29 марта, 2010

«Окно» в космос

Началом создания комплекса «Окно» в какой-то мере могут считаться события, описанные в статье профессора А. Л. Горелика «Космический контроль. Невостребованный потенциал» («Воздушно-космическая оборона», № 3 за 2001 г.), где, в частности, говорится: «Детальное исследование проблемы функционирования системы ПКО, получившей название ИС (истребитель спутников), показало, как это ни парадоксально, что натурные испытания системы при наличии спутников-мишеней провести можно, так как траектории их движения были заранее запрограммированы, но в боевом режиме система работать не может. Поскольку она не скомплексирована с системой, обеспечивающей систему ИС надлежащей информацией».

И далее: «…заместитель начальника 4 ГУ МО по научной работе генерал-лейтенант К. А. Трусов с полным пониманием отнесся к нашему предложению о необходимости создания в стране специальной системы, которая бы обеспечивала эффективное функционирование системы ПКО (в частности системы ИС), и поручил 45-му ЦНИИ МО разработать ее аванпроект. Аванпроект новой системы, получившей название Системы контроля космического пространства (СККП), был одобрен и утвержден начальником главка». Это было в 1969 г.

Для контроля предполагалось использовать радиолокационные и оптические средства. Решение поставленной задачи по созданию оптических комплексов для СККП возлагалось на Миноборонпром. Министерством по этим работам были определены головные организации: НИИ прикладной физики (НИИ ПФ) и Красногорский механический завод (КМЗ), так как обе организации уже имели большой опыт создания высокоточных оптико-механических комплексов, обладали определенным научно-техническим заделом и квалифицированными кадрами. Процесс внутриведомственных увязок, определения ролей и координации работ исполнителей был непростым. В итоге головным предприятием по созданию оптико-электронного комплекса «Окно» был определен КМЗ (постановление ЦК КПСС и СМ СССР от 21.11.74 г. № 896-306 и Решение ВПК от 25.7.1975 г.).

До этого, в 1969 г. в составе ЦКБ Красногорского завода было организовано IV тематическое направление по разработке оптико-электронных средств контроля космического пространства. Название «ОКНО» (зародилось в 45-м ЦНИИ МО) первоначально представляло собой аббревиатуру словосочетания «Оптический Контроль Небесной Области» и лишь впоследствии, уже прописными буквами, так была названа оптико-электронная станция. Разработку проектной документации этой станции и должен был выполнить Красногорский завод. Впоследствии, по результатам проработки с учетом объема необходимой аппаратуры оптико-электронная станция была переименована в оптико-электронный комплекс.

Станислав Евгеньевич Здор – ведущий инженер-конструктор – руководитель группы НТЦ ФНПЦ ОАО «Красногорский завод им. С. А. Зверева», кандидат технических наук, заслуженный конструктор РФ

Аванпроект комплекса «Окно» в совокупности содержавший более 50 книг, был разработан в 1972 г. В разработке участвовало около 30 организаций. В 1974-м приказом Миноборонпрома главным конструктором «Окна» был назначен Владимир Семенович Чернов, кандидат технических наук, специалист в области информационно-управляющих систем.

В начале 1975 г. Министерством обороны было утверждено тактико-техническое задание на оптико-электронный комплекс «Окно» (изделие 54Ж6). В составе комплекса предусматривались 10 оптико-электронных станций пяти типов и общекомплексная аппаратура. Все станции были специализированы по диапазонам высот и задачам. Станции для автономного поиска и обнаружения космических объектов (56Ж6, 58Ж6, 60Ж6) были объединены в систему обнаружения (изделие 52Ж6), следящие измерительно-фотометрические станции (57Ж6, 59Ж6) – в систему сбора информации (изделие 53Ж6).

В ТТЗ на комплекс впервые были сформулированы требования к принципиально новому виду специальной военной техники, обеспечивающему оптический контроль космического пространства полностью в автоматическом режиме. В то время аналоги или прототипы подобных средств отсутствовали. О том, насколько пионерской и уникальной была работа, говорит следующий факт.

В 1970-е годы в Центральном конструкторском бюро Красногорского завода главными конструкторами большинства создаваемых изделий для Министерства обороны были опытные оптики-механики, а в руководство оперативных групп входили ведущие оптики и ведущие электрики. Это было оправданно и подтверждено созданием целого ряда уникальных изделий различного назначения.

Следуя заводской традиции, был подготовлен приказ о назначении главными конструкторами оптико-электронных станций высококвалифицированных специалистов-механиков в области создания сложных фотографических и кинотеодолитных приборов.

Однако после детального анализа структуры и задач «Окна» с учетом того, что 50% функций изделий обеспечивают алгоритмы и специальные программы, по требованию В. С. Чернова подготовленный приказ отменили. Ведущими конструкторами станций были назначены молодые и весьма способные специалисты системного профиля, а опытные оптики-механики были выдвинуты на должности ведущих конструкторов телескопов, входящих в состав станций. Время и полученные результаты показали правильность нового подхода в этом вопросе.

Следует отметить, что на всех этапах создания комплекса «Окно» главных конструкторов станции не было, а комплексное решение всех задач по каждой станции возлагалось на ведущих конструкторов станций.

Правильность такого подхода подтверждалась многими рабочими эпизодами на пути создания комплекса. Вот один из них. Инициативный разработчик фотографических приборов придумал и стал настойчиво предлагать новое оптико-телевизионное устройство для автоматического обнаружения космических объектов (КО) на фоне звезд и помех. При обсуждении предложения его спросили: «Какова вероятность правильного обнаружения КО при стандартных условиях наблюдения и каков при этом будет поток ложных тревог?».

Александр Борисович Бельский – заместитель генерального директора по науке федерального научно-производственного центра ОАО «Красногорский завод им. С. А. Зверева»

Он сначала не мог понять, о чем речь. Когда уточнили вопрос: «Сколько из 100 находящихся в кадре КО будут обнаружены за один акт обнаружения?», он воскликнул: «Ах, вот вы о чем. Ну, конечно же, все 100 и будут обнаружены, а ложных тревог вообще не будет». Когда его попросили показать расчеты, он возмутился: «А чего здесь считать? И так все ясно».

Проработанная на КМЗ в рамках темы «Окно» общая концепция создания комплекса хотя и определила общее направление работ, однако выявила целый ряд трудноразрешимых вопросов. Комплекс должен был контролировать диапазон высот от 150 до 40 тыс. км, обеспечивать высокую проницающую силу, большую пропускную способность, иметь ранее недостижимые точностные характеристики, но самое главное – в штатном боевом режиме комплекс должен был работать без какого-либо участия операторов.

Важной составной частью комплекса являлась высокочувствительная телевизионная аппаратура. В оптической наблюдательной астрономии уже был некоторый опыт использования телевизионных систем.

Известно, что первые идеи по использованию телевидения для наблюдения астрономических объектов высказаны еще в 1930-е годы, когда и телевидения как такового еще не было. Однако более или менее регулярное применение телевизионной техники в астрономии началось только после создания высокочувствительных передающих телевизионных трубок (ПТТ) и оптико-электронных преобразователей (ЭОПов). Первым астрономическим объектом, зарегистрированным телевизионной системой, была Луна. Это случилось в 1952 г., использовалась ПТТ типа суперортикон. Примерно в это же время были получены первые телевизионные изображения планет. Дальнейшее совершенствование ПТТ и в первую очередь все тех же суперортиконов позволило поставить вопрос о регистрации на телескопах среднего размера (Dсв=50 см) предельно слабых звезд. Такие опыты были проведены в начале 1960-х гг. в нескольких обсерваториях мира одновременно. Были зарегистрированы звезды с блеском 16 m–19 m.

В СССР первые телевизионные наблюдения слабых звезд были выполнены летом 1962 г. в Крымской астрофизической обсерватории. На полуметровом телескопе была достигнута проницающая сила 16,5 m при времени накопления сигнала 0,08 с. Оптимизация режимов накопления и считывания сигнала, в частности, охлаждение ПТТ до 00С, и выбор наиболее благоприятных условий наблюдения позволили в 1964 г. зарегистрировать на том же телескопе звезды с блеском до 20 m. Время накопления сигнала составляло 4 с. Эти успехи были достигнуты благодаря созданию в СССР (НИИ ПФ Миноборонпрома) телевизионной установки «Андромеда», регистрирующая аппаратура которой состояла из суперортикона ЛИ-214 и сочлененного с ним трехкамерного ЭОПа УМ-92.

Уже первые опыты продемонстрировали существенные преимущества, которые вносило телевидение в астрономическую науку. Прежде всего это повышение пороговой и контрастной чувствительности как минимум на порядок. Появилась гибкость при регистрации астрономических объектов за счет регулирования режимов работы телевизионной системы. Такое регулирование позволяло лучше подстраиваться под изменяющиеся условия наблюдения. Однако сами методы и приемы при этом изменились мало. Либо использовалось прямое визуальное изучение телевизионных изображений на экране ВКУ, либо экран ВКУ фотографировался и исследованию подвергалось фотографическое изображение астрономических объектов, зарегистрированных при помощи телевизионной системы.

