Система наведения и управления космического корабля "Аполлон"

Введение

Система управления космическими аппаратами "Аполлон"

Первичная система управления, навигации и контроля космических аппаратов "Аполлон" (PGNCS, произносится как "пинг") представляла собой автономную инерциальную систему навигации, позволявшую космическим аппаратам "Аполлон" выполнять свои миссии при прерывании связи с Землей, будь то ожидаемое, когда аппарат находился за Луной, или в случае отказа связи. Командный модуль (CM) и лунный модуль (LM) "Аполлон" были оснащены версиями PGNCS. PGNCS, и в особенности его компьютер, служили также центром управления для всех системных входных данных от LM, включая оптический телескоп для ориентации, радиолокационную систему, ручные устройства управления, используемые астронавтами для перемещения и вращения, а также другие входные данные от систем LM. PGNCS была разработана в Лаборатории инструментации MIT под руководством Чарльза Старка Дрейпера (впоследствии Лаборатория инструментации была названа в его честь). Основным подрядчиком по разработке PGNCS и производителем инерциального измерительного блока (IMU) было подразделение Delco компании General Motors. PGNCS состояла из следующих компонентов:

инерциальный измерительный блок (IMU)
компьютер управления Apollo Guidance Computer (AGC)
преобразователи (resolvers) для преобразования углов инерциальной платформы в сигналы, пригодные для сервоуправления
оптические блоки, один для CM и другой для LM
механическая рама, называемая навигационной базой (или navbase), для жесткого соединения оптических устройств и, в LM, радиолокатора сближения с IMU
программное обеспечение AGC

Версии

Командный модуль (CM) и лунный модуль (LM) использовали один и тот же компьютер, инерциальную платформу и резольверы. Главное отличие заключалось в оптическом блоке. Навигационная база была различной для каждого космического корабля, что отражало различные схемы монтажа. Радар сближения LM также был подключен к его навигационной базе. Существовали две версии PGNCS – Block I и Block II, соответствующие двум поколениям CM. После пожара на "Аполлоне-1", произошедшего в CM Block I, NASA приняла решение, что дальнейшие пилотируемые миссии не будут использовать Block I, хотя беспилотные миссии его использовали. Основные различия между PGNCS Block I и Block II включали замену электромеханических резольверов на полностью электронную конструкцию и замену навигационной базы Block I, изготовленной из бериллия, на раму из алюминиевых труб, заполненную пенополиуретаном. Навигационные базы Block II были легче, дешевле и столь же жесткими. Другим важным отличием между Block I и Block II была ремонтопригодность. Первоначальной целью программы "Аполлон" было обеспечение возможности ремонта электроники астронавтами. Соответственно, PGNCS Block I был разработан с использованием множества идентичных модулей, которые могли быть заменены запасными в полете при необходимости. Однако высокая влажность внутри отсеков экипажа и инциденты с биологическими жидкостями во время миссии Gemini 7 сделали нежелательным использование незагерметизированных электрических соединений. Цель ремонтопригодности была отменена в Block II, и все устройства и электрические соединения были герметизированы. Пилот командного модуля "Аполлон-11" Майкл Коллинз отметил, что видимость через оптику была неудовлетворительной, и в определенных условиях освещения было трудно видеть сквозь нее. Солнцезащитный козырек был добавлен в конце программы, в 1967 году, после испытаний и моделирования, которые показали, что астронавты могут не видеть звезды на лунной поверхности из-за прямого солнечного света или света, рассеянного близлежащими частями LM, попадающего на внешнюю призму. Добавление солнцезащитного козырька также позволило увеличить количество обзорных позиций с трех до шести.

The CM and LM used the same computer, inertial platform and resolvers. The main difference was the optical unit. The navbase was different for each spacecraft as well, reflecting the differing mounting geometries. The LM's rendezvous radar was also connected to its navbase. There were two versions of PGNCS—Block I and Block II—corresponding to the two generations of the CM. After the Apollo I fire, which occurred in a Block I CM, NASA decided that no further crewed missions would use Block I, though uncrewed missions did. Major differences between Block I and Block II PGNCS included replacing electromechanical resolvers with an all electronic design and replacing the Block I navbase, which was machined from beryllium, with a frame built out of aluminum tubing filled with polyurethane foam. The Block II navbases were lighter, cheaper, and just as rigid. Another major difference between Block I and Block II was repairability. An original goal for the Apollo program was for the astronauts to be able to make repairs to the electronics. Accordingly, the Block 1 PNGCS was designed with many identical modules that could be replaced with spares, if necessary, in flight. However high humidity conditions inside the crew compartments and accidents in handling body fluids during the Gemini 7 mission made having unsealed electrical connections undesirable. The repairability goal was eliminated in Block II and all units and electrical connections were sealed. Apollo 11 Command Module Pilot Michael Collins noted that the visibility through the optics was sub standard, and it was difficult to see through in certain lighting conditions. The sun shade was added late in the program, in 1967, after tests and modeling determined that the astronauts might not be able to see stars on the lunar surface due to direct sun light or light scattered by near by parts of the LM impinging on the outside prism. Adding the sun shade also allowed increasing the number of view positions from three to six.

Программное обеспечение

Бортовое программное обеспечение для наведения использовало фильтр Калмана для объединения новых данных с предыдущими измерениями положения, чтобы получить оптимальную оценку местоположения космического аппарата. Ключевой информацией являлась трансформация координат между неподвижным элементом инерциальной измерительной системы и системой координат отсчета. В терминологии программы "Аполлон" эта матрица была известна как REFSMMAT (от "Reference to Stable Member Matrix"). Использовались две системы координат отсчета, в зависимости от этапа миссии: одна с центром в Земле, а другая – с центром в Луне.

Навигационная информация

Несмотря на слово "первичный" в названии, данные PGNCS не являлись основным источником навигационной информации. Данные слежения от сети дальней космической связи НАСА обрабатывались компьютерами в Центре управления полетами с использованием алгоритмов метода наименьших квадратов. Получаемые оценки положения и скорости были точнее, чем те, что выдавала система PGNCS. В результате астронавты периодически получали обновления векторов состояния для ввода в AGC, основанные на наземных данных. PGNCS оставалась необходимой для поддержания ориентации космического корабля, управления ракетными двигателями во время маневров, включая посадку на Луну и взлет, а также служила основным источником навигационных данных при запланированных и незапланированных перерывах в связи. PGNCS также использовалась для проверки наземных данных. Лунный модуль располагал третьим средством навигации – системой аварийного управления (AGS), разработанной компанией TRW. Она предназначалась для использования в случае отказа PGNCS. AGS можно было использовать для взлета с Луны и стыковки с командным модулем, но не для посадки. Во время миссии "Аполлон-13", после наиболее критического маневра вблизи Луны, AGS была использована вместо PGNCS, поскольку требовала меньше электроэнергии и охлаждающей жидкости.

"Аполлон-11"

Во время миссии «Аполлон-11» два сигнала тревоги PGNCS (1201 «Нет доступных областей VAC» и 1202 «Тревога исполнительной программы, нет рабочих наборов») были переданы в центр управления полётами во время попытки первой лунной посадки 20 июля 1969 года. Перегрузка компьютерной системы была вызвана одновременным приёмом данных посадочного радара и радара сближения. Специалисты центра управления полётами пришли к выводу, что эти сигналы тревоги можно безопасно игнорировать, и посадка прошла успешно.