Главная страница >  Цитатник 

Динамика полета космических летательных аппаратов

Прежде чем останавливаться на вопросах ориентации человека в пространстве и времени вне Земли (и в соответствующих модельных условиях), имеет смысл хотя бы кратко осветить некоторые особенности динамики полета космических летательных аппаратов и роли космонавта в системе «человек — космический корабль». Динамика полета космических летательных аппаратов

КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ Личность всегда главное; человеческая личнсть всегда должна быть крепка, как скала, ибо на ней все строится. И.С.Тергенев

В космических полетах основные энергетические затраты падают на преодоление сил инерции и гравитации. С трением же приходится иметь дело главным образом лишь при полете в плотных слоях атмосферы. Поэтому роль ракетных двигателей заключается в значительной мере в том, чтобы сообщить космическому кораблю определенную скорость, необходимую для преодолений силы тяжести планеты, и вывести его на орбиту или на межпланетную трассу, или на посадку. Затем (если не считать посадки и подвода к ней) космический аппарат перемещается с выключенными двигателями по инерции. Такой полет идет по законам небесной механики, в частности по ньютоновскому закону всемирного тяготения.

При управлении тем или другим средством транспорта всегда учитывается среда, в которой происходит движение, и силы, воздействующие на объект управления. На Земле существенной является сила трения о земную поверхность или о воду. Из-за этого при остановке двигателей поступательное движение автомобиля, теплохода, подводной лодки и т. д. после прохождения небольшого расстояния «по инерции» быстро прекращается. В итоге работа двигательных установок оказывается необходимой на всем пути следования. Расчеты показывают, что для земных транспортных средств затраты энергии возрастают пропорционально увеличению длины пути. Силы же инерции, которые приходится преодолевать при разгонах, поворотах и остановках, составляют небольшой процент по сравнению с общим расходом энергии при передвижении.

Следует отметить, что огромные скорости перемещения космических кораблей в пространстве, исключительная сложность задач по расчету и реализации траекторий полета и ряд других обстоятельств вызвали в свое время у многих зарубежных ученых скептическое отношение к возможностям успешной деятельности человека в этих условиях и фетишизацию возможностей автоматической аппаратуры. Но уже в первом американском орбитальном космическом полете космонавту Гленну в связи с отказом автоматики пришлось приземлять корабль по ручному циклу. В своем отчете Гленн подчеркнул, что «на человека можно возложить большие обязанности по управлению космическим кораблем, чем было запланировано». Во многих областях безопасность возвращения человека может зависеть от его действий. Хотя в проекте «Меркурий» подобные положения не учитывались, однако и в этом проекте космонавт никогда не считался пассивным пассажиром. Даже там, где необходимы автоматические системы, благодаря присутствию человека надежность работы их значительно повышается. Полет на «Френдшип-7» является хорошим тому примером. Корабль мог и не пролететь по трем виткам и не вернуться на Землю, если бы не было человека на борту». Отказ автоматики имел место и на советском космическом корабле «Восход-2», ввиду чего его командир П. И. Беляев воспользовался ручным управлением. Он достаточно точно сориентировал корабль и включил тормозную двигательную установку в расчетное время.

По мере удаления от планетного тела сила притяжения, действующая на космический корабль, быстро убывает, а с приближением к другому небесному телу — столь же быстро возрастает. Очевидно, в пространстве имеется ряд точек, где гравитационное воздействие на космический аппарат со стороны каждого из обоих тел будет одинаковым. Эти точки образуют определенную поверхность, которая является границей области преобладания притяжения одного космического тела над притяжением другого. Для системы Земля — Луна, например, точки равных притяжений находятся на расстоянии 38 321 км от Луны и 346 079 км от Земли. Представим теперь полет космического корабля с Земли к какой-нибудь планете Солнечной системы. Поскольку после старта корабль должен иметь скорость, не меньшую второй космической, его движение будет происходить вначале по параболической или гиперболической орбите относительно Земли под действием в основном земного гравитационного поля. Затем характер траектории станет определяться преимущественно силой солнечного притяжения, а влияние планетных тел приведет лишь к небольшим возмущениям. Наконец, при приближении к планете-цели преобладающим окажется ее гравитационное воздействие. В общем расчеты траекторий космического корабля связаны с решением сложнейшей задачи нескольких небесных тел (скажем, Земля — корабль — Солнце — Венера), и реализация этих траекторий в полете потребует от космонавтов, несмотря на обилие автоматики, напряженной работы, немыслимой без достаточно адекватной пространственно-временной ориентировки. Рис. 1 Области преобладания притяжения каждого из двух гравитационно-взаимодействующих планетных тел в данном случае большого и малого

