Уроки космоса
Личная история – 6Кватернионы, Шекспир и цифровой корабль
…Какие люди талантливые среди инженеров были! Ниже я расскажу о них. Я попал в отдел, который занимался системой управления корабля «Союз». Тогда уже планировали переходить от аналоговых устройств к цифровой системе, и меня подключили к работе над будущим бортовым компьютером. Первым моим руководителем стал Борис Михайлович Соколов – талантливый инженер, веселый, коммуникабельный человек, быстро становившийся душой любой компании. Обладатель сильного красивого голоса, он любил и умел хорошо петь. К тому же писал стихи по всякому поводу. И в любой поездке, в любой обстановке становился «начальником штаба», то есть организующим центром. Он взялся за меня серьезно, консультировал по диплому, давал небольшие задания, нужные отделу. Познакомил со своей красавицей женой Раей. Мы по-настоящему подружились с ним. С годами он стал гордиться тем, что был моим научным руководителем, а я до конца его жизни поздравлял с днем рождения и сейчас вспоминаю с большой благодарностью.
Комплекс № 3, занимавшийся системами ориентации и управления движением космических аппаратов, возглавляемый Б. В. Раушенбахом, состоял из двух отделов – проектно-теоретического отдела 311 (руководитель В. П. Легостаев) и проектно-конструкторского отдела (руководитель Е. А. Башкин). Оба отдела тесно взаимодействовали. Б. М. Соколов работал в отделе 312, и я, естественно, оказался там, что, впрочем, не мешало мне бывать и в отделе 311, куда попали мои сокурсники. Борис Михайлович вводил меня в курс дел. Он часто ездил к разработчикам и изготовителям бортового цифрового вычислительного комплекса «Аргон-16» в Научно-исследовательский центр электронно-вычислительной техники и обычно брал меня с собой.
На четвертом курсе мы три дня в неделю проводили «на базе», то есть на предприятии, на пятом – уже четыре дня в неделю. Нас приучали к реальной инженерной работе: мы выполняли пусть и небольшие, но практические задания по настоящему космическому кораблю. Потом шестой, дипломный курс я весь провел в Подлипках. Первые свои научные статьи на «космические» темы: опубликовал еще студентом о системе астронавигации и о многомашинном вычислительном комплексе для управления космическим кораблем.
Окончил Физтех по кафедре Б. В. Раушенбаха по специальности «управление космическими аппаратами». Дальше был обычный путь: после института пришел работать в конструкторское бюро, в котором уже освоился, будучи студентом, на фирму, сегодня всем широко известную как Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С. П. Королёва, а тогда – просто «почтовый ящик». На этот раз я оказался в отделе 311 (впоследствии при реорганизации его переименуют в отдел 033). Самым большим моим начальником, курировавшим разработку системы управления, был заместитель главного конструктора Борис Евсеевич Черток. Тогда он меня и не видел, настолько высоко надо мной стоял. Спустя годы мы подружились и даже работали вместе над книгой по космонавтике XXI в. Борис Евсеевич прожил без двух месяцев 100 лет. Я многому у него научился за четыре десятилетия. Б. Е. Черток курировал комплекс № 3, возглавляемый Б. В. Раушенбахом, с которым я познакомился еще студентом. Раушенбаху подчинялся начальник отдела Виктор Павлович Легостаев. Вскоре он сменил Раушенбаха на руководстве комплексом 3. Позднее, как и Раушенбах, тоже стал академиком. Когда я кое-чему в жизни научился и стал постарше, мы подружились и с ним. Последний год своей жизни он проработал генеральным конструктором РКК «Энергия». В. П. Легостаев рассказывал мне в манере библейской притчи:
У Королёва был Раушенбах.
У Раушенбаха был Легостаев.
У Легостаева был Бранец.
В отделе В. П. Легостаева я попал в сектор Владимира Николаевича Бранца – идеолога перехода на цифровые системы управления, которые он предложил строить на основе математики кватернионов.
Продолжу притчу В. П. Легостаева:
У Бранца был Семячкин.
У Семячкина был Миша Черток, младший сын знаменитого Бориса Евсеевича Чертока. Миша Черток и стал моим первым наставником, когда я (как и он, чуть раньше) окончил ту же кафедру Раушенбаха. Руководителем моей группы был Владимир Серафимович Семячкин – замечательный инженер-конструктор, в качестве хобби профессионально переводивший сонеты Шекспира, утверждая, что русские его переводы никуда не годятся, и даже опубликовавший книгу собственных переводов из английской и американской поэзии[8].
Я перечислил конструкторов, ученых и инженеров РКК «Энергия», которым бесконечно благодарен за знания, умения, навыки. Без них мне бы не стать космонавтом. Все они, кроме В. Н. Бранца, уже ушли из жизни. Слава Богу, Владимир Николаевич здоров и написал книгу «Записки инженера»[9] – о том, как шла работа над «цифровым» кораблем, на котором довелось летать и мне.
