КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ

Космическими кораблями в наше время называются аппараты, созданные для доставки космонавтов на околоземную орбиту и возвращения их потом на Землю. Понятно, что технические требования к космическому кораблю более жесткие, чем к любым другим космическим аппаратам. Условия полета (перегрузки, температурный режим, давление и т.п.) должны выдерживаться для них очень точно, дабы не создалась угроза жизни человека. В корабле, который на несколько часов или даже суток становится домом для космонавта, должны быть созданы нормальные человеческие условия — космонавт должен дышать, пить, есть, спать, отправлять естественные потребности. Он должен иметь возможность в процессе полета разворачивать корабль по своему усмотрению и менять орбиту, то есть корабль при своем движении в пространстве должен легко переориентироваться и управляться. Для возвращения на Землю космический корабль должен погасить всю ту огромную скорость, которую сообщила ему при старте ракета‑носитель. Если бы Земля не имела атмосферы, на это пришлось бы потратить столько же горючего, сколько было израсходовано при подъеме в космос. К счастью, в этом нет необходимости: если осуществлять посадку по очень пологой траектории, постепенно погружаясь в плотные слои атмосферы, то можно затормозить корабль о воздух с минимальной затратой горючего. Как советские «Востоки», так и американские «Меркурии» осуществляли посадку именно таким образом и этим объясняются многие особенности их конструкции. Поскольку значительная часть энергии при торможении идет на нагрев корабля, то без хорошей тепловой защиты он просто сгорит, как сгорает в атмосфере большая часть метеоритов и заканчивающих свое существование спутников. Поэтому приходится защищать корабли громоздкими жаропрочными теплозащитными оболочками. (Например, на советском «Востоке» ее вес составлял 800 кг — треть всего веса спускаемого аппарата.) Желая по возможности облегчить корабль, конструкторы снабжали этим экраном не весь корабль, а только корпус спускаемого аппарата. Таким образом, с самого начала утвердилась конструкция разделяющегося корабля (она была опробована на «Востоках», а потом стала классической для всех советских и многих американских космических кораблей). Корабль состоит как бы из двух самостоятельных частей: приборного отсека и спускаемого аппарата (последний служит во время полета кабиной космонавта).

Первый советский космический корабль «Восток» при общей массе 4, 73 т выводился на орбиту с помощью трехступенчатой ракеты‑носителя того же названия. Полная стартовая масса космического комплекса составляла 287 т. Конструктивно «Восток» состоял из двух основных отсеков: спускаемого аппарата и приборного отсека. Спускаемый аппарат с кабиной космонавта был выполнен в форме шара диаметром 2, 3 м и имел массу 2, 4 т.

Герметичный корпус изготовлялся из алюминиевого сплава. Внутри спускаемого аппарата конструкторы стремились расположить только те системы и приборы корабля, которые были необходимы в течение всего полета, или те, которыми непосредственно пользовался космонавт. Все остальные были вынесены в приборный отсек. Внутри кабины размещалось катапультируемое кресло космонавта. (На случай, если бы пришлось катапультироваться при старте, кресло снабжалось двумя пороховыми ускорителями.) Здесь же находились пульт управления, запасы пищи и воды. Система жизнеобеспечения была рассчитана на работу в течение десяти суток. Космонавт должен был в течение всего полета находиться в герметическом скафандре, но с открытым шлемом (этот шлем автоматически закрывался в случае внезапной разгерметизации кабины).

