Развитие космических тренажеров подготовки космонавтов.⁠⁠

Авторы статьи: Канд. техн. наук Ю.А. Виноградов; канд. техн. наук И.Н. Основенко; А.А. Пискунов (ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина»)

В статье рассматривается развитие модельного ряда компьютерных специализированных тренажеров транспортных пилотируемых кораблей в ЦПК на примере создания нового компьютерного мобильного тренажера подготовки экипажей МКС по динамическим режимам полета кораблей «Союз-ТМА» серии 700. Показаны основные особенности нового тренажера и перспективы его применения в подготовке космонавтов.

Сделан вывод о том, что создание нового компактного мобильного тренажера с широкими функциональными возможностями позволит повысить качество подготовки экипажей МКС как в ЦПК, так и на космодроме Байконур и является новым шагом в направлении непрерывного развития модельного ряда специализированных тренажеров транспортных пилотируемых кораблей в ЦПК.

Развитие системы управления движением и навигацией (СУДН) и системы отображения информации пультов транспортных пилотируемых кораблей (ТПК) привело к формированию мощного бортового вычислительного комплекса, построенного на базе современных вычислительных средств, таких как ЦВМ 101, КС020-М, вычислительная система пульта «Нептун-МЭ». Новый ТПК «Союз- ТМА» серии 700 по праву может быть назван «цифровым». Эта существенная особенность корабля ТПК «Союз-ТМА» серии 700 вносит новые черты в облик современных тренажерных средств подготовки космонавтов по ТПК. Одной из основных задач при создании тренажерных средств ТПК становится адекватное моделирование бортового вычислительного комплекса (БВК). В свою очередь, использование адекватной модели БВК в совокупности с набором разработанных компьютерных форматов приборов и пультов кабин спускаемого аппарата (СА) и бытового отсека (БО) делают актуальным создание новых специализированных компьютерных тренажеров, приближающихся к комплексным тренажерам ТПК по объему решаемых задач подготовки космонавтов. В данных тренажерах при использовании новейших достижений современной вычислительной техники моделирование БВК, движения ТПК и МКС, компьютерных форматов приборов и пультов кабин СА и БО выполняется на базе компьютеров типа ноутбук, объединенных в локальную сеть при минимальном использовании штатного оборудования или его макетов в тренажерном исполнении [1]. В статье рассматривается развитие модельного ряда компьютерных специализированных тренажеров ТПК в Центре подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина на примере создания нового компьютерного мобильного тренажера подготовки экипажей МКС по динамическим режимам полета ТПК «Союз-ТМА» серии 700.

Компьютерный мобильный тренажер подготовки экипажей МКС по динамическим режимам полета ТПК «Союз-ТМА» серии 700 (далее – тренажер) для предстартовой подготовки космонавтов на космодроме Байконур и в ЦПК предназначен для поддержания у космонавтов профессионально важных качеств, необходимых практических навыков и умений, позволяющих эффективно действовать на всех этапах программы полета ТПК «Союз-ТМА» серии 700 в штатных, нештатных и аварийных ситуациях, эксплуатировать и контролировать состояние бортовых систем, обеспечивать безопасность полета.

В состав тренажера входят:

− рабочее место экипажа ТПК;

− рабочее место инструктора;

− вычислительная система тренажера;

− система компьютерной генерации изображения (СКГИ) тренажера;

− штатные органы управления.

Вычислительная система тренажера состоит из:

− трех ноутбуков типа HP dv7-6152er;

− сетевого коммутатора TEG-959G.

Штатные органы управления ТПК «Союз-ТМА» серии 700 представлены:

− ручкой управления ориентацией (РУО) ТПК вокруг центра масс;

− ручкой управления движением (РУД) центра масс ТПК;

− ручкой управления спуском (РУС) ТПК на атмосферном участке спуска с орбиты.

Рабочее место экипажа ТПК содержит в своем составе:

− компьютерный пульт космонавтов «Нептун-МЭ»;

− рабочее место космонавта по ручному сближению, причаливанию, стыковке и перестыковке ТПК «Союз-ТМА»;

− рабочее место космонавта для работы с форматами приборов кабин СА и БО.

Компьютерный пульт «Нептун-МЭ» содержит в своем составе два рабочих места:

− интегрированный пульт управления бортинженера (ИнПУ-1);

− интегрированный пульт управления командира корабля (ИнПУ-2).

Оба рабочих месте представлены на рисунке ниже:

Рабочее место космонавта по ручному сближению, причаливанию, стыковке и перестыковке ТПК «Союз-ТМА» содержит в своем составе формат прибора визира космонавта специального ВСК-4

и оборудовано штатными органами управления ТПК «Союз-ТМА» серии 700 – РУО, РУД и РУС.