Из всего сказанного, очевидно, следует, что нужно не противопоставлять автоматические средства человеку или человека автоматическим устройствам, а находить наиболее рациональные пути и способы комплексного использования человеческих возможностей и автоматической техники.

Эти и другие факты убедительно показали, что какой бы ни была степень автоматизации на космическом корабле, руководящая и организующая роль в управлении им остается за человеком. Тем более усилится данная роль с дальнейшим все более серьезным усложнением задач, которые будут вставать перед космонавтами в связи с развитием всего комплекса работ по освоению космоса. Чем дольше отважные космопроходцы будут находиться вне нашей планеты и чем дальше они будут проникать в космические просторы, тем чаще им придется сталкиваться с непредвиденными ситуациями и явлениями, требующими достаточно быстрой и правильной реакции, в том числе и в области управления космической техникой. При этом далеко не всегда окажется возможным получение необходимых команд, советов, консультаций и т.д. (особенно своевременных) с Земли. Не говоря уже о вполне мыслимых случаях перерыва или потери связи космического корабля с наземным центром руководства полетом, придется считаться с фактом псе увеличивающейся с расстоянием временной задержки между моментом посылки информации на Землю и моментом приема ответной информации с Земли. Для Луны такая задержка составит около 2,5 сек., а для Венеры уже около 5 мин. И это — не считая времени, требуемого для выработки самого ответа на запрос космонавтов. Понятно, что никакое кибернетическое устройство не в состоянии заменить творческий интеллект и интуицию человека, без которых нельзя обойтись при решении и тем более — совершенно самостоятельном и весьма оперативном решении задач по управлению космическим кораблем в непредвиденных условиях.

Психофизиологические процессы также принципиально отличаются от процессов, протекающих в автоматических устройствах. И все же в деятельности человека и работе машины можно найти ряд общих моментов и черт, позволяющих сравнить возможности того и другого компонента системы.

Сопряжение человека и машины Исследование системы «человек — машина» может проводиться и проводится в разных аспектах. Важное место здесь принадлежит инженерной психологии, классическим объектом которой является деятельность человека в системах контроля и управления, точнее, взаимодействие человека и машины в таких системах. При этом, разумеется, надо учитывать, что работа последней и трудовая деятельность первого качественно различны. Человек, преобразуя природу, осуществляет достижение сознательно поставленных целей, тогда как машины есть лишь «исполнители» его воли, орудия его труда.

Чтобы управлять космическим кораблем, человек должен определенным образом воспринимать окружающую его обстановку, осмысливать полученную информацию и соответственно воздействовать на органы управления космическим летательным аппаратом. Между тем исследования показывают, что для прохождения нервного возбуждения от органов чувств к мозгу, переработки формации и ответной двигательной реакции требуется известно время. Небезынтересно в этом плане событие, происшедшее в конце XVIII столетия, событие, от которого ведет свое начало истории изучения психомоторных реакций.

Рассмотрим с позиций инженерной психологии, какие функции человек как звено в системе управления может выполнить лучше машины, а какие — хуже.

Время простой двигательной реакции, т. е. время от момента появления сигнала до момента начала двигательного ответа на него, впервые было замерено Гельмгольцем в 1850 г. Оно оказалось различным у разных людей (от 0,1 до 0,2 сек.). В случаях же незначительного усложнения эксперимента, например, когда требуется нажать кнопку в ответ на вспыхивание лампочки определенного цвета из нескольких, время двигательной реакции значительно возрастает — до 0,5 сек. и более.

