Управлять космическим аппаратом можно двумя путями, грубо говоря:

Прямая система управления. С Земли передается команда «включить двигатель номер 5 на 10 секунд». Это просто и надежно. Если таймер работает нормально, то ломаться здесь нечему.

Из недостатков — все вычисления производятся на Земле, аппарат будет неавтономен и импульс будет неточен. А если аппарат не стабилизирован и вращается, то улетим слегка не туда. Но можно подождать результатов, подкорректировать, попытаться стабилизировать, пересчитать на Земле и попробовать еще несколько раз.

Так в 60-х это делали деды с логарифмическими линейками, которые еще помнят Вернера фон Брауна мальчиком в подтяжках гитлерюгенда, и некоторые из которых до сих пор числятся в структурах «Роскосмоса».

Мудрёная система управления. Отдаётся команда: «выдать импульс X по вектору Y» и система управления должна решить сама какие двигатели включать и насколько, какие датчики задействовать. Мы же тебе сказали, что хотим — а ты крутись как хочешь. Такую систему любят зумеры, которым для вычисления квадратного корня из двух требуется запускать Matlab. Стильно, модно. Эта система точнее, здесь мы полностью полагаемся на бортовой компьютер, хотя может быть куча возможных точек отказа — неправильно написанные программы, датчики, фактическая тяга двигателя может быть неизвестна, могут быть чисто электрические нарушения цепей, несогласованность на шине данных, а также космическая радиация, вибрация, то же вращение по всем трем осям и т. д. Эта система управления должна быть идеально надежной, дублированной и троированной независимыми способами, ведь в данном случае мы компьютеру верим больше, чем себе, и это сделать сложно.

Над «Луной-25» работала смешанная сборная команда из зумеров и дедов. Здесь не стали искать простых путей и попытались сделать как модно в NASA JPL: управление идет по акселерометрам, непрерывно интегрируя фактическое ускорение и суммируя приращения скорости в реальном времени. Но и про заветы дедов не забыли, и таймер все таки был.

Вроде бы это может и заработать, но система управления менялась три раза:
• в начале программы пару десятков лет назад, когда аппарат еще назывался «Луна-Глоб»,
• после крымской волны санкций в 2014 году,
• после начала войны 2022 года.

Санкционные компоненты импортозамещались на местные,
• потом еще импортозамещались,
• потом еще немного,
• но в итоге не очень успешно импортозаместились. Всё равно осталось больше половины импортных комплектующих, а надежность всей системы из-за постоянных переделок и сомнительных поставщиков упала ниже некуда. Если первый датчик навигации на американских компонентах БИБ весил 1,5 кг, на европейских компонентах Astrix весил 4,5 кг, то российский БИУС-Л весил полновесные 10 кг. Импортозамещение было выполнено почти на 700%, если считать в килограммах.

Что случилось с Луной-25: после подачи команды с Земли частично импортозамещенный бортовой компьютер начал работать и проводить вычисления, но не смог своевременно остановить подачу импульса. Он опирался на данные ускорения от полностью импортозамещенного БИУСа-Л, который с точки зрения программного обеспечения выдавал некорректные данные. Возможно, что на самом деле БИУС выдавал правильные данные, но это импортозамещенный интерфейс с периферией выдавал ошибки, в то время как вычислительная машина пыталась интегрировать эти ошибки как данные. Вариантов отказа здесь — море. В конце-концов дедовскому таймеру это надоело, он прекратил это безобразие системы управления и аварийно отрубил двигатели, но было уже поздно.

Таймер нужно было ставить пораньше. Но это не сильно бы спасло ситуацию, операция посадки на порядок сложнее коррекции орбиты, с такой степенью проработки системы управления, шансов сесть не было.