Относительно небольшая группа выпускников Физтеха – от Владимира Бранца до Михаила Чертока – сформулировала задачу создания цифровой системы управления космического корабля, и осуществила ее. Но мало того, что в управлении кораблем перешли на цифру. В основу построения системы были заложены принципы инерциального управления, реализованные в идеологии бесплатформенных инерциальных навигационных систем. На первый взгляд все было просто: необходимо проинтегрировать кинематические уравнения, в которых используются измеренные величины угловой скорости. Но эти операции нужно проводить бортовой вычислительной машине, у которой ограничены быстродействие и память, именно потому что ее ставят на борт, где требования по весам очень жесткие, то есть нужно найти минимальные по памяти и времени исполнения алгоритмы интегрирования.
И здесь сработало правило: наука едина; изначально она фундаментальная, а через век-другой может стать прикладной. В Дублине на мосту Брум Бридж висит памятная табличка, где сообщается, что, прогуливаясь именно здесь 16 октября 1843 г., английский математик лорд Гамильтон придумал математический аппарат, расширяющий операции трехмерной векторной алгебры для четырехмерных чисел, которые он назвал кватернионами.
Кватернионы – гиперкомплексные числа (которые каждый проходил в школе), но с одной действительной и тремя мнимыми компонентами. Эта система четырех параметров оказалась удобной для описания вращательного движения, в том числе для экономии памяти бортовой ЦВМ. Но, чтобы это понять, нужно быть достаточно образованным и начитанным. На русском языке кватернионам была посвящена всего она книжка, изданная в Казанском университете в 1912 г.! Более того, сама теория использования кватернионов в задачах ориентации твердого тела (для нас – космического корабля) еще не была разработана. Этим и занялись под руководством В. Н. Бранца выпускники Физтеха, работавшие в отделе 311. Визуально представить кватернион довольно сложно, но можно. Вообразите, что вы находитесь в центре сферы в начальной точке связанной с ней системы координат, так что, протянув руку, коснулись внутренней поверхности сферы. Это векторная (действительная) часть кватерниона. Ваша ладонь указывает направление вектора, а кончик ее определяет радиус сферы. Теперь начинайте вращать сферу, приводя ее в нужное положение. Конечный результат вращения и есть кватернион. Траектория вращения может оказаться довольно замысловатой, но в конечном счете суммарное вращение состоит из вращений вокруг осей привычной системы координат. Если менять длину вектора (радиус), сфера превратится в живописное сочетание сфероидных поверхностей – прямо на выставку современного искусства.
Работали целыми днями, часы не считали, домой уходили затемно, лишь короткие пятнадцатиминутки, остававшиеся от обеденного перерыва, тратили на шахматные блиц-турниры, ставя на часах по три минуты каждому игроку. Валерий Николаевич Платонов напевал слова из песни Владимира Высоцкого «Честь шахматной короны», которые точно передавали тяжесть частых ударов по кнопкам часов:
Ох вы, сильные ладони,
Мышцы крепкие спины!..
В это время раскрывалась дверь, входил Владимир Серафимович и прямо с порога произносил коронную фразу: «А я бы в этой позиции сделал шах!»
Так под стук шахматных часов в краткие перерывы и разрабатывалась теория кинематических преобразований на основе кватернионов, позволившая уйти от алгоритмов вычисления направляющих косинусов, выражаемых через традиционные углы Эйлера – Крылова, на что производительности бортовой ЦВМ не хватало. Компоненты кватерниона вычислялись вовсе без тригонометрических функций, которые доставляют особые неприятности, когда, оказываясь в знаменателе дроби, обращаются в ноль.
Корабли с цифровой системой управления получили к названию «Союз» индекс «Т». Созданные технические решения впоследствии стали использоваться и для орбитальных станций, включая МКС, приняли их и американцы. Можно сказать, они стали мировой классикой. И начали появляться не только в космических, но и в других системах управления движущимися объектами, затем нашли широкое применение в робототехнике, компьютерной графике, программировании игр, даже в дорогих автомобилях.
Космонавту Александру Сереброву в его третьем полете довелось с Александром Викторенко принимать на «Мире» модуль «Квант-2». Программа автоматической стыковки уже пошла. И тут из-за переполнения памяти бортовой ЦВМ остановились гиродины (силовые гироскопы). Пришлось переходить на ручной режим сближения и стыковки. Викторенко перешел в корабль и средствами корабля управлял ориентацией станции, а Серебров оставался в базовом блоке у дисплеев и следил за процессом. И вот когда Викторенко один раз ошибся, Серебров, отслеживая текущие параметры кватерниона, по значениям мнимых единиц заметил ошибку, и ее немедленно исправили.
Кватернионы были «фирменным блюдом» нашего сектора. Они возникали и в серьезных обсуждениях, и в дружеских шутках. Мне кватернионы даже снились…