Первые бортовые ЭВМ ракетно-космических комплексов и их создатели

Первые бортовые ЭВМ ракетно-космических комплексов и их создатели

Первые бортовые ЭВМ ракетно-космических комплексов и их создатели

Предисловие

Работы по созданию автоматизированных систем для ракет и ракетных комплексов в Институте кибернетики НАН Украины начались еще в середине 60-х годов. В институт обратились сотрудники лаборатории измерений, цеха испытаний ракетных двигателей Днепропетровского южного машиностроительного завода (ЮМЗ) Министерства общего машиностроения СССР с просьбой помочь автоматизировать процесс съема и обработки данных при испытании ракетных двигателей. Испытания производились на специальном стенде. Ракетный двигатель прочно закреплялся на мощном фундаменте. После пуска многочисленные датчики, установленные на двигателе, подавали сигналы на многие десятки стрелочных измерительных приборов, занимающих целую стену в лаборатории. Чтобы зафиксировать показания производилось фотографирование этой стены через определенные интервалы времени. Потом сотрудники лаборатории по фотоснимкам определяли показания приборов и определяли величины сигналов, поступающих с датчиков во время испытаний. Последующая обработка результатов измерений - еще несколько недель работы.

Отдел Б.Н.Малиновского Института кибернетики, которому была поручена эта работа, годом ранее разработал и сдал в эксплуатацию автоматизированную систему испытаний головки ракеты на термоустойчивость в одной из организаций космического центра в подмосковных Подлипках. Для этого была использована разработанная в отделе и выпускаемая в Киеве на Заводе вычислительных и управляющих машин ЭВМ "Днепр", имеющая устройство связи с объектом. Оно позволяло автоматически опрашивать и вводить в машину показания датчиков, а ЭВМ осуществляла обработку результатов измерений, показывающих термоустойчивость испытуемой головки ракеты.

Перед началом работы пришлось познакомиться с испытательным стендом. Это был невысокий и не очень большой по диаметру железобетонный бункер, в который помещалась головка ракеты. Мощные вентиляторы создавали в нем плотный поток воздуха, имитирующий вхождение головки в земную атмосферу. Бункер имел смотровое окно, через которое можно было наблюдать раскаленную до красноты головку ракеты. Зрелище, а особенно рев воздушного потока, оставляли сильное впечатление.

Задача автоматизации измерений для этого случая оказалась достаточно простой, поскольку датчики были однотипны, их было не много, а алгоритм обработки подготовили сами испытатели.

В новой задаче (на ЮМЗ) всё было значительно сложнее. Очень много датчиков с различными сигналами на выходе - пневматическими, электрическими, частотными и другими. Алгоритм обработки из двух частей: экспресс анализ и окончательная обработка. Да и сам испытательный стенд был значительно более впечатляющим. Он размещался в огромном железобетонном здании без окон, напоминающем по форме гигантский опрокинутый стакан. Когда на стенде, помещенном внутри запускался двигатель, его мощный гул был хорошо слышен несмотря на толщину стен.

Два года отдел Б.Н.Малиновского (В.М.Египко, В.Б.Реутов, Н.С.Сташкова и др.) и сотрудники измерительной лаборатории завода разрабатывали и отлаживали систему автоматизации измерений и обработки данных испытуемых ракетных двигателей и она в конце концов заработала. Для завода это имело большое значение - существенно ускорялся и упрощался процесс проверки двигателей.

В начале 70-х годов началась новая работа. Отдел вместе с СКБ Института кибернетики развернул исследования по созданию системы, имитирующей космос с целью создания стенда для проверки космического корабля "Буран" и других космических объектов. На этот раз система оказалась еще более сложной - помимо измерений надо было осуществлять управление искусственным "солнцем", положением испытуемого объекта на стенде и другими устройствами, имитирующими условия, существующие в космосе. Как всегда работа началась с ознакомления с "объектом автоматизации". Стенд размещался в железобетонном корпусе высотой примерно в 10 этажей на территории предприятия, расположенном в подмосковном лесу. Внутри корпуса перекрытий не было, имелись лишь подобия балконов, на которые ставилось оборудование, необходимое для имитации космоса и проведения испытаний. Создание системы, состоящей на этот раз из многих ЭВМ, потребовало нескольких лет напряженного труда СКБ Института кибернетики НАН Украины, которому была передана эта работа (она заканчивалась под руководством к.т.н. А.А.Тимашова).

