Прежде чем отправиться в космический полет, человек должен приобрести множество навыков, чтобы в критических ситуациях (если так овые случатся, а они, к сожалению нередки) действовать автоматически, тем самым повышая свои шансы на выживание. Достигается такой автоматизм далеко не сразу: нужно затратить годы, отрабатывая правильные действия на тренажерах. Проблемам создания тренажеров и посвящен этот материал.

 

Рассказывает начальник тренажерного управления РГНИИЦПК им. Ю. А. Гагарина полковник Борис Александрович Наумов.

Полковник Борис Александрович Наумов

- У нас в космонавтике тренажеры - это единственное средство для подготовки космонавтов. Если летчика можно вывозить с инструктором на самолете, то космонавта надо на Земле подготовить так, чтобы он с первого раза смог действовать самостоятельно и выполнить программу. А ведь недаром же каждый полет в космос называют испытательным - нет одинаковых космических кораблей и нет одинаковых программ полетов.

Любой тренажер представляет собой огромнейший комплекс, над созданием которого трудится более сотни организаций. Например, в начале 80-х годов в разработке систем визуализации мы сотрудничали с новосибирским Академгородком и по средствам имитации лет на десять опережали весь мир. Тогда впервые были применены средства синтезированного изображения.

Что это значит? Раньше для решения задачи стыковки корабля со станцией создавались их макеты в полном интерьере, а еще прибор наблюдения, который видит станцию. Причем не “приблизительно”, а реально, как в полете. Это достигалось следующим образом. Делался макет маленькой станции, ставился на карданные подвесы, а система управления каждым из них проектировалась так, чтобы имитировать полет станции - со всевозможными вращениями во всех плоскостях. А телевизионная картинка этого полета должна была подаваться на прибор наблюдения космонавта, чтобы он воспринимал ситуацию как реальную. Все размеры должны были создавать иллюзию полного ви|дения станции, Земли и звезд, которые тоже вращались бы в приборе наблюдения, как в действительности, причем с учетом скорости и высоты полета.

Сложная проблема? Безусловно. Потому что надо, во-первых, все это увязать в едином времени, а во вторых, совместить воедино все телевизионные картинки. Дополнительные ограничения получаются из-за погрешностей приборов. И наконец, проблема осложняется тем, что каждое решение мы находим только для одного аппарата. Создаем другой прибор - значит, весь набор средств нужно разрабатывать заново. Как развязать этот узел?

Сегодня это делается иначе: модель описывается математически и вводится в компьютер, а затем создается система, управляющая всеми объектами. Вот это и было сделано в Академгородке. Такое невозможно было представить себе в 80-х годах, пока не появились ПК.

Теперь Земля на экране тренажера выглядит как настоящая. Чтобы достичь этого, мы взяли отснятые с космического аппарата виды Земли, описали картинку математически и добавили информацию о том, как она будет изменяться в соответствии с изменением орбиты (наложили облака, тени, освещение).

В авиации, в том числе и мировой, аналогичные работы по созданию тренажеров открылись лишь в начале 90-х годов. Так что мы настолько от всех оторвались, что когда в Звездном впервые появились иностранные космонавты, это решение произвело настоящий фурор.

Тренажеры и компьютеры

Первые тренажеры были полностью ориентированы на человека (т. е. в те времена, когда летал Гагарин, вычислительные системы были весьма просты, а их функции ограничены). В основном все выполнял человек - принимал решения и нажимал кнопки. Современные станции, в частности МКС, очень изменились с точки зрения технологии управления. Главная роль по поддержанию станции в заданном состоянии, мониторинг ориентации, слежение за температурой, давлением и другими параметрами возложены на вычислительные комплексы. Космонавта освобождают от непосредственного управления станцией, чтобы он мог проводить научные эксперименты, заниматься другими делами.

Тренажерный комплекс орбитальной станции “Мир”

Например, только на борту американского сегмента находится более 200 компьютеров. Причем половина их располагается не в герметизированном корпусе станции, а снаружи - на солнечных батареях, на фермах, на радиаторах системы терморегулирования. Для обслуживания этих компьютеров даже предусмотрены специальные выходы в открытый космос.