В октябре 2021 года Россия планирует вернуться на Луну, запустив первый за 45 лет автоматический аппарат – «Луна-25». Запуск миссии планировался еще в 2014 году, но старт постоянно откладывался, в первую очередь, из-за неготовности аппарата и по причине западных санкций. Постоянные переносы миссии уже заставили выйти из нее зарубежных партнеров.
Последний перенос на два года был связан с неготовностью российского прибора БИБ для системы навигации, заменить его на западный помешали санкции. Срочно разрабатывать ему замену (прибор «Биус-Л») из отечественных комплектующих поручили «Научно-производственному центру автоматики и приборостроения имени академика Н. А. Пилюгина». Как удалось выполнить задачу, и как космическое приборостроение справляется с импортозамещением, рассказал начальник отдела по разработке бесплатформенных инерциальных навигационных систем НПЦАП и главный конструктор прибора Алексей Казаков.
— С весны 2020 года ваше предприятие разрабатывает прибор «БИУС-Л» для автоматической станции «Луна-25», которая будет запущена на поверхность Луны этой осенью. Какова его роль на аппарате?
— Это бесплатформенный измерительный блок, который служит для измерения угловых скоростей и линейных ускорений, воздействующих на космический аппарат.
Задача их измерять и передавать в бортовую систему управления аппарата. Управляющая машина, обработав данные, сможет скомпенсировать эти воздействия.
За счет этого поддерживается стабилизация и определяется пройденный путь аппарата.

— Он работает на всем этапе полета вплоть до посадки?
— Как только аппарат выйдет на орбиту Земли, прибор включается и начинает работать.

— Какие вообще известны способы решения этой задачи — ориентации корабля в космосе?
— Есть несколько способов. Есть спутниковые датчики (АСН), которые используют сигналы GPS или ГЛОНАСС, как в мобильных устройствах. Есть звездные датчики, позволяющие аппарату ориентироваться по звездному небу. Фактически НПЦАП ориентируется на разработке и изготовлении инерциальных систем управления.

— К ним же относятся гироскопические устройства, в основе которых лежит, грубо говоря, вращающийся волчок?

— Да, только они относятся к так называемым платформенным системам, где сам прибор находится в инерциальном пространстве, а корабль находится вокруг него и вращается каким-то образом, живя своей жизнью. Вообще гироскопия начала развиваться в конце 1950-х — начале 1960-х годов. Фактически первые поплавковые гироскопы в серийном виде у нас появились в 1960 году. Платформенные системы замечательно работают на ракетах «Протон-М», «Союз», они высокоточные, их принципы хорошо понятны, но недостатки связаны с большой массой и ценой.

— В чем же отличие бесплатформенных систем?
— Эта система построена на принципе чувствительных элементов, которые измеряют угловые скорости, и линейные ускорения. В таких системах все изделие жестко крепится на корпусе ракеты. Прибор крутится вместе с изделием и измеряет свое вращение. Но из-за того, что бесплатформенный прибор должен измерять большой диапазон движений, он более грубоват.
— Если более грубоват, то в чем же преимущество?
— Они легче, проще в изготовлении, так как не надо делать сложные механические привода, и дешевле. Поэтому для определенных целей их более, чем хватает. Например, когда на корабле есть другие внешние подсказчики – звездные приборы, солнечные датчики. С развитием электроники повышаются вычислительные возможности, качество обработки сигналов, шумов и т.д. Идет движение к появлению систем на новых чувствительных элементах и физических принципах.

— Как же работает «БИУС-Л»?
— В нем по осям стоят волоконно-оптические гироскопы и акселерометры. Фактически такой гироскоп – это скрученное многократно оптоволокно, в данном приборе порядка 500 метров. Тут используется специальное оптоволокно, стойкое к воздействующим факторам.

