Любая профессиональная деятельность требует длительной подготовки. Можно привести много примеров, но, бесспорно, процесс подготовки космонавтов уникален.

Сейчас только в служебном модуле международной космической станции «Альфа» установлено более десятка компьютеров. А их общее число, после завершения создания МКС, превысит сотню машин, связанных в локальные сети

Летчики — ближайшие коллеги космонавтов — учатся иначе. После теоретических занятий и тренировок на тренажерах летчик совершает свои первые полеты с инструктором. И только после того, как он покажет уверенное владение машиной и доведенную до автоматизма реакцию на нештатные ситуации, его отправят в самостоятельный полет. Космонавт лишен возможности работать под руководством инструктора. Он должен пройти весь тренировочный цикл на Земле.

В нашей стране этим занимается Центр подготовки космонавтов им. Ю. А. Гагарина. Он действует уже более 40 лет, с момента запуска программы пилотируемых полетов. Техническое оборудование и тренажеры ЦПК призваны полностью имитировать все возможные ситуации, чтобы космонавт без накладок выполнил всю полетную программу. По словам Бориса Наумова, начальника тренажерного управления ЦПК, при обучении экипажей всегда применялась вычислительная техника, и ее роль постоянно возрастала. Самые заметные изменения в применении компьютеров в космической программе произошли за последние 15 лет. Например, на «Салют-6» стояло несколько специализированных «вычислителей», на станции «Мир» было две бортовые ЭВМ и две информационные. Сейчас только в служебном модуле международной космической станции «Альфа» установлено более десятка компьютеров. А их общее число, после завершения создания МКС, превысит сотню машин, связанных в локальные сети. Все это хозяйство должно быть отражено и в тренажерном комплексе. Соответственно самой сложной задачей на сегодня является моделирование работы бортового вычислительного комплекса, его логики и алгоритмов навигации, полетного программного обеспечения.

IBM ThinkPad 760XD, выполняющий роль терми- нала на американском сегменте МКС «Альфа»

Для приближения наземных тренировок к бортовым условиям в ЦПК созданы макеты всех модулей, с которыми экипаж столкнется на различных этапах полета. Фактически это полнофункциональные аналоги реальных изделий, дополненные средствами виртуальной реальности. Благодаря компьютерам на тренировках создается обстановка, приближенная к полетной. Обработку информации на тренажерном комплексе станции «Мир» выполняли четыре «большие функционально-моделирующие машины» класса ЕС ЭВМ, которые впоследствии были заменены на мэйнфреймы Comparex. Сюда поступают данные еще от двух коммуникационных серверов, сортирующих информацию с машин нижнего уровня, которые собирают сигналы со всех датчиков и узлов управления тренажера. Опираясь на эти данные, моделирующие ЭВМ вырабатывают управляющие команды для имитаторов, а также звуки работающих систем и картинку в иллюминаторе. Реакция всех переключателей и кнопок строго подчиняется бортовой логике реального корабля, а звуки имитируются вплоть до щелчков реле. Кроме создания псевдореальных условий для тренирующегося экипажа, вычислительный комплекс обслуживает рабочие места инструкторов. Стенд инструктора, позволяющий контролировать модель, включает в себя средства сопряжения с вычислительной системой, пульты контроля и управления и повторители приборов корабля или станции. С их помощью инструктор координирует и контролирует действия экипажа и может имитировать различные нештатные ситуации.

Отечественная концепция космических полетов допускает в определенных случаях прямое управление кораблем, минуя компьютер. Поэтому вопросам ручного управления при подготовке экипажей до сих пор уделяется много внимания. Интересно, как всего несколько лет назад проходило обучение ручному сближению и стыковке. Тренажер был оптико-механическим устройством, сочетавшим в себе телекамеры и макет станции «Мир». В ответ на команды космонавтов электромоторы поворачивали макет, а телекамеры передавали изображение на мониторы, установленные перед экипажем. Сейчас для этих целей используется трехмерная компьютерная модель, которая проигрывается на стандартных ПК. С ее помощью космонавты отрабатывают телеоператорный режим сближения и стыковки со станцией грузовых кораблей. Использование средств компьютерной графики позволило упростить и удешевить процесс обучения. Там, где это допустимо, приборы и узлы управления заменяются аналогами на экране монитора. Скажем, нет смысла дублировать реальный блок предохранителей. Достаточно, если космонавт будет знать, где он расположен и как выглядит, совсем не нужно запоминать тактильные ощущения при смене перегоревшего предохранителя. Но полностью перейти на эмуляцию все же нельзя. Для проведения стыковки космонавту следует привыкнуть к настоящим ручкам управления, и на тренажере он должен пользоваться ими, а не мышью.