Внутренний свободный объем спускаемого аппарата составлял 1, 6 кубического метра. Необходимые условия в кабине космического корабля поддерживали две автоматические системы: система жизнеобеспечения и система терморегулирования. Как известно, человек в процессе жизнедеятельности потребляет кислород, выделяет углекислый газ, тепло и влагу. Эти две системы как раз и обеспечивали поглощение углекислого газа, пополнение кислородом, отбор из воздуха избыточной влаги и отбор тепла. В кабине «Востока» поддерживалось привычное на Земле состояние атмосферы с давлением 735‑775 мм рт. ст. и 20‑25% содержания кислорода. Устройство системы терморегулирования отчасти напоминало кондиционер. Она содержала воздушно‑жидкостной теплообменник, по змеевику которого протекала охлажденная жидкость (холодоноситель). Вентилятор прогонял через теплообменник теплый и влажный воздух кабины, который охлаждался на его холодных поверхностях. Влага при этом конденсировалась. Холодоноситель поступал в спускаемый аппарат из приборного отсека. Поглотившая тепло жидкость принудительно прогонялась насосом через радиатор‑излучатель, расположенный на наружной конической оболочке приборного отсека. Температура холодоносителя автоматически поддерживалась в нужном диапазоне при помощи специальных жалюзи, закрывавших радиатор. Створки жалюзи могли открываться или закрываться, изменяя потоки тепла, излучаемые радиатором. Чтобы поддерживать нужный состав воздуха, в кабине спускаемого аппарата имелось регенерационное устройство. Воздух кабины при помощи вентилятора непрерывно прогонялся через специальные сменные патроны, содержавшие надперекиси щелочных металлов. Такие вещества (например, K2O4) способны эффективно поглощать углекислый газ и выделять при этом кислород. Работой всей автоматики руководило бортовое программное устройство. Включение различных систем и приборов производилось как по командам с Земли, так и самим космонавтом. На «Востоке» имелся целый комплекс радиосредств, позволявший вести и поддерживать двухстороннюю связь, производить различные измерения, вести управление кораблем с Земли и многое другое. С помощью передатчика «Сигнал» постоянно поступала информация датчиков, расположенных на теле космонавта, относительно его самочувствия. Основу системы энергоснабжения составляли серебряно‑цинковые аккумуляторы: основная батарея размещалась в приборном отсеке, а дополнительная, обеспечивающая электропитание на спуске — в спускаемом аппарате.

Приборный отсек имел массу 2, 27 т. Вблизи его стыка со спускаемым аппаратом находились 16 сферических баллонов с запасами сжатого азота для микродвигателей ориентации и кислорода для системы жизнеобеспечения. Очень важное значение в любом космическом корабле играет система ориентации и управления движением. На «Востоке» она включала в себя несколько подсистем. Первая из них — навигационная — состояла из ряда датчиков положения космического корабля в пространстве (в том числе датчик Солнца, гироскопические датчики, оптическое устройство «Взор» и другие). Сигналы от датчиков поступали в управляющую систему, которая могла работать автоматически или с участием космонавта. На пульте космонавта имелась рукоятка ручного управления ориентацией космического корабля. Разворачивание корабля происходило при помощи целого набора расположенных определенным образом небольших реактивных сопел, в которые подавался из баллонов сжатый азот. Всего на приборном отсеке имелось два комплекта сопел (по восемь в каждом), которые могли подключаться к трем группам баллонов. Главная задача, которая решалась при помощи этих сопел, заключалась в том, чтобы правильно ориентировать корабль перед подачей тормозного импульса. Это требовалось сделать в определенном направлении и в строго определенное время. Ошибка здесь не допускалась.

Тормозная двигательная установка с тягой 15, 8 килоньютон находилась в нижней части отсека. Она состояла из двигателя, топливных баков и системы подачи горючего. Время ее работы составляло 45 секунд. Перед возвращением на Землю тормозную двигательную установку ориентировали таким образом, чтобы дать тормозной импульс около 100 м/с. Этого было достаточно для перехода на траекторию спуска. (При высоте полета 180‑240 км орбита была рассчитана таким образом, что даже при отказе тормозной установки корабль через десять суток все равно вошел бы в плотные слои атмосферы. Именно на этот срок и был рассчитан запас кислорода, питьевой воды, пищи, заряд аккумуляторов.) Затем происходило отделение спускаемого аппарата от приборного отсека. Дальнейшее торможение корабля шло уже за счет сопротивления атмосферы. При этом перегрузки достигали 10 g, то есть вес космонавта увеличивался в десять раз.

Скорость спускаемого аппарата в атмосфере снижалась до 150‑200 м/с. Но чтобы обеспечить безопасное приземление при соприкосновении с землей, его скорость не должна была превышать 10 м/с. Избыток скорости гасился за счет парашютов. Они раскрывались постепенно: сначала вытяжной, потом — тормозной и, наконец, основной. На высоте 7 км космонавт должен был катапультироваться и приземляться отдельно от спускаемого аппарата со скоростью 5‑6 м/с. Это осуществлялось при помощи катапультирующегося кресла, которое устанавливалось на специальных направляющих и выстреливалось из спускаемого аппарата после отделения крышки люка. Здесь также сначала раскрывался тормозной парашют кресла, а на высоте 4 км (при скорости 70‑80 м/с) космонавт отстегивался от кресла и дальше спускался на своем собственном парашюте.