Первое что поражало при знакомстве с предприятиями, выпускающими ракетную технику - это их производственная мощь. Точно такое же впечатление сложилось и при первом посещении ЮМЗ. Об истории создания и развития ЮМЗ рассказано в книге "Днепровский ракетно-космический центр" (авторы В.Паппо-Корыстин, В.Платонов, В.Пащенко. Изд. ПО "Южный машиностроительный завод". КБ "Южное" имени М.К.Янгеля, 1994).

Оказывается, завод вначале создавался как автомобильный - для выпуска грузовых машин. Строительство началось вскоре после освобождения Днепропетровска от немецко-фашистских захватчиков. Война еще не закончилась, автомобильный гигант рождался в невероятно трудных условиях. Через пять лет он уже выпустил опытную партию мощных грузовиков марки ДАЗ, показавших прекрасные эксплуатационные качества.

Начавшаяся "холодная война" круто изменила судьбу завода - его перепрофилировали на выпуск ракет. Всего через год (!) изготовленные заводом первые серийные ракеты были отправлены для испытания на полигон Капустин Яр. За этими немногими словами стоит беспрецедентно огромный и напряженный труд коллектива завода и его руководителей. Но именно так работали в первые десятилетия после Великой Отечественной войны и именно тогда создавались стиль и традиции работы огромного коллектива, позволявшие ему стать создателем четырех поколений ракетных комплексов, ставших основой могущества бывшего Советского Союза, обеспечивших стратегический паритет с США.

Ракетный комплекс З-36М2 (15А18М, в зарубежной классификации СС-18 "Сатана"), составляющий главную мощь Ракетных войск стратегического назначения бывшего Советского Союза, по своим характеристикам не имеющий аналогов в практике мирового боевого ракетостроения, поставил последнюю точку в истории "холодной войны", подтолкнул противостоящие стороны к подписанию договора об ограничении стратегических вооружений.

Вместе с ЮМЗ работали над созданием ракетных комплексов многие другие предприятия Украины: Харьковское Научно-производственное объединение "Хартрон", производственное объединение "Киевский радиозавод" и харьковские предприятия "Монолит", "Коммунар", "Электроаппаратура". В "Хартроне" разрабатывались системы управления ракетными комплексами, включая бортовые ЭВМ, на заводах осуществлялся их серийный выпуск. Эти организации, начиная с конца 60-х г., по существу были единым производственным комплексом. Они четко, с максимальной ответственностью взаимодействовали между собой, что также определило высокие темпы работ.

В первых ракетных комплексах использовались средства аналоговой вычислительной техники, затем простейшие цифровые счетно-решающие устройства. Однако создание более совершенных ракетных средств потребовало достаточно мощных бортовых ЭВМ.

Вычислительная техника для ракет и космических систем

Одной из трех организаций в бывшем СССР (и единственной в Украине) создававших системы управления для ракет и космических аппаратов, включая бортовые ЭВМ, было и остаётся Харьковское научно-производственное объединение "Хартрон" (раннее "Электроприбор"), созданное в 1959 году.

Около 40 лет оно является ведущим разработчиком систем управления, бортовых и наземных вычислительных комплексов, сложного электронного оборудования для различных типов ракет и космических аппаратов. За эти годы созданы системы управления межконтинентальных баллистических ракет СС-7, СС-8, СС-9, СС-15, СС-18, СС-19, самой мощной в мире ракеты носителя "Энергия", ракеты носителя "Циклон", орбитальных модулей "Квант", "Квант-2", "Кристалл", "Природа", "Спектр", 152 спутников серии "Космос" и др. объектов.

Первые системы управления строились с аналоговыми приборами систем стабилизации и электро-механическими, а с 1964 г. электронными счётно-решающими приборами.

На этапе создания и последующего выпуска электронных счетно-решающих приборов в Научно-производственном объединении "Хартрон" было организовано современное и мощное производство модулей, многослойных печатных плат, запоминающих устройств на ферритовых сердечниках, решены сложные научно-технические проблемы обеспечения помехозащищенности, высокой надежности, стабильности параметров бортовой вычислительной техники в течение 10-летнего (и более) срока эксплуатации. Выросла целая плеяда талантливых учёных и инженеров (В.П.Леонов, Г.С.Бестань, Д.Н.Мерзляков, Д.М.Смурный и др.). Первым руководителем созданного в 1962 г. комплекса по разработке бортовой аппаратуры был А.Н.Шестопал. С 1966 г. по 1992 г. это подразделение возглавлял А.И.Кривоносов.

Генеральным директором и Главным конструктором систем управления для ракетных комплексов в научно-производственном объединении "Хартрон" с 1960 по 1986 год был Владимир Григорьевич Сергеев.