Тренажер ручной посадки с настоящими органами управления

За год до первого полета на МКС «Альфа» были созданы новые тренажеры, повторяющие модули станции. Отработанная за годы концепция построения тренажеров принципиальных изменений не претерпела. Стала использоваться новая вычислительная база, реализованы новые алгоритмы, соответствующие задачам МКС и отражающие ее технический уровень. Так как станция международная, необходимо проводить обучение не только наших космонавтов, но и их заокеанских коллег. Соответственно многие вопросы построения тренажеров нужно было решать согласованно, чтобы, с одной стороны, создать реалистичные тренажеры модулей, а с другой, учесть различия в подходах к процессу подготовки. В американском центре подготовки в Хьюстоне шире используется мощная вычислительная техника, и основной акцент делается не на создание осязаемых тренажеров, а на занятия с виртуальным модулем. Тренажеры, на которых занимаются астронавты, мало похожи на наши. Практически все реализовано средствами виртуальной реальности с отображением на рабочих станциях SGI. Такое решение в немалой степени обусловлено тем, что американский сегмент МКС чрезвычайно компьютеризован. Контроль за работой станции (даже включение и выключение освещения) ведется с терминала, который реализован на базе ноутбука IBM ThinkPad 760XD и подключается к бортовой локальной сети по радиоинтерфейсу. При этом используемая математическая модель тренажера оказалась чрезвычайно детализированной и усложненной: она учитывает множество второстепенных факторов — давление солнечного ветра, пористость поверхности станции и т. д. Для функционирования такой модели в реальном времени требуются гигантские вычислительные мощности, которых в ЦПК нет. Кроме того, нет смысла дублировать в нескольких учебных центрах одни и те же тренажеры. Поэтому наши космонавты для освоения американского сегмента МКС пользуются его виртуальной моделью, так же как американцы — виртуальной моделью российского. Сейчас ведутся эксперименты по объединению тренажерного комплекса, расположенного в Хьюстоне, с нашим ЦПК, а необходимая для этого информация передается между центрами подготовки по спутниковому каналу.

При проектировании тренажера российского сегмента МКС необходимо было учитывать его значительно большую по сравнению со станцией «Мир» насыщенность бортовыми вычислительными машинами. Эмулятор штатной бортовой вычислительной системы российского сегмента МКС моделирует ее с максимальным приближением к оригиналу; он основан на многопроцессорной системе на базе архитектуры SPARC. Все модели и бортовые системы просчитываются на нем, он же моделирует центральный компьютер, терминальные компьютеры, контроллеры управления отдельных систем станции и передает все это на макет станции и пульт управления. Для обеспечения функционирования тренажера были приобретены серверы SGI Challenge. В вычислительном комплексе использует два типа сетей: FDDI и Ethernet. Первая применяется для поддержки работе в масштабе реального времени, а вторая играет вспомогательную роль. По возможности сокращено число повторителей приборов станции; их роль выполняют виртуальные модели, которые запущены на ПК.

Серверы SGI Challenge, обеспечивающие функционирование тренажера МКС «Альфа»

При приобретении вычислительной техники в ЦПК предпочитают не связывать себя с каким-то одним поставщиком, полагая, что поставку стандартной техники необязательно проводить на эксклюзивной основе. Исключением является компьютерная платформа SGI, специалистов по которой в стране немного. Конечно, можно было заключить прямой договор с представительством, но круг решаемых задач существенно шире его возможностей. Он охватывает не только оборудование SGI, но и компьютеры других производителей, коммутационное оборудование и взаимодействие между ними. Кроме того, хотелось выбрать партнера из числа отечественных компаний. В итоге договор о сопровождении вычислительных средств тренажерных комплексов «Мир» и «Альфа» был заключен с NC Group/НВК «ВИСТ». Фактически, монтаж, настройку и сопровождение аппаратно-программных систем для ЦПК сотрудники компании выполняли и раньше. Теперь же сотрудничество приобрело официальный характер.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями