Мысли о дальних полетах...

Вот много разных проектов и прожектов марсианских экспедиций я видел, в основном на форумах НК и вот теперь тут. Очень интересно наблюдать ломку копий об характеристические скорости, возможности применения модулей ДОСов в качестве модулей межпланетного корабля, однопусковые и многопусковые схемы и т.д. и т.п. Все это замечательно. А вот кто-нибудь задумывался о том, как строить управление такой миссией? Как управлять кораблем? Как распределить роли Земли, экипажа и бортового комплекса в процессе управления? Между прочим, задачка не проще, чем проектирование самого корабля. Я уж не говорю, что это один из важнейших вопросов любого проекта. Возникает ощущение, что все думают, что пилотируемый межпланетный комплекс – это АМС «Луна-16» к которой кабину экипажа присобачили. А между тем, задумайтесь вот над чем: для управления современными крохотными АМС с мизерным объемом управляющей и маленьким телеметрическим потоком пришлось создавать грандиозную сеть DSN. И каждый сеанс связи – это целое событие. А ведь пилотируемы комплекс потребует совершенного иного, качественно иного подхода к управлению кораблем. Не надо строить иллюзий на счет того, что экипаж справится с такой задачей. Ему потребуется колоссальная поддержка с Земли. Причем не только для обеспечения выполнения научной программы, там своих проблем вагон и маленькая тележка. Даже для выполнения рутинных работ по обслуживанию бортовых систем и их управлению потребуются большие усилия. Опыт полетов на орбитальных станциях (это весьма слабое приближение к марсианскому кораблю по насыщенности и сложности систем, но другого пока нет) показывает, что не удается подготовить универсальных специалистов, которые могли бы самостоятельно решать все задачи по управлению и обслуживанию бортовых систем. Да это и не оправданно, время экипажа очень дорого (и в прямом, и в переносном смысле). Значит надо обеспечить возможность передачи очень больших объемов управляющей информации с Земли на межпланетные расстояния, приема огромного потока телеметрии. Добавьте временные задержки распространения сигнала. Что делать? Строить автономную систему управления? Боюсь, что не получится, так как детальная программа полета не может быть сформирована заранее, до запуска. Она будет уточняться и фактически формироваться непосредственно в процессе полета. Этот процесс отработан на ДОСах, но здесь есть качественный переход, вызванный расстоянием. В общем, та еще проблема. Я ее в сущности только слегка обозначил здесь. Нет желающих обсудить?

>>>Не надо строить иллюзий на счет того, что экипаж справится с такой задачей. Ему потребуется колоссальная поддержка с Земли.

ИМХО, экипаж должен быть особенный, на порядок лучше подготовленный, чем сегодняшние космонавты. Эдакие многопрофильные профессора с железным здоровьем и стальными нервами. Лучше всего, если бы они готовились всю жизнь к конкретному полету на конкретной технике. Чтобы жить на данном корабле для них было так же естественно, как дышать.
Можно, я думаю, отобрать и воспитать таких людей из шести миллиардов?
Поддержка Земли, конечно, будет, но в основном добрым советом. Полагаться экипажу лучше на себя. А то, если связь с Землей прекратится, что же им, передохнуть, что ли?

>>Возникает ощущение, что все думают, что пилотируемый межпланетный комплекс – это АМС «Луна-16» к которой кабину экипажа присобачили. А между тем, задумайтесь вот над чем: для управления современными крохотными АМС с мизерным объемом управляющей и маленьким телеметрическим потоком пришлось создавать грандиозную сеть DSN

Присутствие на КА экипажа не только предъявляет дополнительные требования к КА, но и повышает его "живучесть". Человек - это мозги, глаза и руки и его наличие на корабле дает массу преимуществ, в т.ч. в конструкторских решениях. Например, статистика посадок на Луну пилотируемых аппаратов не в пример лучше, чем беспилотных, не в последнюю очередь за счет включения в контур управления человека.

Радостно видеть на унылом фоне интересную тему. Спасибо.

Самый поверхностный анализ возможных сценариев полета к другим планетным системам с высадкой на поверхность выявляет следующие проблемы:
1. Подготовка экипажа. Подготовка пилотов посадочных модулей (могут совмещать обязанности с бортинженерами) – 2 человека; подготовка специалистов для управления, ремонта и обслуживания бортовых системам нескольких разнотипных КА, составляющих межпланетный пилотируемый комплекс – бортинженеры – 2 человека. Требуется дополнительная подготовка пилота;подготовка специалистов для проведения научных исследований и экспериментов – операторы-исследователи (не путать с учеными, настоящий ученый вряд ли станет космонавтом, за редким исключением) – 2 человека;
2. Создание бортового комплекса управления с высокой степенью автономности, обеспечивающего решение задачи краткосрочного планирования операций;
3. Создание серии разнотипных КА поддержки, обеспечивающих активную ретрансляцию больших потоков данных, циркулирующих между межпланетным пилотируемым комплексом и ЦУП, метеонаблюдения поверхности планеты. Сюда надо включать и наземный сегмент, ими тоже управлять надо. Разнотипные, потому что часть надо размещать на планетоцентрической синхронной орбите, часть в межпланетном пространстве по трассе перелета (тоже своего рода мини АМС). Объемы передаваемых данных – десятки Мбит/с на борт, сотни Мбит/с с борта, плюс полоса для передачи служебных данных, данных метеонаблюдений (обработка данных и выдача информации экипажу придется делать на Земле, иначе придется включать в экипаж еще и метеоролога, точнее, планетолога)…
4. Создание нескольких активно взаимодействующих центров управления полетом межпланетного пилотируемого комплекса и КА поддержки.
5. Создание специализированной сети связи, аналогичной советской сети центров дальней космической связи или DSN. Сеть должна быть специализированной, так как DSN и существующие сети работают по нескольким независимым программам в соответствии с выделяемыми квотами. А здесь должен быть обеспечен наивысший приоритет для выполнения основной миссии.

ИМХО, будущий МКК должен управляться автаномно - экипажем. Без участия Земли. Или хотя бы иметь такой режим, на случай кризиса на Земле

Alek, 21.11.2003 20:13:43:

ИМХО, будущий МКК должен управляться автаномно - экипажем. Без участия Земли. Или хотя бы иметь такой режим, на случай кризиса на Земле

 

ПОЛНОСТЬЮ ПОДДЕРЖЫВАЮ !!!
Современный уровень техники позволяет сделать КК управляемымим только екипажа при помощи бортового компьютера. Если это не сделано, значит мы к полету не готовы.

Экипаж, как мне представляется, в управлении кораблем участвовать не будет, это задача компьютера. Видимо, управлять будет бортовой компьютер, а наземный будет его перепроверять. Экипаж будет заниматься обслуживанием бортовых систем, специалисты на Земле - давать полезные советы. Насчет "приема огромного потока телеметрии", думаю, можно особо не беспокоиться: уже сейчас объемы научной информации, передаваемой с зондов на Землю, очень велики. Кстати, Andy, откуда эти цифры: "десятки Мбит/с на борт, сотни Мбит/с с борта"?

Посадка на Марс тоже должна быть в автоматическом режиме. Как, впрочем, и на Землю . В ручном режиме можно проводить только стыковки-расстыковки, если потребуется.

Из КА поддержки могли бы пригодиться ретрансляторы на орбите Марса, если мы хотим иметь непрерывную связь с экипажем. Но хотим ли мы иметь непрерывную связь? Так ли уж она необходима при тех задержках сигнала, которые будут? Другое дело - непрерывная связь "поверхность Марса - орбита Марса", которую хотелось бы, но которую вряд ли (раз даже на Земле не можем).

А ЦУП, по моему мнению, должен быть один. В крайнем случае два: один основной, второй резервный. У семи нянек, как известно...

Думаю надо ставить вопрос шире, и рассматривать связь с пилотируемым кораблём как частный случай проблемы передачи больших объёмов информации на межпланетных растояниях.

По поводу потоков информации. Оценка достаточно грубая, базируется на опыте ДОСов - по два потока по 256 кбод с каждого крупного модуля, по одному такому же с каждого корабля в составе комплекса, это вниз. Размерность межпланетного комплекса на порядок, если не на два больше, это по числу систем и по количеству контролируемых параметров, значит и полоса должна быть шире, это только по телеметрии. Без контроля на Земле трудно будет давать экипажу адекватные рекомендации. Да и бортовые вычислительные комплексы не способны будут распознать, а главное, парировать нештатные ситуации, которые не были предусмотрены заранее, а их будет немало, от этого не уйти. Поток с борта - с учетом данных по науке и видео. Информацию, по крайней мере немалую часть ее, надо гнать на Землю сразу, не ожидать возвращения экспедиции. На борту ее некому будет детально проанализировать и скорее всего изменять программу полета и исследований. Я с трудом представляю на борту большое количество серьезных специалистов в разных областях знаний.
Командная информация тоже потребуется в большом количестве. Особенно для передачи данных по планированию полета и при смене версий программного обеспечения бортовых компов. Для разных этапов полета оно потребуется разное. Да и ошибки надо будет исправлять. Словом, это тоже та еще песня. Меня, если честно как раз эта сторона проблемы интересует в большей степени.
Я согласен, что большинство операций должны проводиться автоматически. Но вот посадка на поверхность? Скорее всего в полуавтоматическом. С участием пилотов.

Кроме того передаваемую на межпланетные растояния информацию нужно как минимум дублировать, а ещё лучше троировать, причём повторную передачу данных желательно разносить по времени. Иначе при потере пакетов в случае повторного запроса, в марсианском варианте, мы можем получить задержку более часа. А за это время может много чего "интересного" произойти, не говоря уже о том, что просто ждать долго.

Alek, 21.11.2003 20:13:43:

ИМХО, будущий МКК должен управляться автаномно - экипажем. Без участия Земли.

 

К этому можно лишь добавить:

- работа по управлению должна быть работой лишь одного человека, и то не единственной. Человек должен заниматься ею не более интенсивно, чем матросы стоят вахту, т.е. фактически присматривать "на всякий случай".
- бортовая система управления кораблём должна самостоятельно справляться со всеми задачами управления системами корабля, и лишь в исключительных случаях звать на помощь человека.

И главное. Мне кажется что тут предлагается полететь на Марс на паровозе, и вопрос ставится чего бы такого ему в дрова подсыпать чтобы он долетел.

au, 22.11.2003 18:50:33:

И главное. Мне кажется что тут предлагается полететь на Марс на паровозе, и вопрос ставится чего бы такого ему в дрова подсыпать чтобы он долетел.

 

Это точно

gofer, 22.11.2003 23:49:32:

Вроде это не техническая проблема, а системная. То есть, не зависимо от состояния техники на тот момент, задаётся вопрос какое участие экипажа, какое электроники, и какое Земли в экспедиции. В соответствии с ответами на те вопросы задаются новые вопросы. О пропускной способности связи, и т.д... Ещё раз, ВНЕ зависимости от состояния технологий. Это же первый, экспериментальный полёт.

Например если экипаж совсем в бортовых системах не тренирован, как здесь предлагалось (что то вроде подопытных кроликов значит), что он будет делать в аварийной ситуации? Экипаж маленький, так что о способности выйти из любой ситуации самому забудте. Системы сложные. Ведь состояние на борту должно быт про анализированно кем-то. Ктому же аварийные ситуации, и сбой в программном обеспечении, всегда анализируется в любой достаточно сложной системе предварительно.

Например возьмём Шатлл как зенит сложности космической техники на данный момент. За ним сотни высоко квалефицированных людей каждый день с земли следят когда он на орбите. Каждую ерунду с датчиков записывают и анализируют. Даже такие тривиальные вещи как вкючение/выключение двигателей без земли не обходитca. Или расписание на борту. Или кто чего сьел. Что не могли бы сейчас это под 100% контроль автоматики поставить??? Не в автоматикe дело. И это он в околоземной орбите летает не более недели, какой там Марс.

(Будут как на МКС, свои Windows 98 лаптопы каждый день перезагружать? "Вот зараза повисла опять, А мы почти у Марса" )

 

Я считаю что участие экипажа в непосредственном управлении кораблём на всём протяжении полёта должно быть нулевым, или стремящимся к нулю. Это значит что человек однажды ставит задачу кораблю, которая включает в себя необходимое количество планов Б — заранее просчитанных в спокойной обстановке.
При этом роль бортинженера должна быть в решении нештатных проблем, которые могут быть решены в рамках имеющихся на борту средств и ресурсов. Консультации с Землёй тоже в их числе.

Первый экспериментальный полёт марсианского корабля не помешало бы провести до Луны и обратно в автоматическом режиме и без пассажиров.

Экипаж присутствует на борту не для того чтобы его чинить и стучать монтировками по блокам, а для некой научной миссии, которая невыполнима автоматами. Иначе в пассажирах нет никакого смысла. Поэтому экипаж должен быть тренирован в своих областях, а корабль их должен туда доставить. Некто среди экипажа должен быть бортинженером и пилотом, возможно одновременно, учитывая ограниченность численности экипажа. В нештатных ситуациях первой будет реагировать и стабилизировать ситуацию система управления, а потом бортинженер может проанализировать ситуацию, проконсультироваться с Землёй при необходимости, и что-то поправить. Расчитывать на то что он будет вести какой-то масштабный ремонт не нужно. Если экипаж не сможет справиться с проблемой, значит им не повезло. Характер миссии таков, что риск неизбежно будет высоким. Впрочем, никто не заставляет пулять на Марс людей — это чисто искусственный параметр полёта. По-моему ясно что при тех же затратах можно снарядить тот же корабль такой научной миссией, что результатов мало не покажется НИКОМУ. А с пассажирами на борту слишком много внимания и ресурсов будет уделяться балласту (пассажирам в дороге, всей СЖО, защитам, расходам связи, и огромному фактору непредсказуемости, вносимому живым грузом с мнением у каждого).

Шаттл - зенит? Ню-ню...

Если посмотреть на способы управления такой довольно сложной системой как самолет, то что-то мне говорит о том, что ЦУП для него будет явно поменьше, чем для какого-нибудь космического аппарата.

Все-таки, мне представляется, что современные методы управления космическими аппаратами концептуально не слишком отличаются от тех, которые применялись для ракет в Пенемюнде, когда Пентиумы были, ну, скажем, гораздо слабее

Если под управлением кораблем понимать чисто управление полетом корабля, то только компьютер. Там же нет дорожной разметки, чтобы посадить водилу за руль . Если же управление понимать в более широком смысле - как управление работой бортовых систем - то тут человек должен поучаствовать. Гаечные ключи на борту всё-таки нужны, хотя бы из психологии

Насчет посадки с участием пилотов. Да, мы много раз слышали, как Армстронг отвел посадочный модуль в сторону от большого камня. Но что-то у меня такое имхо, что на Марсе такой трюк не пройдет. Масса взлетно-посадочного корабля на поверхности Марса - 40 тонн, g более чем в 2 раза превышает лунное... Попробуй тут поманеврируй!

au>Мне кажется что тут предлагается полететь на Марс на паровозе

Нет, на электровозе! Паровоз - это ЯРД Топка, которая греет воду... тьфу, водород! А также слегка подогревает экипаж гамма-излучением

V.B., 23.11.2003 13:46:59:

Нет, на электровозе! Паровоз - это ЯРД Топка, которая греет воду... тьфу, водород! А также слегка подогревает экипаж гамма-излучением

 

