Научные эксперименты. За ответами в космос

Лаваль для повышения качества своей турбины использовал специальный расширитель – сопло. Сейчас же, когда речь заходит о реактивных двигателях, сразу появляется именно образ сначала сужающейся, а потом расширяющейся трубы – сопла. Лаваль не обладал современными знаниями, он создал сопло такой формы исходя из эмпирических соображений. Ученые при проектировании ракетных двигателей опробовали разные формы расширителей, нужных для увеличения скорости потока. В камере сгорания атомы горючего теснятся, а потом – при расширении – высвобождаются и ускоряются, а давление снижается. Это происходит с любыми жидкостями. Сопло Лаваля оказалось наиболее эффективным для реактивных двигателей, где скорости выше скорости звука, а также для пескоструйных машин и плазменных резаков. Другие типы сопел стали применяться в распылителях краски и струйных системах водяной очистки.

Параллельно с разработкой двигателя встал и еще один фундаментальный вопрос: управление. Контролировать движение вручную невозможно – человек не такой быстрый. Инженеры обратились к гироскопам – это вращающиеся диски наподобие юлы. Гироскопы всегда сохраняют свое положение в пространстве после того, как их раскрутили, это гарантирует закон сохранения момента импульса. Если бы внутри ракеты находился такой прибор, можно было бы мгновенно понять, в какую сторону повернула ракета – появился бы угол между корпусом и гироскопом, и этот угол был бы равен углу поворота.

В 1920–1930‐е годы подобные приборы требовались практически везде – в лодках, чтобы следить за качкой, в автопилотах самолетов, в различном оружии. Инженеры-гироскописты были нарасхват. Среди факторов, что подстегивали исследования в этой области, космос был даже не на первом месте. Но именно ракетные полеты поставили новые и необычные задачи. Гироскопы должны были стать легче, надежнее, точнее, должны были фиксировать повороты во все стороны. Чтобы оценить важность и сложность задачи, представьте, что в знаменитом Совете Главных (шестерке конструкторов – отцов космонавтики) сразу двое, Николай Пилюгин и Виктор Кузнецов, отвечали за гироскопические приборы. Их труды имели огромное значение – новые системы и математические теории позволили создать высокоточную систему управления. Исследования не прекращаются и сейчас. Появились новые, именно космические гироскопы: трехстепенные, способные фиксировать повороты в трех плоскостях; и поплавковые, погруженные в вязкую жидкость, что позволяет снизить негативное влияние давления, трения, перепада температур и повысить надежность.

Гироскоп для ракеты-носителя

В 1990‐х годах появляются лазерные гироскопы, которые могут с помощью луча света определять поворот на сотни долей угловой секунды. При этом прибор помещается в ладони.

В 2000‐х годах появляются пьезогироскопы и микроэлектронные гироскопы в смартфоне. За поворот экрана и работу многих приложений отвечают именно они. Очень популярные сейчас квадрокоптеры без гироскопа не летают в принципе – аппарат сразу кренится, разворачивается и в итоге разбивается. Электроскутеры используют гироскопы еще и как элемент управления. Строительные краны и дорожно-укладочные механизмы тоже должны знать, как наклонились их рабочие элементы. В роботах может быть до сотни гироскопов, ведь каждой металлической руке или ноге, а также шее, спине, голове нужно передавать информацию о положении. Вы видели роботов-собак, которых толкают и пинают, а они твердо стоят? По сути, любое механическое или электронное устройство, способное поворачиваться или вращаться, имеет внутри гироскоп.

Автоматической системе управления требуется не только знать, как повернулся космический аппарат, но и рассчитать, как нужно вращаться. Однако если вычислять углы классическими тригонометрическими формулами из средней школы, могут возникнуть ошибки. Например, известная задача про охотника, который прошел на юг, на запад и на север одно расстояние и оказался в стартовой точке. Это возможно только на полюсе. Также при нескольких оборотах вокруг разных осей может потеряться 180° или число Пи. Кроме того, у гироскопов есть физическая проблема – так называемое складывание рамок. Спутник может так повернуться вокруг одной оси, что остальные оси совпадут, и из-за этого потеряется возможность верной ориентации.