Своими воспоминаниями о работах выполненных в НПО "Хартрон" делится главный конструктор бортовых вычислительных комплексов "Хартрона" лауреат Ленинской и Государственной премии Украины доктор технических наук Анатолий Иванович Кривоносов.

"К середине 60-х годов стало ясно, что принцип построения систем управления на основе аналоговых и дискретных счётно-решающих устройств не имеет перспективы. Дальнейшее совершенствование управления межконтинентальными баллистическими ракетами требовало резкого увеличения объёмов информации, обрабатываемой на борту ракеты в реальном масштабе времени. Требовалось также принципиально изменить идеологию регламентных проверок систем ракеты, которая базировалась на использовании сложной, дорогой и неудобной в эксплуатации передвижной испытательной аппаратуры, размещаемой в кузовах нескольких автомобилей.

Революционным шагом на этом этапе явилось использование в системах управления ракет бортовых электронных вычислительных машин, обеспечивающих функционирование ракетного комплекса при наземных проверках и в условиях полёта ракеты. При этом резко упрощалась наземная аппаратура, её можно было разместить в "оголовках" ракетных шахт, отказавшись от автопоездов. Возможность решения более сложных алгоритмов позволяла существенно повысить точность стрельбы.

В теоретическом комплексе, возглавляемом доктором технических наук, лауреатом Ленинской премии Я.Е.Айзенбергом, было создано подразделение (Б.М.Конорев) по определению требований к архитектуре и вычислительным характеристикам бортовых ЭВМ и разработке программного обеспечения. Потребовалось создать не только новую методологию разработки всех алгоритмов и программ полёта наземных испытаний, но и создавать новую технологию проектирования технических средств, включая моделирующие стенды, систему автоматизированного производства программ и т.д.

Вначале создание систем управления с бортовыми ЭВМ в "Хартроне" шло по двум направлениям:

- применение бортовой ЭВМ, разработанной головным предприятием по вычислительной технике Министерства радиопромышленности СССР - Научно исследовательским центром вычислительной техники,

- использование бортовой ЭВМ собственной разработки.

На одном из совещаний высшего руководства "Хартрона" в апреле 1967 года Генеральный директор и Главный конструктор Владимир Григорьевич Сергеев предложил обсудить и решить вопрос о концентрации сил на одном из этих направлений. Все руководители ведущих подразделений: Я.Е.Айзенберг, А.И.Кривоносов, Б.М.Конорев, А.С.Гончар и др. высказались за использование бортовой ЭВМ собственной разработки, поскольку в "нужную" машину было практически невозможно вносить необходимые изменения в программное обеспечение, что резко замедлило бы разработку новых систем управления. Единогласно принятое решение начало быстро исполняться. Уже в 1968 году был испытан первый экспериментальный образец бортовой ЭВМ на гибридных модулях. Через 6 месяцев появилась её трёхканальная модификация на монолитных интегральных схемах. В 1971 году, впервые в СССР, был произведен запуск новой ракеты 15А14 с системой управления, включающей бортовую ЭВМ.

Удачно выбранный и успешно реализованный комплекс вычислительных характеристик (разрядность 16, объём ОЗУ 512-1024 слов, объём ПЗУ 16 К слов, быстродействие 100 тыс. опер/сек.), надёжная элементная база обеспечил и этой бортовой ЭВМ уникальный срок жизни - около 25 лет, а её несколько модернизированный вариант находится в эксплуатации на боевом дежурстве и в настоящее время.

В целях обеспечения малых габаритно-массовых характеристик ЭВМ впервые в отрасли были созданы гибридные микросборки схем управления оперативным запоминающим устройством, плоские микромодули согласующих устройств с гальванической развязкой, многослойные печатные платы, изготовленные методом открытых контактных площадок и др.

В 1979 году были приняты на вооружение ракеты 15А18 и 15А35 с унифицированным бортовым вычислительным комплексом. Для систем управления этих "суперизделий", впервые в СССР была разработана новая технология отработки программно-математического обеспечения, включающая так называемый "электронный пуск", при котором на специальном комплексе, включающем ЭВМ БЭСМ-6 и изготовленные блоки системы управления ракетой моделировался полёт ракеты и реакция системы управления на воздействие основных возмущающих факторов. Эта технология обеспечила также эффективный и полный контроль полётных заданий. Коллектив разработчиков "электронного пуска" (Я.Е.Айзенберг, Б.М.Конорев, С.С.Корума, И.В.Вельбицкий и др.) был удостоен Государственной премии УССР.

