Наибольшего числа изобретений потребовало создание комплекса системы управления. Ни одна из многих систем, уже созданных к тому времени, не была принята даже «за основу».
Для «Молнии-1» небольшая команда из коллектива Раушенбаха придумала новую многорежимную систему управления, в основе своей сохранившуюся до настоящего времени. Совмещение многих функций, возложенных на систему при длительном сроке службы, оказалось возможным благодаря многоцелевому использованию гироскопического стабилизатора принципиального нового типа — трехстепенного силового гироскопа с управляемой скоростью вращения ротора.
Гироскопический стабилизатор играл ведущую роль практически во всех режимах работы системы ориентации. Его довольно сложная теория была разработана Евгением Токарем. Изготовить такой стабилизатор — это специальная электрическая машина — мы сами не могли. За эту работу — без принуждения и с завидным энтузиазмом — принялись специалисты в институте Андроника Иосифьяна. Работу возглавил Николай Шереметьевский. Гироскопический стабилизатор «Молнии-1» стимулировал во Всесоюзном научно-исследовательском институте электромеханики новое научно-техническое направление — силовую гироскопическую стабилизацию для космических аппаратов.
Система ориентации начинала работать с гашения угловых скоростей спутника после его отделения от носителя. Затем происходил поиск Солнца специальным солнечным датчиком и приведение продольной оси спутника, перпендикулярной плоскости солнечных батарей, к направлению на Солнце. Изменением угловой скорости вращения маховика-гироскопа осуществлялось вращение всего аппарата вокруг направления на Солнце до тех пор, пока одна из двух параболических антенн не занимала положение, позволяющее ей следить за Землей. Необходимый угол разворота контролировался специальным оптическим датчиком.
Чтобы приток электроэнергии за счет освещения батарей Солнцем был максимальным, непрерывную ориентацию на Солнце надо было удерживать на всем «длинном» участке орбиты, пока спутник не входил в тень Земли над южным полушарием. Во время полета по «солнечному» участку одна из двух остронаправленных антенн ретранслятора должна непрерывно ориентироваться, отслеживая направление на центр Земли. Для проведения коррекции орбиты был придуман хитрый маневр, при котором перед достижением перигея спутник ориентировался так, чтобы в точке перигея корректирующий импульс двигательной установки был направлен по касательной к орбите. В тех случаях, когда не хватало управляющих моментов силового гироскопического стабилизатора или требовалась его «разгрузка», работали реактивные микродвигатели в простейшем «релейном» режиме.
Динамика ИСЗ, управляемого одним электродвигателем-маховиком, и все режимы «релейного» управления были разработаны Владимиром Бранцем, Владимиром Семячкиным и Юрием Захаровым.
Средний возраст динамиков-теоретиков и разработчиков аппаратуры системы управления составлял 30 лет. Они на «целых» четыре года были старше и опытнее проектантов. Этих четырех лет оказалось достаточно, чтобы сделать реальной казалось бы задуманную «понарошку» систему.
Инженеры, проектировавшие «Молнию-1» в начале шестидесятых, стали уважаемыми учеными, имеющими многочисленных учеников. Но ни они сами, ни их ученики теперь не решили бы подобной задачи без десятков персональных компьютеров и парка мощных машин вычислительного центра, без отработки системы на аналого-цифровых моделях! В то время никто не помышлял о таких возможностях.
Впрочем, изобретатель центробежного регулятора для паровой машины Уатт владел математикой в пределах четырех действий, а первые паровозы Стефенсона, развивавшие скорость до 50 км/ч, создавались в начале XIX века даже без использования логарифмической линейки. В XX веке теория центробежных регуляторов и паровозостроения обросла таким математическим аппаратом, в котором, будь живы сами изобретатели, они бы не скоро разобрались.
Для управления современными спутниками просто невозможно создать систему без использования бортового компьютера, который берет на себя заботу о выборе динамических режимов работы в соответствии с программой полета, включении в нужное время бортовой аппаратуры, проводит диагностику, контролирует расход «рабочего тела», выполняет еще много расчетов, которые в то далекое время возлагались на бортовое программно-временное устройство (ПВУ) и наземные службы.