— Отечественное?
— Отечественное. Оптоволокно заказывает наш соисполнитель, находящийся в Саратове, изготавливает гироскоп и поставляет нам. Принцип работы основан на эффекте Саньяка. От источника излучения – светодиода – в волоконный контур запускаются в противоположных направлениях два световых луча одинаковой частоты. Когда волоконный контур неподвижен, оба луча до встречи проходят одинаковый путь, но, когда контур вращается один из лучей проходит больший путь, чем другой, и в точке их встречи смещается фаза световой волны. По величине этого смещения можно оценить скорость вращения волоконного контура.

— Прибор БИБ, который не удался, и которому вы делаете замену, был основан на том же принципе и весил 1,5 кг. Ваш – 10 кг. Почему?
— Наш прибор делался в рамках импортозамещения и полностью построен на отечественной элементной базе, что играет свою роль. Во-вторых, этот прибор делается для космического назначения, поэтому во главу угла ставилась надежность.
В нем установлена специальная трехгранная машина, обработчик, который обрабатывает сигналы чувствительных элементов. В три грани процессора приходит информация от чувствительных элементов, он постоянно их сравнивает и выдает команды в другую машину в системе управления, а та – на управляющие органы. Наконец, прибор имеет повышенную надежность и точность.

— Какую?
— Точность прибора находится на уровне 0,2''/с. Эту точность мы подтвердили в рамках предварительных испытаний.

— На определенном этапе вместо БИБа на корабль предлагали поставить серийный прибор ASTRIX фирмы Airbus (4,5 кг), чего не случилось по понятным причинам. Можно сравнить параметры его и ваши?
— Наш прибор получился на том же уровне по точностям, что и Astrix 1090.

— Если нет необходимости раскручивать тяжелый гироскоп, то прибор должен и меньше потреблять? Какова его мощность?
— 35-40 Ватт.

— При этом на «Луне-25» будут стоять два прибора «Биус-Л»…
— Да, для надежности ставятся два прибора, они развернуты относительно друг друга, и работают параллельно.
В случае, если у системы управления возникает подозрение, что один из приборов показывает не совсем то, что на него воздействует, она начинает работать со вторым прибором.

— Что делается для обеспечения радиационной стойкости приборов?
— Прибор изначально строится на элементной базе, которую мы выбираем с учетом радиационной стойкости. Корпус (конструктив) прибора имеет определенную толщину, это герметичный цилиндр из алюминиево-магниевого сплава. Основная задача – чтобы прибор был легкий, прочный, и имел защиту от внешних факторов. Плюс у сплава должна быть высокая теплопроводимость, чтобы снимать излишки тепла.

— А эта трехгранная машина – чьего производства?
— Разработчик – НПЦАП. АО «Ангстрем» по нашему ТЗ делают для нас БИСы – большие интегральные схемы. Фактически владельцы этого БИСа— мы, они растят для нас кристаллы. Основное преимущество своего БИСа – мы его подстраиваем под свои задачи. Нам не нужно наращивать бешеную производительность, так как у нас есть оптимальная производительность, мощность, потребление, за счет чего мы более эффективно работаем.

— На каком этапе разработка прибора и когда вы его отдадите НПО Лавочкина?
— Сейчас приборы прошли приемо-сдаточные испытания, когда проверяются характеристики прибора на соответствие своей документации и 5 мая были переданы в НПО Лавочкина. Сейчас активно участвуем в испытаниях в составе аппарата.

— Прибор создается только для «Луны-25»?
— В ТЗ у нас прописано, что прибор создается для всей лунной программы.

— Было довольно неожиданно узнать, что у такого сложного и важного прибора такой молодой конструктор. Как вы попали в эту отрасль?
— Я закончил МЭИ в 2008 году, на пятом курсе пришел сюда на практику, и здесь остался работать. Мне повезло, я попал в хороший коллектив.