Для решения этой проблемы в космонавтике математики начали использовать особые числа – кватернионы. Их придумали еще в XVIII веке, но тогда кватернионы не получили применения и обсуждались математиками как нечто абстрактное. Это гиперкомплексные числа, которые записываются как q = a + bi + cj + dk, где a, b, c, d – вещественные числа, а i, j, k – мнимые единицы, то есть числа, чьи квадраты равны минус единице (i2 = –1, j2 = –1, k2 = –1). При возведении одного из компонентов i, j, k в квадрат получится вещественная часть. Но при перемножении двух разных, например i и j, это не получится. По сути, кватернионы – это числа в трехмерном пространстве, где каждому пространству соответствует по мнимой компоненте.

В 1970–1980‐х годах, когда космические аппараты стали обращаться вокруг Земли и вращаться вокруг своей оси годами, математики приступили к исследованиям свойств этих чисел с удвоенной силой, чтобы программировать с их помощью системы управления. Благодаря этому стало проще оперировать вращением пространства или вращением космического аппарата в пространстве.

После того как кватернионы хорошо зарекомендовали себя в космических расчетах, их начали использовать в компьютерных 3D-играх, где тоже можно вращаться во все стороны.

Кстати, вычислительные системы небольшого размера – тоже заслуга космонавтики. В 1950‐х годах компьютеры были огромны. Они занимали целые здания и никак не могли поместиться в ракету-носитель. А количество вычислений, которые нужно было проделать мгновенно, пока космический аппарат летит со скоростью 8 км/с, было велико. Человек не смог бы оперативно все рассчитать, и на помощь пришла радиосвязь. Задачи поступали с ракеты-носителя на Землю, обрабатывались ЭВМ, и решение отправлялось на борт.

«Стрела» – первый наземный компьютер, работавший над космическими расчетами. Он умел рассчитывать 100 операций в секунду и имел оперативную память два килобайта. В дальнейшем появились машины второго поколения – «Урал‐1» и БЭСМ, которую ласково называли бэсмочкой. Их оперативная память составляла 32 килобайта, а производительность – 20 000 операций в секунду. Такой рывок, несомненно, стимулировала именно космическая необходимость. В США компания IBM уже давно работала над производительностью компьютеров, но у NASA они появились позднее, зато сразу второго поколения. IBM 7090 выполняла до 100 000 операций в секунду.

Наземные системы продолжали улучшаться. Вместо ламп появлялись транзисторы, а за ними – интегральные схемы и микропроцессоры. Память прошла долгий путь от магнитной проволоки через ленту к ферритным элементам, жестким дискам и т. д. Примерами могут послужить советский компьютер «Орбита», ЕС ЭВМ, М‐20 и американский IBM System/360. Совершенствование продолжается и сейчас, но уже отлично видно, как далеко шагнул прогресс. Характеристики первых компьютеров скромны даже для современных часов.

А в 1950‐х годах такого не было. Приходилось выкручиваться. Для случаев отсутствия связи инженеры разрабатывали оригинальные аналоговые системы. Например, для расчета пройденного расстояния использовалась химическая реакция электролиза – в зависимости от скорости движения увеличивалась подача тока в прибор и менялась скорость химической реакции. Через каждый преодоленный километр в приборе образовывался грамм вещества, и по его количеству определялась дистанция.

Однако хитрости, уловки и наземные компьютеры не помогут, если мы летим на Луну или дальше. Задержка связи между Землей и ее спутником составляет 1,2 секунды, за которые ракета может пролететь от одного до восьми километров. Ошибки непозволительны. Математическое описание движения, когда на космический аппарат действуют и Земля, и Луна, слишком сложно для схожего аналогового варианта. Первыми были попытки рассчитать по долям секунды весь процесс полета и завести все команды на таймер. Более того, некоторые советские автоматические межпланетные станции полностью выполняли все задачи благодаря этому. Выверенность вычислений поражает воображение даже сейчас. Но чем сложнее были задачи, тем понятнее становилось, что компьютер надо брать с собой. Для полета человека на Луну и стали разрабатываться ЭВМ размером не со здание, а хотя бы со стол. И это получилось, но не сразу. В Советском Союзе планировалось запустить автоматическую станцию «Марс‐1960» с новой технологией уже в 1960 году, но не получилось (не по вине ЭВМ). Первый в СССР бортовой компьютер «Аргон 11С» был успешно испытан в программе «Зонд» в 1968 году. С его помощью, кстати, впервые облетели Луну и успешно вернулись животные – две черепашки.