Работа по подготовке пилотируемого полета в КБ Королева началась в 1958 году. Первый запуск «Востока» в беспилотном режиме был произведен 15 мая 1960 года. Из‑за неправильной работы одного из датчиков перед включением тормозной двигательной установки корабль оказался неправильно ориентирован и, вместо того чтобы опускаться, перешел на более высокую орбиту. Второй запуск (23 июля 1960 г.) был еще менее удачным — в самом начале полета произошла авария. Спускаемый аппарат отделился от корабля и разрушился при падении. Во избежание этой опасности на всех следующих кораблях была введена система аварийного спасения. Зато третий запуск «Востока» (19‑20 августа 1960 г.) был вполне успешным — на второй день спускаемый аппарат вместе со всеми подопытными животными: мышами, крысами и двумя собаками — Белкой и Стрелкой — благополучно совершил посадку в заданном районе. Это был первый в истории космонавтики случай возвращения живых существ на Землю после совершения космического полета. Но следующий полет (1 декабря 1960 г.) опять имел неблагополучный исход. Корабль вышел в космос и выполнил всю программу. Через сутки была подана команда к возвращению на землю. Однако из‑за отказа тормозной двигательной установки спускаемый аппарат вошел в атмосферу с чрезмерно большой скоростью и сгорел. Вместе с ним погибли подопытные собаки Пчелка и Мушка. Во время старта 22 декабря 1960 года произошла авария последней ступени, но система аварийного спасения сработала надлежащим образом — спускаемый аппарат приземлился без повреждений. Только шестой (9 марта 1961 г.) и седьмой (25 марта 1961 г.) старты «Востока» прошли вполне благополучно. Совершив по одному обороту вокруг Земли, оба корабля благополучно вернулись на Землю вместе со всеми подопытными животными. Эти два полета полностью моделировали будущий полет человека, так что даже в кресле находился специальный манекен. Первый в истории полет человека в космос состоялся, как известно, 12 апреля 1961 года. Советский космонавт Юрий Гагарин на корабле «Восток‑1» совершил один виток вокруг Земли и в тот же день благополучно возвратился на Землю (весь полет продолжался 108 минут). Так была открыта эра пилотируемых полетов.

В США подготовка к пилотируемому полету по программе «Меркурий» также началась в 1958 году. Вначале проводились беспилотные полеты, потом полеты по баллистической траектории. Первые два запуска «Меркурия» по баллистической траектории (в мае и июле 1961 г.) производились с помощью ракеты «Редстоун», а следующие выводились на орбиту с помощью ракеты‑носителя «Атлас‑D». 20 февраля 1962 года американский астронавт Джон Гленн на «Меркурии‑6» совершил первый орбитальный полет вокруг Земли.

Первый американский космический корабль был значительно меньше советского. Ракета‑носитель «Атлас‑D» при стартовой массе 111, 3 тонн была способна вывести на орбиту груз не более 1, 35 тонны. Поэтому корабль «Меркурий» проектировался при крайне жестких ограничениях по массе и габаритам. Основу корабля составляла возвращаемая на Землю капсула. Она имела форму усеченного конуса со сферическим днищем и цилиндрической верхней частью. На основании конуса размещалась тормозная установка из трех твердотопливных реактивных двигателей по 4, 5 килоньютон и временем работы 10 секунд. При спуске капсула входила в плотные слои атмосферы днищем вперед. Поэтому тяжелый теплозащитный экран располагался только здесь. В передней цилиндрической части находилась антенна и парашютная секция. Парашютов было три: тормозной, основной и запасной, которые выталкивались с помощью пневмобаллона.