Ну, тогда, все-таки, на паровозе. Только нужно будет не забыть отцепить его от состава

Итак, дискуссия остановилась. Может быть ее немного оживить? И перенести на форум НК?
Почитав реплики, я понял, что необходимо определиться в понятии того, что есть управление полетом. Существует классическое определение, данное в энциклопедии «Космонавтика» под ред. В.П. Глушко. Можно придумать другое, суть от этого не изменится. Важно, что процесс управления полетом КА всегда состоит из нескольких этапов: определение задач полета (или этапа полета), планирование операций для решения запланированных задач, реализация операций. Каждый из названных этапов в свою очередь распадается на целый ряд других. Вот и хотелось бы рассмотреть эти этапы применительно к поставленной задаче управления полетом межпланетного пилотируемого комплекса (МПК). Для этого необходимо определить основных участников процесса управления. Традиционно их три: наземный комплекс управления, точнее ЦУП, бортовой комплекс управления и экипаж. Для российского сегмента МКС для каждого этапа процесса управления установлены свои приоритеты участия указанной тройки. Итак:
1) Определение задач полета (стратегическое планирование) – выполняет только ЦУП, БКУ не участвует, экипаж может принимать ограниченное участие в некоторых особых случаях.
2) Планирование операций для решения задач этапа полета. Распадается на ряд отдельных задач – краткосрочное планирование (одна-две недели), оперативное планирование (сутки). Здесь распределение приоритетов следующее: ЦУП, экипаж ограниченно). БКУ не участвует.
3) Реализация. Здесь картина уже значительно более сложная. Формально приоритеты таковы: 1) ЦУП, 2) БКУ, 3) экипаж. Но сложность в том, что реализация программы полета – это многогранный процесс. Он содержит как программу изменения состояния бортовых систем, конфигурации программного обеспечения БКУ, так и управление отдельными системами и их комплексами по предопределенным алгоритмам. Если бортовые программы полета задает ЦУП, он же и контролирует их исполнение, то управлением системами и комплексами занимается БКУ. В реальности осуществляется активное взаимодействие ЦУПа, БКУ и экипажа.
Для орбитальной станции существующей размерности на околоземной орбите такое распределение роли и ответственности представляться оптимальным. Хотя есть и другое мнение. Высказывалось мнение, что ЦУП вообще не нужен, достаточно экипажа и БКУ, в пример приводились ПЛАРБ. При этом как-то забывалось, что экипаж ПЛАРБ составляет 100-120 человек, половина из которых непрерывно стоят вахту. И никаких научных программ. Конечно, теоретически можно представить, что на борту КА экипаж определяет задачи полета, составляет программу полета и вводит ее в БКУ. БКУ реализует программу и управляет системами. Но тогда возникает вопрос: а когда экипаж будет заниматься наукой? Ведь оперативное планирование – процесс непрерывный.
Для МПК распределение роли и ответственности в процессе управления естественно должно быть иным. Причем оно будет меняться в зависимости от этапа полета. Вот здесь важно выработать и обосновать критерии, по которым придется менять роль субъекта управления в зависимости от этапа полета МПК. Здесь еще одна сложность. Сейчас непросто спрогнозировать развитие вычислительной техники и программного обеспечения на ближайшие 20…30 лет. Я далек от мысли, что этот процесс будет носить характер линейного хотя бы роста. Произойдет насыщение на каком-то уровне. Кроме того, если учесть немалую длительность разработки и ботовых систем, и бортовых комплексов управления, то не приходится надеяться, что через 20 лет на борту КА появится нечто, кардинально отличающееся от используемого сейчас. Развитие космической техники носит эволюционный, поэтапный характер. Если рассмотреть бортовой комплекс управления, бортовые системы МКС, то станет очевидным, что процент новизны по сравнению со станциями 2-го поколения («Салюты», «Алмазы», Skylab) там составляет 10-30%, не более. А ведь это уже вторая станция 3-го поколения (первым был комплекс «Мир»). Именно это обстоятельство и обеспечивает устойчивость эксплуатации таких станций. И всякие попытки совершить революцию пока приводили к провалам. Примеров тому немало. Я не случайно в качестве исходной точки для анализа возможных вариантов построения процесса управления полетом МПК выбрал современные ОС, как наиболее сложные, на данном этапе, космические комплексы. Мне представляется, что перспективный экспериментальный МПК будет создаваться на основе существующих ОС. Точнее, на основе существующих технологий создания ОС.