В США инженеры придумывали гораздо меньше аналоговых приборов, и отчасти из-за этого были вторыми в космической гонке, но вот компьютер отправили на орбиту чуть раньше. GSC (Gemini SpaceCraft Computer) побывал в космосе уже в 1965 году. Характеристиками «Аргон 11С» и GSC были схожи: весили 26–34 килограммов и могли производить около 7000 операций в секунду, но памяти хватало только на 39 слов. Оба работали на интегральных схемах.

Через четыре года произошло историческое событие – американцы произвели высадку на Луну. Управлял полетом компьютер AGC (Apollo Guidance Computer). Эта система по производительности была на уровне наземных компьютеров конца 1950‐х. Памяти было по-прежнему мало, поэтому программистам пришлось потрудиться, чтобы придумать последовательности процедур, не отбирающих много памяти. Тем не менее известно как минимум восемь случаев, когда бортовой компьютер сбоил из-за переполнения. На одной знаменитой фотографии запечатлена распечатка всех необходимых инструкций на бумаге – это стопка кода выше человеческого роста.

Маргарет Гамильтон с распечатанным текстом программы для миссии «Аполлон‐11» © Draper Laboratory

Тогда же появляется и первый интерфейс. Система отображения больше похожа на калькулятор, но пока речь идет только о вычислениях. Еще через пять лет первые персональные компьютеры от той же компании, что делала космические системы, появляются в обычных домах.

В дальнейшем в США в пилотируемой космонавтике для программы Space Shuttle использовали компьютер IBM AP‐101S. В космос отправлялся большой космический челнок, и размер вычислительной машины уже не играл заметной роли. В 1988 году для проведения эксперимента впервые применили компьютер, конструкцию которого потом назовут ноутбуком.

Другое дело – межпланетные автоматические станции, например марсоходы, размером с тумбочку или ботинок. Для них был создан RAD600 – один миллион транзисторов в одной плате, больше 600 граммов массой. Такой компьютер уже влезет в мобильный телефон.

Тем временем в СССР разрабатывались новые версии «Аргонов». Правда, цель была не в уменьшении размеров, а в повышении надежности. «Аргон‐16» стал оптимальным вариантом, и его испытывали и использовали на кораблях «Союз», станциях «Салют» и первое время на станции «Мир». В 1990‐е его сменил «Салют‐5Б». Однако всемирную известность получила другая бортовая ЭВМ – для многоразового корабля «Буран» был разработан компьютер «Бисер‐5». Два мегабайта оперативной памяти и 350 000 операций в секунду позволили совершить полет в полностью автоматическом режиме. Более того, «Буран» при возвращении совершил незапланированный маневр, что инженеры на Земле сочли сбоем и даже начали обсуждать возможность подрыва аппарата, чтобы при падении он не вызвал разрушений. Но оказалось, что компьютер заметил боковой ветер и принял правильное решение развернуть «Буран» другим боком. Посадка произошла идеально. Автопилоты таких же характеристик появились только через 12 лет.

Космонавтика подстегнула развитие компьютерной техники. В 2013 году инженеры ради эксперимента взяли обычный смартфон из магазина, прикрепили к нему дополнительный аккумулятор, обмотали защитной пленкой от радиации и перепада температур и запустили в космос как самостоятельный спутник. Внутри было все необходимое не только для ведения полета, но и для научных исследований.