Рабочее место космонавта для работы с форматами приборов кабин СА(спускаемого аппарата) и БО(бытового отсека), интегрированное в рабочие места бортинженера и командира корабля, содержит анимированные форматы приборов кабин СА и БО ТПК. Пример формата открытия\закрытия крышки люка са-бо представлен ниже

А также пример форматов приборов

Тренажер имеет рабочее место инструктора, которое с целью уменьшения оборудования совмещено с рабочими местами бортинженера и командира корабля и вызывается с этих рабочих мест при необходимости. Примеры форматов рабочего места инструктора представлены ниже

формат предстартовой подготовки и запуска

формат спуска

Новый тренажер обладает мощной полнофункциональной трехканальной системой компьютерной генерации изображения (СКГИ) (рис. 12), обеспечивающей формирование трехмерного изображения актуальной конфигурации связки МКС (модули МКС, находящиеся на стыковочных узлах МКС транспортные корабли: пилотируемые, грузовые, в том числе, европейский корабль ATV), Земли, Солнца, звездного неба для формирования форматов:

− прибора ВСК-4;

− телевизионного окна (ТВ-врезки) для форматов ИнПУ-1 и ИнПУ-2 компьютерного пульта «Нептун МЭ».

Каналы СКГИ функционируют на каждом из трех рабочих мест (ноутбуков) тренажера без привлечения для решения задач генерации изображения сложного дополнительного оборудования, используемого в комплексных и специализированных тренажерах ТПК [2].

Отличительными особенностями нового тренажера являются:

− широкий диапазон моделируемых режимов полета ТПК при относительно небольшом объеме штатного оборудования;

− уменьшение стоимости изделия за счет широкого применения моделирования бортовых спецвычислителей и систем;

− обеспечение широкого спектра вариантов применения тренажера в подготовке космонавтов;

− расширение традиционной сферы применения тренажерной техники в ЦПК;

− повышение эффективности подготовки за счет возможности ускоренного моделирования любого из этапов программы полета ТПК;

− высокая мобильность и скорость развертывания тренажера.

Тренажер способен обеспечить широкий диапазон моделируемых режимов полета ТПК при относительно небольшом объеме штатного оборудования на всех этапах программы полета ТПК:

1.На этапе предстартовой подготовки и выведении ТПК на орбиту:

− предстартовая подготовка и выведение ТПК на орбиту.

2. На этапе автономного полета ТПК:

− тест системы управления движением и навигации (СУДН) № 1;

− двухимпульсный маневр коррекции орбиты;

− двухимпульсный маневр с переходом в солнечную ориентацию и закрутку;

− автоматическое сближение ТПК с дальности до МКС, равной 800 км;

− автоматическое сближение ТПК с дальности до МКС, равной 5000 м и 800 м;

− ручное сближение ТПК при ручной ориентации в дискретном контуре (РО ДК) и ручной ориентации в аналоговом контуре (РО АК).

3. На этапе совместного полета ТПК в связке с МКС:

− проверка герметичности стыка между ТПК и космической станцией;

− консервация транспортного корабля;

− расконсервация ТПК;

− проверка герметичности переходных люков;

− подготовка к расстыковке;

− проверка герметичности люка между бытовым отсеком и спускаемым аппаратом;

− тест СУДН № 2;

− штатная перестыковка ТПК в режиме РО ДК и резервная в режиме РО АК;

− штатная расстыковка в автоматическом режиме с одним и двумя импульсами увода;

− резервная расстыковка в ручном режиме.

4. На этапе спуска ТПК с орбиты:

− штатный автоматический управляемый спуск № 1 «ГЦ+СКД+БО»;

− срочный спуск «ГЦ+БС (Пр5)»;

− срочный спуск «РО АК+БС»;

− резервный спуск № 2 «ГЦ+ДПО-БТ»;

− резервный спуск № 3 «ГЦ+РО ДК+СКД+БО»;

− резервный спуск № 4 «Пр9+АК»;

− режим ручного управляемого спуска (РУС) с момента разделения;

− баллистический спуск (БС) и баллистический спуск резервный (БСР) с возможностью перехода на них по нештатным ситуациям (НшС) или с ручки РУС.

Значительное уменьшение стоимости изделия достигается за счет широкого применения моделирования бортовых спецвычислителей и систем. Вместо штатных вычислительных средств ТПК и оборудования бортовых систем ТПК в тренажере используются их программные модели, в том числе:

− программная модель цифровой вычислительной машины ЦВМ 101;

− программная модель спецвычислителя КС020, предназначенного для управления движением ТПК на этапе спуска;

− программная модель вычислительной системы пульта «Нептун-МЭ»;

− программные модели оборудования других бортовых систем ТПК.

Моделирование бортовых вычислителей и систем производится в объеме, достаточном для решения задач подготовки космонавтов по управлению ТПК «Союз-ТМА» серии 700, его системами и устройствами при выполнении всех этапов программы полета ТПК, определенных в техническом задании на тренажер.