Если раньше все системы были ориентированы на человека и все тренажеры мы “подгоняли” под человека, то с появлением компьютеров на тренировках приходится применять те же самые компьютерные системы, что установлены на борту, - ведь космонавт должен работать в реальных условиях. Поэтому требования к тренажеру повышаются. Да, мы делаем тренажеры для человека, но так как на борту есть вычислительный комплекс, он начинает играть головную роль. Он уже требует, чтобы имитатор датчика подал ему соответствующий сигнал или чтобы были разработаны специальные алгоритмы, которые станут воспроизводить эти сигналы. А так как датчиков тысячи, то телеметрия, записываемая на борту МКС, состоит из сотен тысяч параметров.

Этот поток порождает проблему моделирования для компьютера. Зачастую мы вынуждены “обманывать” компьютер, поскольку реального датчика на стенде может и не быть. Мы не включаем двигатель на Земле, и невозможно сымитировать, например, разгерметизацию - значит, надо “обмануть” компьютер, подать ему сигнал разгерметизации, чтобы при этом все заработало так, как на реальной станции, и космонавты начали выполнять те циклограммы работы, которые положено. Мы не можем устроить реальный пожар - опять надо идти на обман, сымитировав показания соответствующих датчиков, чтобы компьютер включил логику обработки сигналов при пожаре; только так можно научить экипаж. Одно из преимуществ принципа тренажеростроения, который мы применяем, состоит в том, что достигается максимальное подобие как внешнего макета, так и бортового ПО.

Виртуальная реальность

На заре компьютерного бума пошли дискуссии, надо ли создавать большие реальные макеты. Ведь ПО с каждым годом усложняется, возможности увеличиваются. Может, обойтись виртуальной реальностью, космическими “ходилками” - рисуешь макет станции на компьютере и “ходишь” по нему? Однако эксперимент, некогда проведенный в сухопутных войсках, расставил все по своим местам. Были созданы две контрольные группы операторов для стрельбы из танковой пушки. Примерно с одинаковым уровнем подготовки. Первая группа занималась только на компьютере, вторая - на полномасштабном макете. И вот контрольные стрельбы на настоящем танке. У группы, которая готовилась только на компьютере, одни двойки; те же, кто готовился на тренажере, получают четыре-пять. Почему? Да все очень просто. Есть такое понятие, как кинестетические ощущения. Человек, “воспитанный” компьютером, когда ему нужно что-то сделать, будет подсознательно “кликать мышью”. Не потрогав, не ощутив через руки, кожу, он практически не в состоянии ничему научиться. Я помню, мы проводили тренировки, и у нас два экипажа подряд сломали один и тот же клапан. Мы сразу послали извещение головному разработчику, и он тут же поменял этот клапан. Но и экипаж тоже учится - ребята уже знают, какие в этих случаях усилия нужно прикладывать, где нажимать, что подкрутить...

Внутреннее устройство тренажера в точности

копирует космический корабль

Многое еще зависит и от привыкания к интерьеру. Это как в квартире: ищешь какую-то вещь, ну знаешь, вот она где-то здесь лежала - и не можешь вспомнить. А потом напряжешься - и вспоминаешь. Это работает мышечный фактор, мышечная память. Восстанавливая подробности в памяти, все-таки вспомнишь, куда ты ее положил. Так же и в космонавтике. Если нет полномасштабного макета, невозможно создать полную иллюзию.

Кстати, американцы, когда мы начинали вместе работать, делали упор именно на виртуальную реальность. Однако сейчас они развернули макет корабля и идут по нашим стопам, но с запозданием. Первыми созрели до такого решения астронавты. Они проходят подготовку у себя по американскому сегменту, а у нас - по российскому. Им пришлось устранять появившиеся неприятности на функциональном грузовом блоке и выполнять монтажно-демонтажные работы. Нужно было поменять блоки, но когда они начали открывать их на тренажере, у них не сразу получилось - потребовалась помощь инструктора. Проделав же все собственными руками (во время полета они успешно выполнили задание), признали эффективность нашего подхода.

Так как ведущей тенденцией российского космического тренажеростроения является максимальное приближение к условиям космического полета, мы применяем только реальные макеты. А это означает, что мы постоянно вынуждены сопрягать эти реальные макеты с моделирующими вычислительными системами. Соответственно нам необходимы устройства сопряжения с реальными объектами (УСО), промышленные шины, промышленные контроллеры и технологии Internet, Ethernet для привязки к другим системам. Все эти проблемы нам помогает решать компания “РТСофт” - она делает УСО и занимается АСУ ТП.

