Следующим шагом должно было стать управление движением будущих космических аппаратов. Оказалось, что для социалистов – разработчиков систем автоматического управления движением ракет создание систем управления движением космических аппаратов требует преодоления психологического барьера.
Этот барьер был преодолен с приходом в ОКБ-1 коллектива Раушенбаха.
Начиная с «Луны-3» все наши космические аппараты имели системы, позволяющие корректировать околоземные и межпланетные траектории. Суть процесса коррекции состоит в том, что предварительно измеряются параметры фактической орбиты или траектории полета с помощью наземных средств командно-измерительного комплекса, определяется отклонение траектории от расчетной, в зависимости от величины ошибки расчитывается необходимый корректирующий импульс и в определенной точке траектории в определенное время включается двигатель системы бортовой корректирующей установки и формируется новая орбита.
Чтобы осуществить эту операцию, космический аппарат должен уметь ориентироваться в пространстве, поворачиваясь на любые углы, задаваемые уставками, передаваемыми по КРЛ с Земли, сохранять заданную ориентацию во время работы корректирующего двигателя и управлять самой двигательной установкой, обеспечивая требуемую величину корректирующего импульса.
Управление ориентацией – один из самых ответственных режимов управления движением. При этом должно быть обеспечено придание космическому аппарату нужного углового положения относительно известных ориентиров поворотом его вокруг центра масс.
Особая ответственность лежит на системах ориентации космических кораблей при выдаче тормозного импульса, необходимого для возвращения на Землю. В случае ошибки космический корабль может не вернуться на Землю вообще, если импульс, выданный двигателем, не опустит, а поднимет орбиту. Ориентация в пространстве необходима не только для коррекции орбиты, но и для выполнения программ научных наблюдений, фотографирования, выставки в нужном направлении остронаправленных антенн и т.д.
С 1960 года решение проблем управления ориентацией и стабилизацией космических аппаратов было возложено на коллектив Раушенбаха, первоначально именовавшийся «отдел 27». Обилие тематических программ потребовало резкого увеличения, а затем разделения отдела 27 на три: теоретический отдел динамики движения Виктора Легостаева, отдел разработки схем и аппаратуры Евгения Башкина и отдел исполнительных органов ориентации – корректирующих микродвигателей – Дмитрия Князева. Эти три отдела пользовались помощью нашего сильного радиоэлектронного отдела Анатолия Шустова, который успешно разрабатывал программно-временные устройства, предшественники современных бортовых компьютеров, конструкторского отдела Семена Чижикова, выпускавшего рабочие чертежи любых приборов для заводского изготовления, и разработками главных конструкторов-смежников. В КБ «Геофизика» главный конструктор оптико-электронных приборов Владимир Хрусталев по нашим техническим заданиям разрабатывал приборы-датчики для ориентации на Землю, Солнце и звезды. Главный ракетный гироскопист Виктор Кузнецов также по нашим заданиям разрабатывал гироскопические приборы. Во ВНИИЭМе у Андроника Иосифьяна Николай Шереметьевский разработал силовой маховик для управления ориентацией «Молнии», в городе Суммы на заводе электронных микроскопов разрабатывались датчики для придуманной нами «ионной» системы ориентации.
Каждая космическая программа требовала разработки своих, специально для данного конкретного летательного аппарата, систем ориентации. Общим для всех было требование в нужное время обеспечить трехосную ориентацию, то есть иметь возможность установить космический аппарат в пространстве, закрепив его три взаимно перпендикулярные воображаемые оси неподвижно относительно звезд или поверхности Земли и вектора скорости либо маневрируя ими по заданной программе или командам. Идейная разработка трехосной ориентации ИСЗ на Землю в отделе Легостаева была поручена одному из первых выпускников московского физтеха – Евгению Токарю. Работы над такой системой Токарь начал еще в НИИ-1, работая с Раушенбахом под руководством Келдыша. В 1957 году он выпустил отчет «Об активной системе стабилизации искусственного спутника Земли». Любопытно, что этот отчет воспроизведен в издании: Келдыш М.В. Избранные труды: М.: Наука, 1988.