Само собой разумеется, что наличие информации о небесных телах в виде электрических сигналов привело к следующему логическому шагу. Начались многочисленные попытки непосредственного ввода астрономической информации в компьютеры для ее дальнейшей обработки в автоматических или интерактивных режимах. Однако все оказалось значительно сложнее. В начале 1970-х годов при работе в реальном времени объем и темп поступления астрономической информации более чем на порядок превышали возможности самых мощных компьютеров, созданных на тот момент. В первую очередь это касалось устройств, преобразующих напряжения видеосигнала в цифровой код. Недостаточными были также и вычислительные мощности компьютеров.

Благодаря комплексу «Окно» серьезные работы по вводу и компьютерной обработке астрономической информации начались в СССР в первой половине 1970-х годов. Одной из первых систем, в которой была успешно решена задача автоматической обработки астрономической информации в реальном масштабе времени, являлась аппаратура, разработанная по техническому заданию Красногорского завода в Особом конструкторском бюро Московского энергетического института под руководством кандидата технических наук В. С. Денисова (изделие 72И6).

Аппаратура обеспечивала обработку телевизионных кадров, содержащих по 160 тыс. элементов, в темпе 25 кадров в сек. Фактически аппаратура представляла собой многоканальный специализированный вычислитель с огромной по тем временам производительностью – 120 млн. операций в секунду. Для сравнения отметим, что самый мощный на тот момент универсальный компьютер, каковым являлся «Эльбрус» в четырехпроцессорной комплектации, обладал быстродействием около 4 млн. операций в сек.

Отладка и проверка аппаратуры ОКБ МЭИ в натурных условиях были выполнены на комплексном стенде экспериментальной базы Красногорского завода, расположенной на территории Бюраканской астрофизической обсерватории (Армянская ССР). Стенд имел в своем составе поисковую и следящую астрономические установки, оснащенные телевизионными камерами на суперкремниконах. Для проведения баллистических расчетов, работы с каталогами КО и обработки координатной и некоординатной информации использовалось несколько высокопроизводительных (по тем временам) вычислительных машин серии «Ряд» с развитым математическим обеспечением.

На экспериментальном стенде в 1977 г. впервые в мировой практике был реализован полный цикл контроля космического пространства оптико-телевизионными средствами в автоматическом режиме. В процессе работы на аппаратуре стенда производились программный поиск космических объектов (КО) поисковой астрономической установкой, автоматическое обнаружение КО на фоне звезд и помех, предварительная завязка орбиты и оценка блеска, идентификация КО (сверка с имеющимся каталогом космических объектов и отнесение вновь обнаруженного КО к классу неизвестных), выдача целеуказаний следящей астрономической установке, захват КО, его отслеживание, высокоточное измерение угловых координат и регистрация фотометрической кривой, обработка полученной информации по специальным алгоритмам, представление уточненных параметров орбиты и некоординатных признаков КО (форма, габариты, стабилизация) потребителю. От момента постановки поисковой задачи до выдачи полученных результатов участие оператора в работе комплекса было исключено.

При создании оптических систем для комплекса было найдено оригинальное решение, позволившее сократить сроки и стоимость разработки. Для станций 57Ж6, 58Ж6, 59Ж6, 60Ж6 были доработаны конструктивы ранее созданных и неплохо себя зарекомендовавших объективов от других изделий (телескопа АЗТ-24, кинотеодолитов КТ-50, КТС и др.). Для станции 56Ж6 такого прототипа не нашлось и был спроектирован уникальный оптический тракт. Он включал вновь разработанный широкоугольный девятилинзовый объектив со сферической фокальной поверхностью и специальный волоконно-оптический преобразователь. Входной торец преобразователя также имел сферическую форму и представлял собой две разнесенные параллельные секционированные полосы, формировавшие на небе оптический барьер. Отдельные секции полос в выходном торце преобразовывались в квадратный формат, соответствующий фотокатоду ПТТ.

Объективы станций, снабженные блендами, затворами, калибраторами, ретерами, механизмами фокусировок, размещаются на опорно-поворотных устройствах с гидростатическими опорами
Фото: Алексей МАТВЕЕВ

Объективы станций, снабженные блендами, затворами, калибраторами, реперами, механизмами фокусировок и др., размещались на опорно-поворотных устройствах с гидростатическими опорами. Такое техническое решение обеспечило высокие точности, высокие скорости и плавности хода при наведении, слежении, сканировании. Вместе с тем сложность и уникальность гидростатических опор создают определенные трудности при их эксплуатации.

Создание комплекса «Окно» сильно замедлилось в конце 1980-х гг. и продлилось до 2002 г. В 1996 г. ушел на пенсию главный конструктор комплекса «Окно» В. С. Чернов, в том же году главным конструктором комплекса и начальником СКБ-4 научно-технического центра ОАО «Красногорский завод им. С. А. Зверева», был назначен Валерий Колинько, до того – начальник отдела электронной аппаратуры.