Исаак Сосновик и Нина Квятковская изобрели транзисторное ПВУ, управлявшее бортовыми системами в соответствии с программой, которую можно было заложить с Земли по командной радиолинии. Саму командную радиолинию, объединенную с аппаратурой контроля орбиты и передачи телеметрии в виде единого комплекса, заказали СКБ-567. Ходарев, Малахов и вся набравшаяся горького опыта на автоматических аппаратах «Марс» — «Венера» (MB) радиокомпания создали для «Молнии-1» служебную радиосистему.
Труден был выбор головного разработчика бортового комплекса управления. Эту работу обычно возглавлял Юрий Карпов. В его активе были комплексные разработки идеологии и электрических схем всех первых спутников, «Востоков» и венеро-марсианских аппаратов. Очередной задачей для него был новый пилотируемый корабль 7К-ОК или изделие 11Ф615.
Для «Молнии-1» не без конфликтов и колебаний мы приняли решение: бортовой комплекс создавать одновременно с наземным испытательным оборудованием (НИО), так чтобы можно было сразу испытать весь космический аппарат и при этом вместо десятка операторов у пультов по каждой системе иметь одного-двух только у центрального пульта, дополнив его устройством для автоматической регистрации их действий, правильных или ошибочных. За такую комплексную разработку взялся радиоотдел Анатолия Шустова. Отдел значительно вырос за счет специалистов, влившихся в него после нашего объединения с коллективом Грабина.
Весь комплекс под руководством Шустова начала разрабатывать лаборатория Виктора Попова. Однако инженеры, ранее ушедшие от нас на работу в аппарат ВПК, сманили его в кремлевские апартаменты. Недолго проработав в Кремле, он перешел в аппарат ЦК КПСС и до 1991 года оставался «нашим человеком» в оборонном отделе ЦК.
Лабораторию Попова принял Петр Куприянчик. Он правильно рассудил, что чем проще схема «борта», тем легче автоматизировать ее испытания, но тем сложнее «земля».
В литературе по космонавтике я не встречал упоминаний о проблемах разработки наземного испытательного оборудования. И это несмотря на то, что такое оборудование является непременным вторым планом многочисленных фотографий, кино — и телекадров на ракетно-космические темы. Разработка наземных испытательных комплексов и всего наземного оборудования негласно считалась работой менее престижной, чем разработка бортовой аппаратуры. Такое предубеждение перешло в ракетно-космическую технику из авиации.
В современной авиации «земля»: аэродромная, испытательная, навигационная, то, что называется УВД — управление воздушным движением, — приобретает все большее значение. Однако каждый пассажир современного лайнера знает, что он летит на «Иле», «Ту» или «Боинге», но понятия не имеет о фирме или главном конструкторе, разработавшем сложнейшее радиоэлектронное оборудование для УВД.
В ракетно-космической технике «земля» играет гораздо большую и более ответственную роль, чем в авиации, поэтому для этой техники недооценка «земли» — вредное заблуждение. Только хорошая «земля» дает возможность полноценно проверить и выпустить в космос надежный «борт». Плохая «земля» может привести к аварии еще до запуска. Катастрофа 24 октября 1960 года — жестокий, но поучительный тому пример. Мы имели сотни случаев, к счастью без человеческих жертв, отказов «борта» еще на Земле по причинам ложных команд, подаваемых испытательной «землей».
Петр Куприянчик организовал совместную разработку бортовой схемы «Молнии-1» и испытательной «земли».
Основной объем электрических испытаний был осуществлен наземной станцией, которая получила индекс 11Н650. Ее идеологию разрабатывали Анатолий Максимов, Борис Бугеря, Артур Термосесов. Я высказал идею о полной автоматизации испытаний. При этом потребовалась система регистрации всех испытательных операций. Спрос породил предложение. Инженер Борис Барун предложил Куприянчику устройство автоматической подачи команд на «борт» с помощью перфорированной ленты и автоматическую систему цифропечати всего происходящего на другой ленте. Такая автоматическая система получила название «Волна». Чертежи сложного по тем докомпьютерным временам испытательного оборудования были разработаны в приборном конструкторском отделе Чижикова под руководством Ивана Ивановича Зверева.