Вместе с компьютерами появились миллионы строк кода. Чаще всего речь идет о специализированных программах для конкретной ситуации, но бывали случаи использования наработок и в других отраслях. Один из таких примеров – язык программирования ДРАКОН. Название расшифровывается как дружелюбный русский алгоритмический язык, который обеспечивает наглядность. Сначала программисты создали три языка под разные цели: Диполь, Прол2 и Лакс, но потом было принято решение применить универсальный подход. ДРАКОН – язык – визуальный, то есть программы писать не нужно, их составляют из блок-схем или диаграмм. Такой подход оказался более удобным благодаря наглядности в каждой последовательности действий. Затем появились гибридные языки: Дракон-Java, Дракон-C, Дракон-Python и т. д. После снятия грифа секретности космический язык программирования стали применять для моделирования поведения или создания инструкций для специалистов в больших группах или при оперативных мероприятиях, например, алгоритмы скорой помощи, реанимации и т. д.

В 1964 году в США произошла похожая история. Инженеры запросили у программистов целую кучу программ для вычисления характеристик материалов: прочность, гибкость, ковкость, целостность и т. д. Поступило предложение создать один универсальный код, хотя задача оказалась очень сложной. Дело сдвинулось в 1968 году с появлением Space Shuttle, для которого требовалось множество расчетов. Получившаяся программа использовала метод численного моделирования и состояла из разных модулей, написанных на языке FORTRAN. Этот продукт очень понравился инженерам, и теперь он используется повсеместно, например при проектировании железнодорожных путей, автомобилей, мостов, электростанций, небоскребов, самолетов и многого другого. По оценкам, одна только эта программа позволила сэкономить более 700 миллионов долларов.

Также в США получила известность платформа облачных вычислений Nebula, разработанная NASA, чтобы предоставить своим инженерам дополнительные ресурсы для вычислений и памяти. В 2008 году космическое агентство стало первой организацией, предоставившей исходный код Nebula для общего пользования. Впоследствии облачные платформы приобрели огромную популярность.

Вместе с компьютерами для космоса разрабатывались роботы на замену человеку. По сути, все автоматические станции, спутники, межпланетные зонды, планетоходы – это роботы. Проводились эксперименты с отправлением на орбиту многофункциональных автоматов. Так, в 2019 году на МКС отправился антропоморфный (похожий на человека) робот F.E.D.O.R. Он мог ходить, управлять машиной и мотоциклом, сверлить, закручивать гайки и проводить разного рода ремонтные работы. Функция самообучения позволяла со временем расширить его функционал. На орбите F.E.D.O.R., выбравший себе позывной Skybot F‐850, работал в режиме «аватар». Космонавты Алексей Овчинин и Александр Скворцов использовали специальный костюм с VR-очками, выполняя простейшие действия, а робот их определял и повторял за космонавтами. Затем F. E.D.O.R. уже самостоятельно выполнял те же операции. Космонавты протестировали возможности в рамках эксперимента «Испытатель». Еще три таких робота используют сотрудники МЧС, пока в рамках обучения, но у модели F.E.D.O.R. большое будущее. Он сможет работать там, где не смогут люди.

Чуть раньше, в 2011 году, на орбите появился американский андроид Robonaut2. Он позиционировался как ловкий, то есть руки позволяли выполнять весьма сложные операции, требующие мелкой моторики. Задачей робота было выполнение часто повторяющихся рутинных операций, например, замена фильтров, настройка фотоаппаратов и т. д. Технология успешно проработала на МКС несколько лет, а NASA продала 50 патентов на отдельные технологии. Стоит отметить, что Robonaut2 работал в космосе без нижней части тела, хотя и были попытки присоединить дополнительные конечности.

В невесомости ноги не нужны, и автоматическим системам быть похожими на человека невыгодно. В 2018 году сферический робот по имени CIMON с видеокамерой и мультяшным лицом на экране летал по МКС и давал указания космонавтам. За его работой следил астронавт Александр Герст. Функциональных задач у CIMON не было, он только фиксировал результаты экспериментов и общался как на профессиональные, так и на отвлеченные темы. Например, робот запечатлел долгий процесс выращивания кристалла, прокомментировал последовательность действий медицинского исследования и собрал кубик Рубика. Подобный помощник может облегчить работу как в космосе, так и на Земле. Первая такая система появилась в космосе еще в 2006 году, а сейчас умные голосовые помощники – часть привычного быта.