В 2002 г. по указу президента РФ комплекс «Окно» вошел в состав Космических войск и заступил сначала на опытно-боевое, а с 2004 г. и на боевое дежурство. Комплекс доказал свои исключительно высокие возможности. За его создание в 2005 г. главному конструктору комплекса кандидату технических наук В. И. Колинько, генералу А. Ю. Квасникову и главному конструктору телевизионной аппаратуры, кандидату технических наук А. Е. Верешкину была присуждена Государственная премия РФ.

Оптико-электронный комплекс контроля космического пространства «Окно» располагается на позиции на г. Санглок (2200 м над уровнем моря). Комплекс расположен в районе с уникальным астроклиматом: большое количество ясных ночей, прозрачная и стабильная атмосфера, отсутствие светового загрязнения.

Оптическая наблюдательная астрономия, являясь важной опорой современного естествознания, сегодня завершает исторический переход из эпохи «наблюдательно-фотографической» в эпоху «телевизионно-компьютерную».

Оглядываясь на прошедшее время и оценивая проделанную работу, с полным правом следует признать, что родоначальником «телевизионно-компьютерной» астрономии в России является Красногорский завод. Именно этим предприятием вместе с заводами-смежниками еще в 1970-е гг. были решены две принципиальные проблемы:

создана аппаратура для полностью автоматической обработки астрономической информации в реальном масштабе времени;

создан комплект алгоритмов и программ для управления многостанционным комплексом в сложных и быстроменяющихся условиях наблюдения без какого-либо участия операторов.

А учитывая уровень существовавшей на тот момент элементной базы (например, тактовая частота одной из «самых продвинутых» интегральных микросхем серии «Посол» была всего 5 Мгц), можно представить глубину тех трудностей, которые пришлось преодолеть в процессе разработки комплекса «Окно».

Комплекс «Окно» доказал свои исключительно высокие возможности
Фото: Алексей МАТВЕЕВ

Обратим внимание и на то, что в оптической астрономии используется в известной мере уникальная аппаратура, наблюдения являются разовыми и тщательно спланированными, работу выполняет квалифицированный научный персонал, имеющий богатый опыт в части тонких физических экспериментов. В рамках же ОКР «Окно» было создано средство вооружения, стоящее на ответственном боевом дежурстве и эксплуатируемое штатным воинским подразделением. Причем само подразделение хотя и является элитным, но функционирует в режиме, обеспечивающем прежде всего безопасность страны со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Сегодня комплекс «Окно» продолжает решать возложенные на него задачи. Однако время берет свое. Возникла потребность его модернизации. Известно, что модернизация вооружения и военной техники традиционно считается одним из наиболее эффективных способов продления жизненного цикла принятых на вооружение образцов. Как правило, при модернизации повышаются их ТТХ (иногда существенно), увеличивается ресурс, снимаются проблемы с пополнением ЗИПа и др.

Возможности по модернизации комплекса «Окно» были заложены при его создании (высокое качество консервативных оптико-механических частей, высокая степень унификации аппаратных средств, возможность применения приемников излучения с увеличенной светочувствительной поверхностью). Комплекс оказался «восприимчивым» к новой элементной базе, к новым аппаратным и программным средствам обработки информации и управления.

Наиболее принципиальный момент связан с заменой приемников излучения. Использование двух типов приемников на ПЗС-матрицах (крупноформатных для обзорно-поисковых каналов и «быстрых» для измерительных координатно-фотометрических каналов) позволяет повысить проницающую способность станций комплекса на 1,5 m-2 m, увеличить поле зрения (телесный угол) поисковых станций в 3,2–5,4 раза, уменьшить ошибку измерения угловых координат в 8–10 раз, довести частоту фотометрирования с 25 до 100 гц.

Модернизация аппаратуры обработки информации и управления позволяют резко снизить ее объем (примерно в 15 раз), уменьшить энергопотребление, упростить техническое обслуживание.

Доработка программно-алгоритмического обеспечения и введение в состав комплекса аппаратуры измерения астроклиматических параметров, в том числе и датчика ночной облачности, позволяют более полно использовать рабочее время, особенно в те ночи, которые принято называть полуясными. Это повышает пропускную способность комплекса и увеличивает продолжительность времени, отводимого для автономного поиска.

После завершения модернизационных мероприятий, которые в настоящее время успешно выполняются, комплекс «Окно» еще в течение длительного времени будет оставаться одним из ключевых компонентов российской системы контроля космического пространства.