«У меня фамилия птичья, — говорил Чижиков, — со зверями я плохо уживаюсь». Идя навстречу «пожеланиям трудящихся», мы разделили конструкторские отделы. За Чижиковым остался «борт», а Звереву поручили всю испытательную «землю». Таким образом, «земля» получила полноценный конструкторский отдел. Нашим приборным производством было изготовлено только два комплекта станций 11Н650 вместе с «Волной»: для КИСа и технической позиции полигона. Уже при испытании первой «Молнии-1» мы поняли, что эпоха полной автоматизации еще не пришла. Требовалось создать компромиссную полуавтоматическую систему, более универсальную, чем 11Н650. Как часто бывает, трудности, возникающие в процессе создания нового, приводят к решениям более удачным, чем первоначально предполагалось.
Идея создания унифицированной наземной испытательной станции «висела в воздухе». В поисках оптимальных решений Юрий Карпов вместе со своими уже обстрелянными на полигонах сподвижниками Владимиром Куянцевым, Владимиром Шевелевьм, Ремом Николаевым предложил структуру испытательной станции, в которой не было полной автоматизации, но зато обеспечивалась более глубокая диагностика, гибкость и возможность оперативного изменения технологии испытаний. В системе предлагалась уплотненная многоканальная линия телесигнализации.
К первым «Молниям» эта система «не успевала». Однако необходимость создания подобной системы была столь очевидной, что я предложил объединить и форсировать разработку всей «земли» в едином коллективе. Работу возглавили Петр Куприянчик и Артур Термосесов. В 1964 году появился изготовленный нашим приборным производством первый образец универсальной испытательной станции.
Соответствующее управление Министерства обороны узаконило эту разработку в качестве универсального средства для наземных испытаний космических объектов и присвоило станции индекс 11Н6110.
Впервые с помощью этой станции начали испытывать первые корабли 7К — будущие «Союзы». Опыт оказался столь удачным, что возникла потребность в изготовлении серии. Это было уже не под силу нашему производству. Без внешнего принуждения за серийный выпуск 11Н6110 взялся директор Азовского оптико-механического завода Георгий Васильев. Станция со временем нашла такое широкое применение, что всего их было выпущено более сотни. Удачные технические решения оказываются долгожителями несмотря на моральное старение. Даже в 1990-е годы, при триумфальном шествии цифровой вычислительной техники с ее безграничными возможностями для автоматизации самых различных видов испытаний, диагностики и обработки информации, старые станции 11Н6110 (спустя 30 лет!) остаются в эксплуатации на заводах и полигонах. В 1966 году, когда мы начали передавать «Молнию-1» Михаилу Решетневу в красноярский филиал, испытания ориентировались уже только на 11Н6110.
На современных спутниках связи выбор типа и конструкции антенн — одна из кардинальных проблем. Для «Молнии-1», не имея опыта, мы решили задачу «в лоб» и предложили две параболические антенны, резервирующие друг друга, диаметром по 1,4 метра. Они устанавливались на специальных штангах и управлялись электрическим приводом. Капланов поддержал наше предложение. Это придало уверенность антенщикам, которые отвечали за преобразование энергии передатчиков его ретранслятора в «конечный продукт» — энергию радиоволн.
Для передачи сигналов с «борта» на все наземные пункты, находящиеся одновременно в зоне радиовидимости, требовалось разработать бортовую антенну направленного излучения на прием и передачу одновременно.
К этому времени антенная лаборатория Михаила Краюшкина разрослась и выделилась в самостоятельный отдел. Коллектив отдела объявил, что антенные проблемы в радиотехнической части они берут на себя, начиная от расчетов и моделирования до сдаточных испытаний. Самую трудную часть задачи выполняли Владлен Эстрович, Иван Дордус, Геннадий Сосулин, Надежда Офицерова и механики макетной мастерской.