В работе Токаря впервые предлагалась система, которая стала классической для всех «Востоков», «Восходов» и «Зенитов», и существовала до времен, пока не наступила эпоха «бесплатформенных» систем. Для ориентации одной из осей спутника по местной земной вертикали (то есть по направлению к центру Земли) предлагалось использовать прибор, чувствительный к инфракрасному излучению поверхности планеты. Идея сканирования таким прибором границы между видимым с космического аппарата земным диском и космосом была высказана Раушенбахом. В разработке схемы и теоретических основ прибора значительное участие принимали Евгений Башкин и Станислав Савченко. Первый реальный прибор ИКВ был выполнен Владимиром Хрусталевым и Борисом Медведевым в ЦКБ «Геофизика». В настоящее, время ни один околоземный спутник не обходится без ИКВ – построителя местной вертикали. ОКБ «Геофизика» с тех давних пор довело надежность, точность и массу ИКВ до величин, о которых в первые годы мы и не мечтали.
Кроме ориентации двух осей по углам тангажа и крена, которые обеспечивались ИКВ, требовалось остановить свободное вращение спутника вокруг вертикальной оси, направленной на Землю, то есть научиться ориентировать его относительно плоскости курса, как мы говорили по-ракетному, по углу рыскания.
Для этой цели Токарь предложил гироскопический ориентирующий прибор, позднее названный «гироорбитант». Он применялся практически на всех отечественных автоматических и пилотируемых космических кораблях, нуждавшихся в орбитальной ориентации. Теория гироорбитанта явилась основой кандидатской диссертации Токаря, которую он защитил в 1959 году. Изготовить гироорбитант своими силами мы не могли. Требовалось высокоточное специализированное производство. Естественно, что обратились к тогдашнему монополисту в ракетной гироскопии – Виктору Кузнецову. Первая реакция была резко отрицательной. Кузнецов не пожелал изготавливать у себя прибор, идея которого родилась где-то на стороне. Кроме того, Кузнецов усомнился в самой идее гироорбитанта, который представлял собой, как он мне высказал, «принцип морского гирокомпаса, испорченный для космоса».
Но отмахнуться от нас в те времена Кузнецов не мог. Это грозило серьезным объяснением с Королевым, а тот, чего доброго, мог сказать: «Ну, Витя, если ты отказываешься мне помочь, я поищу других». «Витя» попросил Александра Ишлинского провести подробную проверку теории в математическом институте в Киеве, директором которого тот был избран еще в 1948 году. Независимую экспериментальную проверку принципа по поручению Кузнецова произвел один из его ведущих специалистов Оскар Райхман. Не будучи великим теоретиком, но являясь хорошим организатором и гироскопистом-практиком, тот быстро соорудил стенд, на котором подтвердил работоспособность прибора. Великая заслуга Ишлинского и Райхмана состояла в том, что они независимо друг от друга убедили Кузнецова. Он поверил и дал зеленый свет изготовлению первой серии. Приборы Кузнецова под индексом КИ-008, КИ-009 и т.д. были установлены на первые космические корабли: «Востоки», «Зениты», последующие разведчики, челомеевские «Алмазы». На орбитальных станциях «Салют» мы сделали попытку заменить гироорбитант так называемой «ионной ориентацией» по курсу и тангажу. Одной из причин такой замены была длительность периода первоначальной «выставки» гирообитанта после выхода на орбиту.
Ориентация по всем трем осям с помощью ИКВ и гироорбитанта занимала для ИСЗ почти целый виток. Ориентация с помощью ионной системы по тангажу и курсу осуществлялась минут за десять. Однако использование столь заманчивой по времени ориентации системы без предварительной тщательной проверки закончилось гибелью ДОСа № 3.
На этой трагедии я остановлюсь ниже.
Идея более точного блока гироприборов, дающего ориентацию по курсу и фильтрующего флюктуации оптической ИКВ, была развита и реализована Токарем совместно с морскими гироскопистами ленинградского «Электроприбора» Гордеевым и Фармаковским. В КБ этого завода на редкость добросовестно была исследована схема и разработана конструкция двухроторного орбитального гироскопического комплекса для нового космического разведчика «Зенит-4». Такой комплекс включал гировертикаль, корректирующуюся по сигналам ИКВ, и собственно гироорбитант. Точность системы была при этом за счет дотошности ленинградцев повышена по сравнению с «Зенитом-2» в десять раз! Для экономии рабочего тела впервые была предусмотрена система электродвигателей-маховиков, разработанных во ВНИИЭМе. В целом система приборов ориентации «Зенита-4», изготовленных всеми смежниками, была заметным качественным скачком в технике управления в пространстве.