Внутри кабины пилота имелся свободный объем 1, 1 кубических метра. Астронавт, одетый в герметический скафандр, располагался в кресле. Перед ним находились иллюминатор и пульт управления. На ферме над кораблем помещался пороховой двигатель САС. Система жизнеобеспечения на «Меркурии» существенно отличалась от той, что была на «Востоке». Внутри корабля создавалась чисто кислородная атмосфера с давлением 228‑289 мм рт. ст. По мере потребления кислород из баллонов подавался в кабину и скафандр астронавта. Для удаления углекислоты использовалась система с гидроокисью лития. Скафандр охлаждался кислородом, который, перед тем как использоваться для дыхания, подавался к нижней части тела. Температура и влажность поддерживались с помощью теплообменников испарительного типа — влага собиралась с помощью губки, которая периодически отжималась (оказалось, что в условиях невесомости такой способ не годился, поэтому он использовался только на первых кораблях). Энергопитание обеспечивалось аккумуляторными батареями. Вся система жизнеобеспечения была рассчитана только на 1, 5 суток. Для управления ориентацией «Меркурий» имел 18 управляемых двигателей, работавших на однокомпонентном топливе — перекиси водорода. Астронавт приводнялся вместе с кораблем на поверхность океана. Капсула имела неудовлетворительную плавучесть, поэтому на всякий случай на ней имелся надувной плот.

РОБОТ

Роботом называют автоматическое устройство, имеющее манипулятор — механический аналог человеческой руки — и систему управления этим манипулятором. Обе эти составные части могут иметь различное устройство — от очень простого до чрезвычайно сложного. Манипулятор обычно состоит из шарнирно соединенных звеньев, как рука человека состоит из костей, связанных суставами, и заканчивается охватом, который является чем‑то вроде кисти человеческой руки.

Звенья манипулятора подвижны друг относительно друга и могут совершать вращательные и поступательные движения. Иногда вместо схвата последним звеном манипулятора служит какой‑нибудь рабочий инструмент, например, дрель, гаечный ключ, краскораспылитель или сварочная горелка.

Перемещение звеньев манипулятора обеспечивают так называемые приводы — аналоги мускулов в руке человека. Обычно в качестве таковых используются электродвигатели. Тогда привод включает в себя еще редуктор (систему зубчатых передач, которые снижают число оборотов двигателя и увеличивают вращающие моменты) и электрическую схему управления, регулирующую скорость вращения электродвигателя.

Кроме электрического часто применяется гидравлический привод. Действие его очень просто. В цилиндр 1, в котором находится поршень 2, соединенный с помощью штока с манипулятором 3, поступает под давлением жидкость, которая передвигает поршень в ту или иную сторону, а вместе с ним и «руку» робота. Направление этого движения определяется тем, в какую часть цилиндра (в пространство над поршнем или под ним) попадает в данный момент жидкость. Гидропривод может сообщить манипулятору и вращательное движение. Точно так же действует пневматический привод, только вместо жидкости здесь применяется воздух.

Таково в общих чертах устройство манипулятора. Что касается сложности задач, которые может разрешать тот или иной робот, то они во многом зависят от сложности и совершенства управляющего устройства. Вообще, принято говорить о трех поколениях роботов: промышленных, адаптивных и роботах с искусственным интеллектом.

Самые первые образцы простых промышленных роботов были созданы в 1962 году в США. Это были «Версатран» фирмы «АМФ Версатран» и «Юнимейт» фирмы «Юнимейшн Инкорпорейтед». Эти роботы, а также те, что последовали за ними, действовали по жесткой, не меняющейся в процессе работы программе и были предназначены для автоматизации несложных операций при неизменном состоянии окружающей среды. В качестве управляющего устройства для таких роботов мог служить, например, «программируемый барабан». Действовал он так: на цилиндре, вращаемом электродвигателем, размещались контакты приводов манипулятора, а вокруг барабана — токопроводящие металлические пластины, замыкавшие эти контакты, когда те их касались. Расположение контактов было таким, чтобы при вращении барабана приводы манипулятора включались в нужное время, и робот начинал выполнять запрограммированные операции в нужной последовательности. Точно так же управление могло осуществляться с помощью перфокарты или магнитной ленты.

