«Космічні» ЕОМ

Наталія Дубова

Створення систем управління ракетою-носієм «Енергія» і космічним човником «Буран»

В відміну від американського човника, який з самого початку розроблявся як пілотований корабель, радянський «Буран» повинен був уміти літати в безпілотний режимі. Це ускладнювало завдання розробників системи управління

15 Травень 1987 був здійснений перший випробувальний пуск надважкої ракети-носія «Енергія» із супутником «Полюс», який, щоправда, на орбіту вийти не зміг. Але рівно через півтора року відбувся другий, успішний запуск, на цей раз увійшов в історію, - «Енергія» вивела на орбіту космічний корабель багаторазового використання «Буран». «Буран» здійснив два витки навколо Землі і завершив тригодинної політ посадкою на спеціальну смугу в районі космодрому «Байконур». На борту корабля не було людей - понад півсотні систем управління «Бураном» у свою чергу керувалися автоматично за програмами, закладеним в бортову ЕОМ.

Створення у 80-х систем управління ракетою-носієм «Енергія» і космічним човником «Буран» можна, мабуть, вважати творчою вершиною радянської школи бортових ЕОМ.

Система управління для ракетного комплексу «Енергія» створювалася в харківському НУО «Хартрон», де розроблялися багато керуючі ЕОМ для бойових ракет стратегічного призначення і космічних апаратів. Перехід від аналогових пристроїв до управління ракетами за допомогою цифрової обчислювальної техніки відбувся в середині 60-х. На той час завдання управління міжконтинентальними балістичними ракетами зажадали різкого збільшення обсягів інформації, які оброблялися на борту ракети в реальному часі. Це виявилося під силу лише потужним бортовим ЕОМ. Перша ракета з системою управління, що включає бортову обчислювальну машину, була запущена в 1971 році. А в середині 80-х на «Хартроні» велася робота над двома рівними за складністю проектами - системами управління для «Енергії» і для суперпотужної ракетного комплексу СС-18, відомого на Заході під грізною назвою «Сатана».

В цей же час в Москві і на Україні створювалися бортовий обчислювальний комплекс «Салют-5» для станції «Мир», апаратура стикування «Курс», яка з успіхом працювала і продовжує працювати в комплексі «Мир-Союз-Прогрес», та інші керуючі системи для космічних апаратів. На запущеному у 1957 році першим супутнику стояла найпростіша бортова апаратура, що дозволяла на Землі діагностувати внутрішній стан супутника. А на бортові системи управління космічних апаратів 80-х покладалися завдання орієнтації і стабілізації в просторі, навігація, планування робіт, контроль, діагностика і багато інше. Розроблена для останньої радянської космічної станції «Мир» система «Салют-5» до цих пір залишається найбільш потужною та надійною з серійних бортових ЕОМ.

І все ж самою вражаючою за рівнем складності і по досягнутим результатом була робота над космічним кораблем багаторазового використання «Буран». На відміну від американського човника, який з самого початку розроблявся як пілотований корабель, радянський «Буран» повинен був уміти літати в безпілотний режимі. Це ускладнювало завдання розробників системи управління. Треба було заздалегідь передбачити всі режими діагностики, всі випадки ліквідації несправностей і виходу зі складних положень.

В ході розробки бортової машини для «Бурана» було знайдено декілька оригінальних рішень. Так, до системи управління пред'являлося обов'язкове вимога: за будь-яких двох відмовах на критичних ділянках вона повинна була продовжувати працювати і забезпечити повернення корабля з орбіти. Система управління «Бурана» базувалася на чотирьох ЕОМ, що працюють одночасно по однаковим програмами. У разі збою однієї машини відбувалося її автоматичне відключення, а три залишилися продовжували працювати. Якщо відбувався ще один відмову, керування польотом покладалося на що залишилося кілька машин. Але розробники передбачили ще одну «міру» для підвищення надійності системи: у разі відмови однією з двох, що залишилися машин навмання відключалася одна ЕОМ в парі, і з імовірністю 50% система продовжувала працювати.

Апаратна надмірність обчислювальної системи - чотири машини замість однієї - вирішувала проблему надійності, але одночасно ставила завдання ефективної синхронізації. На відміну від американців наші розробники не пішли шляхом програмної синхронізації, а знайшли рішення на апаратному рівні. Обчислювальні машини в системі управління «Бураном» не мали автономних генераторів тактової частоти. Замість цього був зроблений окремий генератор, який видає тактові імпульси на все чотири ЕОМ. Щоб узгодити це з вимогою працездатності системи при будь-яких двох відмовах, генератор був побудований з п'ятьма каналами резервування. Тобто по суті працювало п'ять винесених генераторів, об'єднаних в єдину конструкцію і зі своєю системою синхронізації, яка забезпечувала функціонування при будь-яких двох відмовах.

Апаратне вирішення проблеми синхронізації керуючих ЕОМ дозволило спростити складні завдання розробки їх програмного забезпечення. Одним з найбільш важливих питань, які треба було вирішити, було питання мови - якою мовою програмування вести розробку, які інструментальні засоби використовувати. Хоча до цього часу існував інструментарій для розробки бортового ПО ракетних комплексів, при створенні «Бурана» різко зріс масштаб і складність робіт. Треба було в стислі терміни написати програми, обсяг яких значно перевищував обсяг традиційних керуючих програм. Виходить, необхідно було підвищувати продуктивність праці програміста, тобто про програмування на асемблері не могло бути й мови.

Крім того, масштаб проекту вимагав підключення в нього безлічі різних організацій. «Буран» робила вся країна. Безліч програмістів повинні були взаємодіяти між собою і з фахівцями з бортовим системам. Все це ставило проблему мов програмування особливо гостро. У її вирішенні активну участь взяв Інститут прикладної математики ім. М. В. Келдиша, де роботами керував Михайло Романович Шура-Бура. У результаті було створено дві мови програмування - Протока-2 для розробки бортових систем і «Диполь» для розробки наземного перевірочного ПЗ, а також спеціальна мова опису об'єктів «Флокс», який забезпечував об'єднання їх між собою. Був також розроблена мова моделювання «Лакс» та інші мовні засоби. Все це разом склало комплекс, який включав в себе мови для написання вихідних кодів програм і інструментарій, дозволяв перейти від вихідних текстів до відпрацьованим, перевіреним, належним чином змодельованих об'єктним кодами, що зберігаються в бортової і наземної апаратурі. Цей комплекс забезпечив ефективну співпрацю всіх розробників програмної частини системи управління «Бураном».

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.osp.ru