Будущее космических тренажеров

В работах по МКС участвуют и американцы, и европейцы, и каждая сторона сейчас создает собственные отдельные тренажерные комплексы. На орбите же станция едина, хоть и состоит из разных модулей. Следовательно, возникает задача реального моделирования единой станции из тех частей тренажерных комплексов, которые расположены в разных странах. Первый способ решения этой проблемы - обмен имитаторами. Например, к нашему тренажеру подключается имитатор американского сегмента, произведенный американцами. Однако такой способ ввиду различия технологических подходов, школ моделирования, программирования очень сложен. Тем не менее нам все же удалось сделать эту трудную работу, потому что в ее основе лежала техническая целесообразность, которая, в свою очередь, привела и нас, и американцев с европейцами к одним и тем же решениям на базе открытых технологий (одинаковых шин, Ethernet, оптоволоконных линий FDDI, одинаковых ОС Unix или VxWorx). Только благодаря тому, что мы использовали эти открытые технологии, в конце концов нам осталось сопрягать лишь сами модели, ибо системная платформа была сопряжена изначально. Например, стыковка операционных систем была достигнута в силу применения протокола TCP/IP. Сопряжение же графических пакетов с обеих сторон не составило большого труда, поскольку сами эти пакеты написаны на одном языке и никому не надо было объяснять, что такое Web, что такое Internet, что такое HTTP.

Разработку стоек УСО

выполнила компания RTSoft

Второй же путь, активно сейчас прорабатываемый, - это дистанционное взаимодействие комплексов. Все-таки адекватность именно настоящих моделей гораздо выше их имитаторов. А значит, желательно, чтобы экипаж, который готовится к полету, работал и с российскими, и с американскими моделями независимо от того, где они находятся - в Хьюстоне или в Звездном городке. Современные технологии, и в том числе и открытые, позволяют решить эту проблему с помощью удаленных телекоммуникационных систем доступа. Примерно так, как это происходит в сети Internet. Поэтому сейчас мы стремимся на базе Web-решений организовать одновременное дистанционное моделирование в России, Европе, Японии и Америке, “обвязав” сегменты с помощью имеющихся каналов и технологий и заставив работать в реальном масштабе времени. Здесь возникают только чисто организационные вопросы: разница во времени, увязка планов загрузки тренажерных средств. Но эти решения при значительных начальных вложениях дают впоследствии экономию хотя бы на взаимных поездках специалистов. Ведь в таком случае любой специалист получает возможность моделировать, находясь в любой точке земного шара.

Тренажеры и АСУ ТП

Можно найти много общего между АСУ ТП и тренажерами. Это - привязка к реальному оборудованию нижнего уровня (неважно, о чем идет речь, - о доменной печи или элементе космического корабля). Это и некоторая система, моделирующая химический процесс либо логику работы бортовых систем и динамику космического полета. Это и средства отображения (пульт инструктора в космическом тренажеростроении, SCADA-системы в АСУ ТП). То есть близкие решения, которые можно взаимно использовать, поскольку их функциональные назначения одинаковы. Но требования в тренажеростроении гораздо жестче. Ведь если время реакции при управлении домной составляет минуты и секунды, то человек реагирует в доли секунды. Значит, за сотню миллисекунд мы должны смоделировать все: рассчитать динамику полета, логику работы бортовых систем, преобразовать сигналы, выдать их на устройства сопряжения, перевести в телевизионную картинку системы имитации визуальной обстановки, рассчитать положение объекта, развернуть его и решить, какое изображение подавать в иллюминатор (на каком удалении, под каким углом, с каким освещением). И все это надо сделать в условиях жесточайшего реального времени - за сотню миллисекунд.

Связь с другими отраслями

Такой подход применим и в других отраслях, например в разработке тренажеров для операторов атомных станций, нефтеперерабатывающих заводов. Разве можно допустить человека управлять сложным нефтяным комплексом, прочитав ему пару лекций? Конечно же нет. Стало быть, для качественного обучения нужны тренажеры, причем такие же, как и в космическом тренажеростроении. И аналогичные центры для промышленности уже создаются на тех же принципах, которые были обкатаны в космическом тренажеростроении.

Оказывается, тренажеры нужны не только для специалистов-операторов, но и для менеджеров. Обкатка менеджмента на тренажере предприятия существенно повышает качество управления. Это давно поняли на Западе, где вовсю внедряются подобные технологии обучения, если уж пошла речь об экономической эффективности тренажеростроения вообще и космического в частности. То есть принципы, отработанные в космическом тренажеростроении, дорогие не только в плане вложенных в них денег; они вполне могут еще и приносить доход, причем немалый.