Очевидно, что даже малейшее изменение окружающей обстановки, малейший сбой в технологическом процессе, ведет к нарушению действий такого робота. Однако они обладают и немалыми преимуществами — они дешевы, просты, легко перепрограммируются и вполне могут заменить человека при выполнении тяжелых однообразных операций. Именно на такого типа работах и были впервые применены роботы. Они хорошо справлялись с простыми технологическими повторяющимися операциями: выполняли точечную и дуговую сварку, осуществляли загрузку и разгрузку, обслуживали прессы и штампы. Робот «Юнимейт», например, был создан для автоматизации контактной точечной сварки кузовов легковых автомобилей, а робот типа «SMART» устанавливал колеса на легковые автомобили.

Однако принципиальная невозможность автономного (без вмешательства человека) функционирования роботов первого поколения очень затрудняла их широкое внедрение в производство. Ученые и инженеры настойчиво старались устранить этот недостаток. Результатом их трудов стало создание гораздо более сложных адаптивных роботов второго поколения. Отличительная черта этих роботов состоит в том, что они могут изменять свои действия в зависимости от окружающей обстановки. Так, при изменении параметров объекта манипулирования (его угловой ориентации или местоположения), а также окружающей среды (скажем, при появлении каких‑то препятствий на пути движения манипулятора) эти роботы могут соответственно спроектировать свои действия.

Понятно, что, работая в изменяющейся среде, робот должен постоянно получать о ней информацию, иначе он не сможет ориентироваться в окружающем пространстве. В связи с этим адаптивные роботы имеют значительно более сложную, чем роботы первого поколения, систему управления. Эта система распадается на две подсистемы: 1) сенсорную (или очувствления) — в нее входят те устройства, которые собирают информацию о внешней окружающей среде и о местоположении в пространстве различных частей робота; 2) ЭВМ, которая анализирует эту информацию и в соответствии с ней и заданной программой управляет перемещением робота и его манипулятора.

К сенсорным устройствам относятся тактильные датчики осязания, фотометрические датчики, ультразвуковые, локационные, а также различные системы технического зрения. Последние имеют особенно важное значение. Главная задача технического зрения (собственно «глаза» робота) состоит в том, чтобы преобразовать изображения объектов окружающей среды в электрический сигнал, понятный для ЭВМ. Общий принцип систем технического зрения состоит в том, что с помощью телевизионной камеры в ЭВМ передается информация о рабочем пространстве. ЭВМ сравнивает ее с имеющимися в памяти «моделями» и выбирает соответствующую обстоятельствам программу. На этом пути одна из центральных проблем при создании адаптивных роботов заключалась в том, чтобы научить машину распознавать образы. Из многих объектов робот должен выделить те, которые ему необходимы для выполнения каких‑то действий. То есть он должен уметь различать признаки объектов и классифицировать объекты по этим признакам. Это происходит благодаря тому, что робот имеет в памяти прототипы образов нужных объектов и сравнивает с ними те, что попадают в поле его зрения. Обычно задача «узнавания» нужного объекта распадается на несколько более простых задач: робот ищет в окружающей среде нужный предмет путем изменения ориентации своего взгляда, измеряет дальность до объектов наблюдения, автоматически подстраивает чувствительный видеодатчик в соответствие с освещенностью предмета, сравнивает каждый предмете «моделью», которая хранится в его памяти, по нескольким признакам, то есть выделяет контуры, текстуру, цвет и другие признаки. В результате всего этого происходит «узнавание» объекта.

Следующим этапом работы адаптивного робота обычно являются какие‑то действия с этим предметом. Робот должен приблизиться к нему, захватить и переставить на другое место, притом не как попало, а определенным образом. Чтобы выполнить все эти сложные манипуляции, одних знаний об окружающей обстановке недостаточно — робот должен точно контролировать каждое свое движение и как бы «ощущать» себя в пространстве. С этой целью кроме сенсорной системы, отражающей внешнюю среду, адаптивный робот оснащается сложной системой внутренней информации: внутренние датчики постоянно передают ЭВМ сообщения о местоположении каждого звена манипулятора. Они как бы дают машине «внутреннее чувство». В качестве таких внутренних датчиков могут использоваться, например, высокоточные потенциометры.