— Сколько людей работало над прибором, какова средняя зарплата на предприятии?
— В общем-то в разработке участвовало все предприятие. От цехов, где делают металл корпуса, вяжут жгуты, собирают и монтируют приборы и так далее. Есть филиалы, которые делают для нас же испытательную аппаратуру. Различные специалисты такие, как технологи, надежники, прочнисты, тепловики и другие… Работы при проведении испытаний и изготовлении прибора на нашем предприятии велись круглые сутки.
Все очень хотели выполнить работу в срок и успеть в астрономическое окно для полета на Луну в этом году.
Под моим руководством над этим прибором тоже работает молодой коллектив, это очень талантливые и действующие с большим энтузиазмом специалисты, и большое им спасибо. Средний возраст в моем коллективе – в районе 35 лет. К нам приходят работать из МИРЭА, МГТУ им. Баумана, МАИ, а также МГУ… Зарплата на предприятии у нас неплохая, в среднем 90 тыс. руб.

— Неплохо. Удачи вам, и попадания в этом году на Луну!
— Спасибо.



Дополнение:
Перспективный прибор БИБ (Блок инерциальный бесплатформенный) разработки НПО ИТ не прошел вибрационные испытания. БИБ все-таки полетит на «Луне-25», но в качестве экспериментального образца, не включенного в контур управления.
Для сравнения, масса приборов составляет: для БИБ – 1,5 кг, для Astrix 1090 – 4,5 кг, для «Биус-Л» – 10 кг. Потребляемая мощность «Биус-Л» находится в диапазоне 35-40 Вт. Astrix 1090 значительно экономнее: ему требуется всего 14 Вт.

— Вы представили на форуме инициативную разработку лазерной системы самонаведения для ракет малого калибра. В чем актуальность этой разработки?

— Дело в том, что систем лазерного наведения для ракет малого диаметра в России еще не делают, есть только зарубежные разработки. У нас есть хорошие изделия на калибры 300 миллиметров, 200. А на 80 пока нет. Мы представили прообраз системы управления, который вписывается в диаметр 80 миллиметров. В этих размерах решаются, в принципе, задачи наведения боеприпасов РСЗО, авиационных ракетных снарядов.

На нашем стенде на форуме показан концептуальный макет системы, здесь показаны принципы наведения. Головка самонаведения здесь работает благодаря приемникам отраженного лазерного излучения, — они стоят на концах четырех крыльев ракеты. То есть она видит точку от условной лазерной указки, которую навели на цель. И наводится по этой точке. Для работы системы нужен еще лазероизлучатель, и здесь есть разные варианты. В идеале — расположить его на самом снаряде, хотя это достаточно сложно в таких габаритах. Более простой вариант — подсветка цели беспилотниками или целеуказателями с земли. Приемники ловят отражение, элероны на крыльях отрабатывают перемещение цели — то есть изделие летит в цель, даже если она двигается.

В результате мы получаем систему, где в габариты 80 миллиметров диаметра вписаны сами рули, привод рулей, приемники сигнала, блок вычислительный. В общем, все, что нужно, чтобы управлять таким изделием с таким калибром.

— Точность какую обеспечивает?

— В данном случае точность зависит от подсветки цели. Если не будет каких-то помех, не будет потери сигнала, то практически отклонение будет не больше 2-3 метров. Плюс надо учитывать динамику изделия, — сами понимаете, оно не летит прямо, все время маневрирует. Но в любом случае — точность в пределах 2-3 метров.

— Ваш прибор ориентации в космическом пространстве стоит на станции «Луна-25», что он дает проходящей сейчас лунной экспедиции?

— «Луна» — это станция, которая буквально в эти дни совершает маневр торможения и выходит на орбиту Луны. На станции стоит измерительный блок, который разрабатывался нами очень срочно, рекордно быстрыми темпами. Изначально было предусмотрено сотрудничество с иностранной фирмой «Астрикс», был контракт, на него было все рассчитано и заложено по срокам. Потом из-за санкций и известных событий этот контракт отменился. Возникла ситуация: иностранной аппаратуры нет, нужна срочная замена.

