощущать движение лунохода как бы изнутри. Работа по практическому вождению требовала исключительной слаженности всего экипажа. В первые дни тренировки проводились в старт-стопном режиме. Это значит, что решение о продолжительности движения фиксировалось определённым интервалом времени от начала движения до остановки лунохода. Это позволяло привыкнуть к необычной работе.

Структурная схема телеоператорного управления луноходом

Вся информация от членов экипажа транслировалась по громкоговорящей связи ПУЛа. Поначалу на тренировках доклады были расплывчаты и многословны, каждый старался выдать свои данные, не прислушиваясь к докладам других. Потом стало приходить чувство коллектива, доклады стали согласованными и лаконичными. Рабочий день заканчивался детальным разбором всех заездов и программы дня в целом. Многократно проверялась правильность распределения функций между членами экипажа. Они специально тренировались на сработанность, слаженность, понимание друг друга. Создавалась экономная, лаконичная терминология для оценки обстановки и формулировки решений. Отрабатывались даже периодичность, ритм докладов, форма взаимного привлечения внимания к наиболее важным параметрам или неожиданным ситуациям. Особо обращалось внимание на умение оценивать пространственные характеристики, определять расстояния по плоским изображениям на телевизионном экране.

Командиры и водители учились быстро оценивать обстановку, принимать решения на основании телеизображений, показаний приборов на пультах, данных телеметрии и коротких, односложных докладов штурмана и бортинженера. Эти навыки также необходимо было выработать заранее. Отрабатывались периодичность, ритм докладов командира (позывной «103»), водителя («101»), оператора ОНА («102»), бортинженера («105») и штурмана («104»).

Таким образом, телеуправление луноходом можно представить в виде комплекса, состоящего из пункта управления луноходом, командной радиолинии, бортовой автоматики лунохода и экипажа лунохода.

Ещё во время тренировок было замечено, что в трудных ситуациях водитель лунохода испытывает значительное эмоциональное напряжение. Пульс учащался на 30–40 ударов в минуту по сравнению с нормой. Но в дальнейшем, по мере формирования навыков управления, эмоциональное напряжение снижалось. Со временем водители и командиры научились весьма точно определять расстояния до препятствий на «лунной» поверхности, диаметр и глубину кратеров, ширину трещин, размеры камней. Привыкли и к временным задержкам приходящей с борта информации. Определилась в основном методика управления луноходом. Операторы старались быстрее освоить технику лунного вождения, не унывать даже в самые трудные минуты. А такие были, особенно в начальный период тренировок. Появился гимн экипажа, написанный одним из конструкторов шасси лунохода Феликсом Шпаком, в котором были и такие слова (приводим по сохранившемуся оригиналу от 18 октября 1969 г.):

С каждым месяцем ближе и ближе ...,
Тренируемся снова и снова.
И наступит пора, когда спросит страна:
«Вы готовы?» Ответим: «Готовы!»
А закончив сеанс, мы доложим стране,
Что и впредь будем жить по закону:
Чтобы несколько метров пройти по ...
Километры пройдём полигоном.

В этих незамысловатых строках так много сказано. В них – и понимание важности задачи государственного значения, и строгое соблюдение государственной тайны (пропуски означают «Луна») [1].

Интенсивные тренировки на лунодроме проводились в преддверии первого старта очередной «Луны» с унифицированной посадочной ступенью и луноходом. В конце сентября на КИП-10 прибыла большая группа учёных и конструкторов во главе с М.В. Келдышем и министром МОМ С.А. Афанасьевым. Они ознакомились с ПУЛом и лунодромом, с техническим обеспечением, организацией и выполнением работ, с членами экипажа будущего лунохода. С большим интересом гости посмотрели реальное дистанционное управление движением лунохода по лунодрому. С.А. Афанасьев и сам пожелал попробовать «порулить». Такая возможность ему была предоставлена. Сев за пульт водителя и получив инструктаж, он «проехал» по прямой около 1,5 м в старт-стопном режиме. «Тяжело, но интересно», – сказал он и пожелал всем успехов в космосе.

По результатам проведённых тренировок были сформированы два состава экипажей:

• командир И. Фёдоров, водители В. Довгань, Н. Иванов и А. Калиниченко, оператор ОНА Н. Козлитин, штурман В. Самаль, бортинженер А. Кожевников;
• командир Ю. Васильев, водители Н. Ерёменко, Г. Латыпов и В. Сапранов, оператор ОНА В. Чубукин (он же резервный водитель лунохода), штурман К. Давидовский, бортинженер Л. Мосензов.

Постановлением ЦК КПСС и СМ СССР от 8 января 1969 г. № 19-10 были установлены сроки запусков ЛКА в 1969 г.: объекты проекта Е-8 (луноход) назначены на февраль, октябрь и ноябрь; объекты проекта Е-8-5 (забор лунного грунта) – на апрель, май, июнь, август и сентябрь. Первый старт РН «Протон-К» с луноходом был назначен на 19 февраля 1969 г.

Силы и средства КИКа, принимавшие участие в работе, доложили о своей готовности. Старт прошёл в назначенное время. «10 секунд – полёт нормальный... 20 секунд – полёт нормальный... 30 секунд – полёт нормальный...» И сообщения в ЦДКС из Байконура прервались. Оказалось, что на 51,4 с полёта разрушился головной обтекатель, произошло аварийное выключение двигателей первой ступени, и РН взорвалась.

Можно понять, с какими чувствами возвращались со своих рабочих мест участники этого несостоявшегося уникального эксперимента. Особенно тягостно было членам экипажа и группе управления. Тем более что в январе наконец-то юридически было оформлено создание «лаборатории для дистанционного управления автоматическими самоходными аппаратами типа луноход». Именно такая формулировка была в Постановлении ЦК КПСС и СМ СССР от 4 февраля 1967 г. № 115-46. Согласно Директиве Главного штаба Ракетных войск стратегического назначения от 28.01.69 г. № 925035 в штат отдела 25 НКВЧ Центра КИКа была введена лаборатория 3 (лунные самоходные аппараты).

 

Литература

1. Довгань В.Г., Долинин А.И., Ивановский О.Г. Луноход и люди. 50-летию отечественной лунной программы посвящается //Неделя Подмосковья. 2008. № 21–29.
2. Петров Ю.А. Психологические проблемы дистанционного управления. Передвижная лаборатория на Луне «Луноход-1». – М.: Наука, 1978. Т. 2. 184 с.
3. Военный энциклопедический словарь / Предс. гл. ред. комиссии С.Ф. Ахромеев. М.: Воениздат, 1986. 863 с.

---

^* Это были капитаны Давидовский К.К., Довгань В.Г., Иванов Н.Н., Кожевников А.Е., Козлитин Н.Я., Мосензов Л.Я., Фёдоров И.Л. и Химочко Л.И. (КИП-10, Симферопольский ЦДКС), Ерёменко Н.М. и Самаль В.Г. (КИП-16, Евпаторийский ЦДКС) , майор Саус В.А., лейтенанты Латыпов Г.Г., Нестерук В.А. и Сапранов В.М. (КИП-14 , Щелковский ЦДКС), капитаны Васильев Ю.Ф., Калиниченко А.И. и старший лейтенант Романенко В.А. (КИП-9, пос. Красное Село), майор Чубукин В.И. (штаб Центра КИКа).