Высокоточный потенциометр представляет собой прибор типа хорошо известного реостата, но отличающийся более высокой точностью. В нем вращающийся контакт не перескакивает с витка на виток, как при смещении ручки обычного реостата, а следует вдоль самих витков провода. Потенциометр крепится внутри манипулятора, так что при повороте одного звена относительно другого подвижный контакт тоже смещается и, следовательно, сопротивление прибора изменяется. Анализируя величину его изменения, ЭВМ судит о местоположении каждого из звеньев манипулятора. Скорость перемещения манипулятора связана со скоростью вращения электродвигателя в приводе. Имея всю эту информацию, ЭВМ может измерить скорость движения манипулятора и руководить его перемещением.

Каким же образом робот «планирует» свое поведение? В этой способности нет ничего сверхъестественного — «сообразительность» машины всецело зависит от сложности составленной для нее программы. В памяти ЭВМ адаптивного робота обычно заложено столько различных программ, сколько может возникнуть различных ситуаций. Пока ситуация не меняется, робот действует по базовой программе. Когда же внешние датчики сообщают ЭВМ об изменении ситуации, она анализирует ее и выбирает ту программу, которая более соответствует данной ситуации. Имея общую программу «поведения», запас программ для каждой отдельной ситуации, внешнюю информацию об окружающей среде и внутреннюю информацию о состоянии манипулятора, ЭВМ руководит всеми действиями робота.

Первые модели адаптивных роботов появились фактически одновременно с промышленными роботами. Прообразом для них послужил автоматически действующий манипулятор, разработанный в 1961 году американским инженером Эрнстом и названный впоследствии «рукой Эрнста». Этот манипулятор имел захватывающее устройство, снабженное различными датчиками — фотоэлектрическими, тактильными и другими. С помощью этих датчиков, а также управляющей ЭВМ он находил и брал заданные ему произвольно расположенные предметы. В 1969 году в Стэнфордском университете (США) был создан более сложный робот «Шейки». Эта машина также обладала техническим зрением, могла распознавать окружающие предметы и оперировать ими по заданной программе.

Робот приводился в движение с помощью двух шаговых электродвигателей, имеющих независимый привод к колесам на каждой стороне тележки. В верхней части робота, которая могла поворачиваться вокруг вертикальной оси, были установлены телевизионная камера и оптический дальномер. В центре располагался блок управления, который распределял команды, поступающие от ЭВМ к механизмам и устройствам, реализующим соответствующие действия. По периметру устанавливались сенсорные датчики для получения информации о столкновении робота с препятствиями. «Шейки» мог перемещаться по кратчайшему пути в заданное место помещения, вычисляя при этом траекторию таким образом, чтобы избежать столкновения (он воспринимал стены, двери, дверные проемы). ЭВМ из‑за своих больших габаритов находилась отдельно от робота. Связь между ними осуществлялась по радио. Робот мог выбирать нужные предметы и перемещать их «толканием» (манипулятора у него не было) в нужное место.

Позже появились другие модели. Например, в 1977 году фирмой «Quasar Industries» был создан робот, который умел подметать полы, вытирать пыль с мебели, работать с пылесосом и удалять растекшуюся по полу воду. В 1982 году фирма «Мицубиси» объявила о создании робота, который был настолько ловок, что мог зажигать сигарету и снимать телефонную трубку. Но самым замечательным был признан созданный в том же году американский робот, который с помощью своих механических пальцев, камеры‑глаза и компьютера‑мозга менее чем за четыре минуты собирал кубик Рубика. Серийный выпуск роботов второго поколения начался в конце 70‑х годов. Особенно важно то, что их можно успешно использовать на сборочных операциях (например, при сборке пылесосов, будильников и других несложных бытовых приборов) — этот вид работ до сих с большим трудом поддавался автоматизации. Адаптивные роботы стали важной составной частью многих гибких (быстро перестраивающихся на выпуски новой продукции) автоматизированных производств.

Третье поколение роботов — роботы с искусственным интеллектом — пока еще только проектируется. Их основное назначение — целенаправленное поведение в сложной, плохо организованной среде, притом в таких условиях, когда невозможно предусмотреть все варианты ее изменения. Получив какую‑то общую задачу, такой робот должен будет сам разработать программу ее выполнения для каждой конкретной ситуации (напомним, что адаптивный робот может лишь выбирать одну из предложенных программ). В случае, если операция не удалась, робот с искусственным интеллектом сможет проанализировать неудачу, составить новую программу и повторить попытку.