В 1795 году директор Гринвичской обсерватории Маскели уволил астронома Киннбрука, так как он с опозданием на полсекунды отмечал прохождение звезд через меридиан. Ошибки Киннбрука в наблюдениях Маскелин установил сравнением его данных со своими, которые считал непогрешимыми. Однако через 30 лет после этого случая немецкий астроном Бессел обнаружил, что неточно отмечают время прохождения звезд через меридиан все наблюдатели, в том числе и Маскелин. Было выяснено, что у каждого из них есть свое среднее время запаздывания. Это время с тех пор учитывается в астрономических вычислениях в виде коэффициента, получившего название «личного уравнения».

Большой опыт авиационной практики и соответствующий экспериментальный материал свидетельствуют, что для оценки обычной ситуации в полете на реактивном самолете требуется примерно 1,5 – 2 сек. За такое время орбитальный космический корабль пролетит около 16 км. На первый взгляд кажется, что при такой скорости, не говоря уже о большей, космонавты вообще не могут реагировать на многие события, происходящие в космическом пространстве. Но это не совсем так.

Недостаточность быстроты психофизиологических реакций человека стала особенно заметно сказываться при управлении реактивными самолетами. Так, при скорости полета, втрое превышающей звуковую, перед самолетом появляется «слепое» расстояние, которое не воспринимается летчиком. Предметы впереди, кажущиеся ему еще удаленными на 100 м, на самом деле находятся уже рядом. Если два пилота будут лететь навстречу друг другу каждый с такой скоростью, причем один из них появится из облаков, то они вообще не увидят друг друга на расстоянии менее 200 м.

Чем ближе будет космонавт пролетать над Землей, тем меньше у него останется возможностей реагировать на воспринимаемые объекты. С высоты же 200 – 400 км Земля из иллюминатора корабля кажется медленно плывущей. В межпланетном полете ощущение скорости у космонавта вообще исчезнет. Однообразная картина предстанет перед ним. В одном иллюминаторе он увидит яркие немигающие звезды на фоне черного, как тушь, неба, в другом — ослепительно яркий диск незаходящего Солнца. Несмотря на движение с космической скоростью, все будет восприниматься застывшим и неподвижным. Таким образом, у космонавтов появится даже «избыток» времени при удалении корабля от небесных тел. Наоборот, при сближении с каким-либо небесным телом или с Землей будет возникать временной «дефицит». В этих случаях на помощь человеку придут автоматические средства. Специальная аппаратура, воспринимающая определенные сигналы из окружающей среды и передающая соответствующие команды исполнительным механизмам корабля, позволит ускорить реагирование на изменение обстановки в десятки и сотни раз.

Если мы смотрим из окна идущего поезда на насыпь, то нам видны лишь сплошные сливающиеся линии. Постепенно перенося взгляд дальше от окна, можно различить три зоны: слияния, мелькания и ясного видения отдельных предметов. Граница между первой и второй зонами помогает опытному летчику определить расстояние до Земли при посадке самолета.

В роли исполнителя команд человек также характеризуется большой пластичностью. Пользуясь одним и тем же двигательным аппаратом, он в состоянии выполнять самые разнообразные действия. В отличие от машины человек хорошо приспосабливается к управлению и может практически неограниченно улучшать это качество посредством учебы (тренировок), в то время как степень приспособляемости автоматической техники заложена в ее конструкции и увеличивается пока в общем незначительно. Как правило, существующие автоматические регуляторы строго специализированы. Человек же при некотором обучении с одинаковым успехом может осуществлять регулирующие функции во многих системах управления, сколь бы различными ни были их функциональные и структурные схемы. Он в состоянии сравнительно легко и часто менять программы, по которым должно совершаться регулирование. Он также способен в случаях тех или иных нарушений переходить от одного способа выполнения своих функций в системах управления к другим. Машина же в такой ситуации перестает работать или допускает грубые ошибки.