И нам удалось создать прибор БИУС-Л с теми же характеристиками, с теми же габаритами, который успешно работает. БИУС-Л — это блок измерения угловых скоростей, а буква «Л» обозначает Луну. Он уже хорошо показал себя в ходе полета, хотя самая сложная задача для него — это посадка станции на поверхность Луны. Там будут требоваться максимальные возможности. Как они проявятся — подождем немножко и увидим.

— Кроме БИУС-Л у вас на форуме представлен блок БИУС-14, а он для чего предназначен?

— БИУС-14 — это для различных космических аппаратов. Например, для самарского «Прогресса», для «Ресурса» и еще для целого ряда «закрытых» (засекреченных. — NEWS.ru) аппаратов. Если говорить о компоновке, то БИУС-Л — это трехосный прибор, нерезервированный. То есть он определяет положение по трем осям, и на каждую работает независимая цепь аппаратуры. Если какая-то из них сломается, то ориентирование по соответствующей оси будет потеряно. Поэтому таких приборов на аппарате «Луна-25» стоит два. Аварийное резервирование обеспечивается за счет наличия сразу двух приборов. А БИУС-14 — четырехосный прибор, держит отказ любой независимой цепи. Задачи выполняет те же самые. Это прибор для работы в космосе, для коррекции скорости, орбиты и так далее.

— Как быстро вы разработали БИУС-Л?

— Разработан и изготовлен он был буквально за полтора года. Для таких задач это очень быстрый срок. Для сравнения: в обычных, не авральных, условиях на создание подобного прибора уходит в среднем 3-4 года.

— Какие у него перспективы?

— Насколько я знаю, лунная программа пуском «Луны-25» не заканчивается. Наш прибор уже заложен в контуре управления, поэтому, если он себя нормально покажет, смысла его менять на других пусках нет. Потом, есть намеки на межпланетные программы — Венера, Марс. В принципе, это базовый модуль для межпланетных миссий в пределах всей Солнечной системы.

Особенно хорош наш БИУС оказался в нынешних условиях — тем, что сделан полностью на отечественной электронике. Это было одной из задач, и ничего импортного в нем нет!

— Как долго он останется в строю?

— БИУС-Л рассчитан на 15 лет. Но все дело в том, что современная электроника обновляется каждые 7–10 лет. Она меняется полностью, так что сделать сейчас этот прибор — одно, а воспроизвести его в каком-нибудь, условно, 2035 году — это будет большая проблема. Не будет той элементной базы, на которой его сейчас делают. Там будут другие, новые приборы, и это нормально. Космическая техника — это не холодильник, нельзя сделать конструкцию, которая работала бы 30–50 лет без изменений.

— Есть ли у вашего предприятия разработки для СВО?

— Конечно. Занимаемся темой улучшения точности наших боеприпасов, коррекцией полета. Сейчас, в плане СВО, это особенно больная тема. Речь про тактическое и оперативно-тактическое вооружение, и оно должно стрелять точно. Отклонения в полете всегда будут — из-за ветра, разной плотности воздуха, других причин. Это может быть вопрос нескольких метров, и должна быть коррекция. Опыт показал, что спутниковое наведение — не панацея от всех бед. Можно с ним бороться, его можно глушить и искажать. Поэтому, естественно, сейчас очень активно изучаются и другие варианты. Вот вариант для 80-миллимитрового калибра — это лазерная головка самонаведения, но она требует некой поддержки, чтобы кто-то подсветил цель. Ну и вопрос энергетики тоже остается. Каждый элемент аппаратуры при работе сколько-то тысячных ватта забирает, запас не бесконечен. Так что сейчас изучаются другие варианты, на других физических принципах.

— Подробнее можно?

— Пока нет. Но работа сейчас идет полным ходом. На уровне проверки — это вопрос ближайших месяцев. Причем проверки реальной. Не то чтоб где-то в лабораторных условиях, а вопрос уже полигонных испытаний. Пока не гарантируем результат, но есть большие надежды.