Предполагается широкий спектр возможных вариантов применения тренажера в подготовке космонавтов и астронавтов как в ЦПК, так и за его пределами:

− подготовка основных и дублирующих экипажей МКС к тренировкам, промежуточным зачетным тренировкам, комплексным тренировкам на комплексных и специализированных тренажерах ТПК;

− предстартовая подготовка экипажей МКС на космодроме Байконур;

− формирование и поддержание профессиональных навыков космонавтов из состава основных и дублирующих экипажей МКС в ходе проведения практических занятий на тренажере и самостоятельной подготовки по программе полета ТПК;

− обеспечение проведения лекционных занятий, проведение практических занятий и самоподготовки космонавтов в составе групп специализации и совершенствования навыков по учебным курсам СУДН ТПК;

− обеспечение проведения лекционных занятий, проведение практических занятий и самоподготовки с кандидатами в космонавты по учебным курсам по ТПК на этапе общекосмической подготовки кандидатов в космонавты.

Новый тренажер способен расширить традиционные сферы применения тренажерной техники в ЦПК:

1.Тренажер позволяет использовать демонстрационно-обучающие возможности, сравнимые с комплексными тренажерными средствами ТПК, которые могут быть задействованы при проведении лекционных и практических занятий с группами обучаемых более двух человек в непосредственном тесном контакте с преподавателем. Это позволяет преодолеть ограничения при работе с группой обучаемых в кабине СА комплексных и специализированных тренажеров ТПК, возникающие из-за практической невозможности проведения в макете кабины СА эффективных практических занятий более чем с двумя обучаемыми.

2. Тренажер дает новую возможность самостоятельного проведения космонавтами практических занятий типа «самоподготовка» по учебным курсам СУДН ТПК.

Тренажер обеспечивает повышение эффективности подготовки космонавтов за счет возможности ускоренного моделирования любого этапа полета ТПК.

На комплексных тренажерах ТПК методически сложно построить подготовку, обеспечивающую формирование устойчивых навыков действий космонавтов при всех нештатных ситуациях (НшС), изучаемых в курсах СУДН ТПК в пределах учебного времени, отводимого на данные курсы подготовки.

Штатные бортовые вычислители, устройства сопряжения ЦВМ 101 с датчиковой аппаратурой и другими системами, применяемые в комплексных тренажерах ТПК, работают с определенным рабочим тактом, нарушение которого может привести к нестабильной работе бортового вычислительного комплекса. Это является причиной того, что моделирование ряда этапов полета ТПК на комплексных тренажерах ТПК возможно только в реальном масштабе времени.

Для привития устойчивых навыков действия экипажа ТПК при быстро развивающихся НшС (например, НшС, возникающие при спуске ТПК с орбиты) необходимо многократное практическое рассмотрение и практическое изучение данных НшС на тренажере. Новый компьютерный тренажер не имеет в своем составе штатной ЦВМ и спецвычислителей ТПК, что позволяет моделировать все этапы полета ТПК в ускоренном масштабе времени. Повышение эффективности проведения учебных занятий возможно за счет ускоренного моделирования этапов полета ТПК в масштабе времени (1:2, 1:4, 1:10) и применения «коротких» начальных состояний для моделирования этапов полета ТПК (например, для изучения НшС спуска применяются начальные состояния: после разделения отсеков ТПК, перед входом ТПК в атмосферу). Это позволит значительно увеличить количество практических отработок выходов из НшС на тренажере при неизменном объеме общего планируемого учебного времени, отводимого на курсы СУДН ТПК, что будет способствовать получению устойчивых навыков действий экипажа ТПК при быстро развивающихся НшС СУДН ТПК.

Новый тренажер обладает возможностью быстрой передислокации и развертывания за пределами ЦПК силами одного обслуживающего специалиста. Эта особенность тренажера позволяет в первую очередь обеспечить проведение предстартовой подготовки экипажей МКС на космодроме Байконур. При необходимости новый тренажер способен обеспечивать поддержание профессиональных навыков космонавтов ЦПК при их длительном нахождении за пределами ЦПК, например, проведение специалистами ЦПК занятий по поддержанию профессиональных навыков космонавтов при их длительном командировании по плану подготовки в NASA или ESA.

Создание нового компактного компьютерного мобильного тренажера подготовки экипажей МКС по динамическим режимам полета ТПК «Союз-ТМА» серии 700 с широкими функциональными возможностями стало возможным благодаря использованию при его разработке последних достижений в области аппаратного и программного обеспечения тренажерных средств. Ввод в строй данного тренажера позволит повысить качество подготовки экипажей МКС как в ЦПК, так и на космодроме Байконур, и является новым шагом в направлении непрерывного развития модельного ряда специализированных тренажеров транспортных пилотируемых кораблей в ЦПК.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Шукшунов В.Е., Циблиев В.В., Потоцкий С.И., Безруков Г.В. и др. Тренажерные комплексы и тренажеры. Технологии разработки и опыт эксплуатации. – М.: Машиностроение, 2005.

[2] Масалкин А.И., Пекарский А.В. Моделирование визуальной обстановки в космических тренажерах / Аэрокосмический курьер. – 2002. – № 6.