Для «выдачи» той или другой команды полученная от воспринимающего прибора информация должна быть переработана. Автоматические устройства могут справиться с такой задачей опять-таки гораздо быстрее человека, даже при условии значительной ее сложности. В последнем случае машина в состоянии сделать целую серию выводов из определенных предположений, отвергая неправильные или не лучшие для данной ситуации. Кибернетические устройства способны также выдавать и некоторые прогнозы на основе полученной и переработанной ими информации. Однако все это совершается лишь при условии введения в машину созданных человеком программ и в рамках этих программ. Если автомат встретится с каким-либо явлением или классом явлений, не предусмотренными программой, то он ничем не поможет человеку. Точно так же кибернетическая машина не может осуществлять такие операции по переработке информации, тип которых не предопределен в конечном счете ее конструктором. Короче говоря, огромная скорость кибернетической техники как в «восприятии», так и в переработке информационных потоков отнюдь не компенсирует совершенно недостаточную «сообразительность» и «находчивость» автоматов, особенно при столкновении с принципиально новыми событиями, процессами, объектами и т. д., которых в космосе должно быть особенно много. Здесь преимущества явно на стороне человека, который может проанализировать ранее не встречавшуюся ситуацию и дать ей правильную интерпретацию.

Так, американскими исследователями было проведено сравнение надежности работы бортовых систем космического корабля, полностью автоматизированных (с двойным, тройным, четырех— и пятикратным дублированием), а также включающих оператора. Вначале работа всех пяти систем была одинаково надежна. Но уже па четвертый день имитированного полета наметилось расхождение кривых по этому признаку. К концу 14-дневного периода надежность систем с двух-, трех— и четырехкратным дублированием не могла считаться удовлетворительной, а с пятикратным дублированием не была достаточно высокой. За то же время надежность работы системы, включавшей космонавта, мало изменилась и оказалась выше, чем у других систем. К тому же и вес ее был меньше веса последних, что для космических кораблей с их жесткими весовыми лимитами весьма существенно. Из всего сказанного пришлось сделать вывод о том, что использование космонавта в качестве оператора наиболее выгодно, эффективно и технически прогрессивно. Рис.2 Изменение надежности систем управления космических кораблей, полностью автоматизированных (с двух-, трех-, четырех- и пятикратным дублированием; кривые 1 - 4) и включающих человека (кривая 5)

Правда, человек подвержен усталости и скуке, что влечет за собой снижение качества работы при управлении кораблем, а такие психические состояния, как страх, растерянность, паника и т. д., могут повлечь за собой аварийную ситуацию и гибель людей. Машины лишены этих недостатков. Они, как правило, обладают большей устойчивостью по отношению к внешней среде и ее изменениям. И все же использование человека в качестве оператора в автоматической системе не только целесообразно, но и необходимо, что подтверждается специальными экспериментами.

Более подробное описание расчетов траекторий космических кораблей дано Л. М. Воробьевым в книге «Навигация космических кораблей». М., 1964.

Таким образом, человек с помощью разнообразных автоматических средств в состоянии точнее и надежнее, чем одни только автоматы, вывести космический корабль на заданную орбиту, скорректировать траекторию полета, выбрать наиболее подходящий участок для посадки на небесном теле и т. д. Отсюда необходимость оптимального сопряжения космонавта и космической автоматической техники, включения их в единую систему управления. Наиболее же рациональное сочетание возможностей человека и машины мыслимо только в том случае, если уже при проектировании космических кораблей будут в комплексе учитываться психофизиологические свойства оператора и технические характеристики автоматов.





Далее:
Его университеты.
ОБЛИК ЛУННОГО КОРАБЛЯ.
HAISE FRED.
Голованов Я.К. «Кузнецы грома».
Shepard Alan.
КАК ЭТО НАЧИНАЛОСЬ.
ЛУНА - КОСМИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ.
Глава 4.
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПИЛОТИРУЕМЫХ ПОЛЕТАХ СОВЕТСКИХ КОСМОНАВТОВ.


Главная страница >  Цитатник