Правильно. МПК должны плавно эвалюционизировать из ПОС. Подобные проекты более обоснованы и продуманны, чем другие планы создания МПК.

Andy_K64, 11.12.2003 15:46:11:

И перенести на форум НК?

 

Вы считаете, что это пойдет на пользу?

Andy_K64, 11.12.2003 15:46:11:

Для орбитальной станции существующей размерности на околоземной орбите такое распределение роли и ответственности представляться оптимальным. Высказывалось мнение, что ЦУП вообще не нужен, достаточно экипажа и БКУ, в пример приводились ПЛАРБ. При этом как-то забывалось, что экипаж ПЛАРБ составляет 100-120 человек, половина из которых непрерывно стоят вахту. И никаких научных программ. Конечно, теоретически можно представить, что на борту КА экипаж определяет задачи полета, составляет программу полета и вводит ее в БКУ. БКУ реализует программу и управляет системами. Но тогда возникает вопрос: а когда экипаж будет заниматься наукой? Ведь оперативное планирование - процесс непрерывный.
Для МПК распределение роли и ответственности в процессе управления естественно должно быть иным. Причем оно будет меняться в зависимости от этапа полета. Вот здесь важно выработать и обосновать критерии, по которым придется менять роль субъекта управления в зависимости от этапа полета МПК.

 

По поводу "ЦУП вообще не нужен" это конечно "экстрим", но роль его не может не измениться хотябы по той причине, что при полете к Марсу, например, интервал времени "вопрос-ответ" может достигать 40 минут. Вот эдесь встает вопрос о численности экипажа МПК с точки зрения управления полетом в связи с изменяющимися условиями по сравнению с ПОС. Плюс не стоит забывать, что уже сейчас на обслуживание и ремонт МКС по некоторым данным требуется 2,5 человек. (хотя методика подсчета мне не понятна). Этапы полета: орбита Земли, перелет к другой планете, орбита другой планеты. И если на этапе орбиты Земли управление МПК будет мало отличается от ПОС, то по мере удаления от Земли отличия будут возрастать. Критериями для смены роли субъектов управления может являться прохождение предусмотренных в случае возникновения аварийных ситуаций "точек возврата" для каждого этапа.

Andy_K64, 11.12.2003 15:46:11:

Здесь еще одна сложность.
...
Если рассмотреть бортовой комплекс управления, бортовые системы МКС, то станет очевидным, что процент новизны по сравнению со станциями 2-го поколения («Салюты», «Алмазы», Skylab) там составляет 10-30%, не более. А ведь это уже вторая станция 3-го поколения (первым был комплекс «Мир»). Именно это обстоятельство и обеспечивает устойчивость эксплуатации таких станций. И всякие попытки совершить революцию пока приводили к провалам. Примеров тому немало.

 

Не сочтите за труд, хотябы вкратце перечислить, так сказать для общего развития.

Не сочтите за труд, хотябы вкратце перечислить, так сказать для общего развития.

 

Ну хотя бы история с Venture Star. Излишне амбициозный футуристический проект.

Да не футуристический он вовсе... технически-то вполне реализуемый, на мой взгляд, конечно . Закрыли его по другим причинам.

avmich, 16.12.2003 18:10:06:

Да не футуристический он вовсе... технически-то вполне реализуемый, на мой взгляд, конечно . Закрыли его по другим причинам.

 

В этом мире много чего технически реализуемого. Вопрос лишь в цене. И много официальных версий закрытия тех или иных проектов.