Были также экспериментальные образцы шарообразных роботов под названием SPHERES. Как в фантастических фильмах, они летали самостоятельно и ориентировались при помощи ультразвуковых маячков, примерно как летучие мыши или подводные лодки. Испытания были успешны. Более того, каждый год студентам предлагали посоревноваться в написании программ для этих роботов. В этих битвах родилось много вариантов модернизации, и сейчас на МКС используется усовершенствованная версия робота по имени Astrobee.

Но шарообразным автоматическим аппаратам все же не хватает рук – их роль в космических аппаратах выполняют манипуляторы, как роботизированные, так и управляемые вручную. Первый полноценный манипулятор появился в космосе в составе шаттла Columbia в 1981 году. RMS, или «Канадарм», был длиной от 15 до 32 метров и состоял из двух основных секций и семи моторизованных сочленений. Можно провести аналогию с рукой человека: плечевой сустав имеет две степени свободы, то есть может поворачиваться влево-вправо, локтевой – одну: может только сгибаться. Кисть человека имеет две степени свободы, а космический манипулятор имел сразу три. То есть он мог поворачиваться и перемещать груз в любую сторону. Правда, с первого раза не все получилось – космонавты не смогли повернуть манипулятор в плечевом суставе. Дефект исправили, и манипулятор проводил эксперименты – как сам, так и с разным оборудованием – до 2001 года. Он ловил и запускал спутники, двигал приборы, активировал системы, производил ремонтные работы и искал дефекты, использовался для точного наведения камер и даже катал на себе людей. В XXI веке его заменила модифицированная и улучшенная версия «Канадарм 2», которая потом попала и на МКС. На современной станции к нему можно еще подключать так называемый ловкий манипулятор «Декстер», уже двурукий. Каждая из его «конечностей» – уменьшенная версия «Канадарма». «Декстер» может работать как одной, так и двумя руками. Самое главное – его подвижность и набор программ, позволяющих выполнять сотни сложных задач. В 2001 году его испытали: «Декстер» смог провести распаковку оборудования грузового корабля, пока космонавты спали. Правда, стоит отметить, что его прототип использовался еще на шаттле Discovery STS‐85. Тогда без проблем не обошлось, так как системы оказались не полностью совместимы с «Канадармом». В будущем есть вариант использовать в космосе трехрукий манипулятор SARAH.

Канадарм 2

В СССР для аналога шаттла, корабля «Буран», тоже был изготовлен манипулятор, но так и не был использован. Однако на станции «Мир» появился АСПр – автоматическая система перестыковки. Орбитальный комплекс предполагал соединение модулей не только спереди и сзади по направлению движения станции, но и сверху, снизу и по бокам. Советский манипулятор как раз и нужен был для перемещения тяжелых частей, для чего важна была не столько ловкость, сколько надежность и точность. Впервые АСПр использовался при перестыковке второго модуля «Квант‐2» станции «Мир» на боковой стыковочный узел. Манипулятор имел два шарнира, мог поворачиваться всего в двух плоскостях и присоединяться концом к специальным гнездам станции. Зато в нем были заложены значительные резервы по прочности и амортизации. Совмещение идей «Канадарма» и АСПр позволило создать манипулятор ERA, который используется на российском сегменте МКС. Он имеет семь степеней свободы, крепится к специальным гнездам и перемещается по ним вдоль корпуса станции.

Также интересны были технологические эксперименты и последующее применение специального крана «Стрела», который выдвигался телескопически, и манипулятора OBSS, который удлинял «Канадарм» в два раза. Планировался эксперимент по использованию полностью механического копирующего манипулятора «Пеликан», но на орбите идея не получила продолжения. Зато на Земле на основе этих технологий были созданы механизмы, нашедшие применение в строительстве, грузоперевозках, работе в опасных зонах, конвейерном высокоточном производстве и медицине. Хирурги все чаще и чаще прибегают к куда более подвижным механическим рукам, схожим с космическими «собратьями».