На этой и многих последующих разработках очень доходчиво было показано, какое значение для сокращения общего цикла разработки имеют смекалка и золотые руки квалифицированных рабочих, находящихся непосредственно при лаборатории, а не только в цехах завода. С появлением ЦВМ удалось значительно сократить продолжительность расчетно-теоретических работ, предшествующих выпуску чертежей. Однако ни одна остронаправленная антенна, при всей мощи современной вычислительной техники, не получалась без предварительной отработки на макетах. В этом процессе лабораторного моделирования трудно переоценить роли мастера и рабочего, которые понимают инженера с полуслова и не требуют детальных чертежей. Только после многоразовых переделок завод получал оформленные по всем правилам чертежи на изготовление летных образцов антенн. Те, кто окончательно изготавливали антенны в металле, не догадывались, что их проектирование начиналось с решения системы дифференциальных уравнений, открытых еще в прошлом веке.
На облучателе антенны устанавливались «трубы Медведева». Так мы называли оптические датчики, которые, захватив в свое поле зрения края диска Земли, посылали сигналы для управления приводом антенны и разворотом всего объекта так, чтобы в течение всего сеанса связи антенна ориентировалась на центральную часть видимого диска. Борис Медведев — инженер оптико-электрической «Геофизики» — тогда только начинал создавать свой ставший впоследствии богатым перечень всевозможных датчиков для космической техники, а затем и для подводных ракет.
Электромеханический привод для управления антенной оказался сложным механизмом. Он должен был работать в условиях космического вакуума непрерывно в течение каждого сеанса связи. Это была одна из труднейших задач обеспечения надежности. Лев Вильницкий, начальник отдела рулевых машин, приводов и механизмов, и Владимир Сыромятников основное время проводили в цехах завода, дожидаясь, когда можно будет выхватить первый образец привода для отработочных испытаний.
Я умолял Туркова и Казакова форсировать изготовление первых механизмов, чтобы мы могли до полета испытать их на ресурс в течение шести-восьми месяцев.
Идею создания бортовой электростанции, по нашей терминологии СЭП — системы электропитания, тоже изобретали заново. Для питания основного потребителя — ретранслятора и расходов на все прочие служебные системы за время сеанса связи, а это 8-9 часов, требовалось получать от солнечных батарей непрерывно до 1500 ватт.
В 1961 году такая мощность для космического аппарата казалась столь же грандиозной, как в 1921 году мощность Волховской ГЭС, первенца плана ГОЭЛРО. Ее мощность — 60 тысяч киловатт -тоже казалась фантастической.
Александр Шуруй, отличившийся у Грабина искусством управления по радио противотанковой ракетой, разработал электростанцию для «Молнии-1».
«СЭПом для „Молнии-1“ я вправе гордиться», — говорил Шуруй, вспоминая героическую эпопею начала шестидесятых годов.
Разработку «Молнии-1» я решил использовать для «революции» в космонавтике: ввести новый единый для всех на «борту» и «земле» стандарт — 27 вольт, вместо той чехарды, которая была на космических объектах. На стандарт 24 — 27 вольт предполагала переходить и авиация. Нам грозило отставание.
После объединения с коллективом Грабина численность и квалификация электротехнических групп выросла настолько, что мы могли взять на себя головную роль по разработке нового стандарта и доказать его преимущества на реальном космическом аппарате. «Молния-1» была для этого очень подходящим объектом. Одновременно аналогичную революцию следовало провести и на «Зените», электрооборудование которого под началом Карпова разрабатывали Шевелев и братья Петросяны. После моих обвинений в твердолобом консерватизме они стали нашими союзниками по новому 27-вольтовому стандарту.
Убедившись, что поддержка «снизу» будет обеспечена, я должен был обзавестись союзниками среди смежников.
Основной потребитель — Капланов поддержал меня без всяких оговорок. Переход на 27 вольт позволял в два раза снизить массу бортовой кабельной сети. Мы понимали, что «Молния-1» — это только начало. Еще в 1959 году вышли постановления о проектах больших носителей и новых тяжелых космических кораблях. С учетом этой перспективы мы доказывали все преимущества 27 вольт.