В последующие годы были созданы ещё 4 поколения бортовых ЭВМ имеющих одни из лучших в бывшем Советском Союзе вычислительные и эксплуатационные характеристики и эффективную технологию разработки программного обеспечения, не уступающую зарубежным аналогам.

Одной из наших "изюминок" была оригинальная система динамической коррекции программ (Б.М.Конорев, В.П.Каменев, А.В.Бек, Ю.М.Златкин, А.И.Бондарев). Именно она обеспечила возможность (при наличии ПЗУ с жёсткой "прошивкой" программ с помощью "косичек", вставляемых в П-образные ферритовые сердечники) оперативного внесения необходимых изменений в программное обеспечение на всех этапах работ от предстартовых испытаний до работы на орбите.

Опыт эксплуатации первых бортовых ЭВМ показал настоятельную необходимость совершенствования структурных методов повышения надёжности. Учёными и инженерами предприятия (А.И.Кривоносов, В.И.Спиридонов, Ю.Г.Нестеренко, И.И.Корниенко, В.В.Шеин, А.В.Сычёв, Н.Ф.Меховской и др.) были разработаны теоретические основы синтеза высоконадёжных вычислительных структур с многоярусным мажоритированием и адаптацией. Они легли в основу последующих поколений бортовых ЭВМ.

В 1984-1988 гг. была создана и отработана система управления для уникальной супермощной ракеты СС18, известной по зарубежной классификации как "Сатана". В этой разработке были успешно внедрены все лучшие технические решения, наработанные на предшествующих заказах, а также целый ряд принципиально новых идей:

- обеспечение работоспособности после воздействия ядерного взрыва в полёте;

- высокоточное индивидуальное разведение боевых блоков;

- "прямой" метод наведения не требующий ранее подготовленного полётного задания;

- обеспечение дистанционного нацеливания и т.д.

Решение этих задач обеспечивалось новым мощным бортовым вычислительным комплексом с использованием полупроводниковых "пережигаемых" постоянных и электронных оперативных запоминающих устройств.

Основная элементная база разрабатывалась и изготавливалась в Минском производственном объединении "Интеграл" и обеспечивала необходимый уровень радиационной стойкости. Кроме стандартных блоков в состав бортового комплекса входил, впервые реализованный в СССР, блок специализированного запоминающего устройства на ферритовых сердечниках с внутренним диаметром 0,4 мм, через который прошивались 3 провода тоньше человеческого волоса. Для одного из видов боевых блоков было разработано и впервые в Советском Союзе прошло лётные испытания запоминающее устройство на цилиндрических магнитных доменах.

Одной из самых сложных задач было создание бортового многомашинного вычислительного комплекса для ракеты-носителя "Энергия", решающего сложнейшие задачи стабилизации, выведения (с учётом нештатных ситуаций управления многочисленными двигательными установками), аварийной защиты двигателей, мягкой посадки спускаемых разгонных ступеней ("боковушек"). Высокие требования по надёжности и безотказности усугублялись использованием в ракете-носителе кислородных и водородных компонентов, что потребовало реализации в системе управления комплекса мер по обеспечению пожаро- и взрывобезопасности.

В 1984-1988 гг. в "Хартроне" одновременно выполнялось два самых объёмных и ответственных заказа - разработка систем управления для СС-18 и ракеты-носителя "Энергия". Это потребовало от руководства и всех специалистов максимального напряжения сил. Работы шли круглосуточно, без выходных, зачастую люди ночевали на рабочих местах. Самой главной наградой за труд были два успешных запуска ракеты-носителя "Энергия" (22.02.1986 г. и 15.11.1988 г.) и успешное проведение натурных испытаний и сдача на вооружение ракеты СС-18.

Большой объём работ был проведен по созданию бортового вычислительного комплекса для систем управления космических аппаратов. Для летавших со станцией "Мир" модулей "Квант", "Квант-2", "Кристалл", "Природа", "Спектр" был создан комплекс с многоярусным мажоритированием, сохраняющий работоспособность при наличии 10-20 неисправностей. Опыт его безотказной эксплуатации на орбите в течении более 10 лет подтвердил правильность принятых технических решений.

В конце 80-х годов для нового поколения систем управления космических аппаратов были созданы два новых бортовых вычислительных комплекса, имеющих, в отличие от предыдущих, существенно более низкое энергопотребление. Успешные запуски объектов использующих эти комплексы показали способность "Хартрона" и в настоящее время обеспечивать космическую технику надёжными бортовыми ЭВМ".

За создание уникального радиационностойкого бортового вычислительного комплекса его главному конструктору Кривоносову А.И. была присуждена Ленинская премия.

Характеристики бортовых компьютеров, созданных в "Хартроне"