Матвей Зельманович Львовский
Воспоминания инженера-2. Уроки жизни
Навигационный автомат НА-1
В конце 1956г. была начата разработка навигационно-вычислительного устройства – навигационного автомата НА-1 для комплексной навигационно-прицельной системы нового перспективного сверхзвукового дальнего бомбардировщика – носителя М-50, конструкции Владимира Михайловича Мясищева, одного из самых выдающихся авиаконструкторов СССР. По своей конструкции, расположению двигателей, скорости и высоте, грузоподъёмности и вооружению самолёт М-50 не имел тогда аналогов в мире. Самолёт М-50, находящийся в настоящее время в экспозиции музея Монинской Военно-воздушной Академии, до сих пор справедливо вызывает восхищение специалистов оригинальной и стремительной аэродинамической формой, смелыми техническими и технологическими решениями. Поэтому, своё участие в создании аппаратуры для этого самолёта ОКБ считало для себя большой привилегией. Разработка НА-1, проводилась в соответствии с Техническим заданием Генерального разработчика самолёта М-50 (ОКБ-23) и ВВС. При проектировании НА-1 был учтён опыт разработки НБА, а ряд схемных и технических решений был заимствован из НБА. Учитывая некоторый прогресс в развитии элементной базы, в НА-1 были использованы более совершенные базовые эле-менты, на основе которых проектировались вычислители и преобразователи координат.
Разработка самолёта М-50 и его оборудования ограничилась изготовлением опытных образцов и дальнейшего своего развития не получила. Тем не менее само создание НА-1 имело исключительно важное значение. Дело в том, что НА-1 совместно с комплексом самолёта М-50 стал полигоном, на котором были проверены и осуществлены ряд научных и технических идей, разработанных, в том числе, в ОКБ. Вернёмся к вопросу взаимодействия в составе навигационно-бомбардировочного комплекса навигационного вычислителя НА-1 с радиолокационной станцией (РЛС). Очевидно, что точность решения навигационных и других задач находится в прямой зависимости от точности определения координат ориентиров с помощью РЛС. Напомним, что в современных РЛС координаты ориентиров определяются посредством двух электронных меток, формируемых на экране индикатора РЛС на фоне изображения местности: метки дальности и метки бортового пеленга (сокращённо пеленга). По аналогии с НБА, в НА-1 эти данные используются для коррекции счисленных координат местонахождения cамолёта и расшифровки радиолокационного объекта. Важным фактором при управлении электронными метками является наличие автоматической синхронизации точки пересечения меток, то есть учёт скорости движения самолёта. Именно этот фактор отсутствовал при взаимодействии НБА и РЛС "Рубин" в процессе решения указанных выше задач.
Отсутствие синхронизации при больших скоростях полёта и особенно при работе станции в режиме МПМ (микро план местности) создаёт большие трудности оператору в процессе наложения меток на ориентир. Эти трудности обусловлены тем, что оператор в этом случае вынужден осуществлять синхронизацию вручную путём подбора скорости вращения ручек, с помощью которых управляются радиолокационные метки. Поэтому, возникла необходимость поиска теоретических и технических решений, обеспечивающих автоматическую синхронизацию при управлении радиолокационными метками. Теоретические исследования, выполненные aвтором и опубликованные в сборниках научных докладов ЛИИ МАП и Монинской Военно-воздушной академии, позволили найти решение этой проблемы. Впервые оно было технически реализовано в НА-1. Не приводя матeматического описания результатов теоретических исследований, рассмотрим исходные логические положения, которые послужили основой для решения рассматриваемой задачи. Из описания режимов коррекции счисленных координат местонахождения самолёта и расшифровки радиолокационного объекта следует, что для осуществления этих режимов, измеренные значения наклонной дальности и пеленга вводятся в навигационный вычислитель, где производится вычисление поправок счисленных координат местонахождения самолёта и координат радиолокационного объекта. При этом в вычислителе при выполнении этих режимов не прерывается счисление координат местонахождения самолёта, то есть в процессе управления метками учитывается его движение и тем самым обеспечивается автоматическая синхронизация. Далее остановимся на другом важном аспекте проблемы. Для того, чтобы осуществить управление перекрестием в неподвижной, ортодромической системе координат, необходимо на экране индикатора РЛС иметь условное изображение ортодромических осей. Только при их наличии может быть достигнута однозначность действия органов управления перекрестием. Это требование может быть реализовано путём поворота изображения на экране индикатора соответственно на ортодромический курс в режиме обзора ПМ (круговой или секторный) и на ортодромический пеленг в режиме обзора МПМ (микро план местности). Действительно, в этом случае оси координат индикатора и органов управления совпадают и дейcтвия последних детерминированы, поскольку отклонение органов управления от нулевого положения относительно вертикальной и горизонтальной осей вызывает движение перекрестия на экране индикатора в тех же направлениях. В радиолокационной станции, разработанной для комплексной системы М-50, поворот изображения на экране индикатора на указанные выше углы осуществлялся за счёт разворота отклоняющей системы электронно-лучевой трубки индикатора РЛС. При стендовой проверке совместной работы НА-1 и РЛС были получены подтверждения об относительно быстром освоении операторами описанного способа управления и привыканию к нему. Но это оказалось справедливым, когда оператор использовал круговую или секторную развёртки. При использовании крупномасштабной развёртки, то есть микро плана местности, возникали некоторые трудности при управлении перекрестием из-за нелинейных искажений присущих этому типу развёртки, увеличивающихся с уменьшением дальности. Поэтому, после завершения работ по НА-1 aвтором были продолжены теоретические исследования, связанные с поиском оптимальных способов управления электронными метками РЛС. Результаты этих исследований были использованы при создании следующего вычислителя-Центрального навигационного вычислительного устройства ЦНВУ, а также комплексных систем на основе ЦВМ. Приказом Главного конструктора ОКБ П. А. Ефимова на aвтора была возложена функция ведущего разработчика ЦНВУ, ведущим конструктором был назначен Виктор Александрович Иванов.
Центральное навигационное вычислительное устройство ЦНВУ
Центральное навигационно-вычислительное устройство, получившее шифр ЦНВУ, разра-батывалось в соответствии с Техническим заданием ММЗ им. Туполева, согласованным с ВВС, ЛИИ МАП, а также с разработчиками радиолокационных станций «ПН» и «Инициатива-2», входящих в Навигационно-прицельные комплексы (НПК) самолётов ТУ-22К и ТУ-95РЦ. Навигационно-прицельный комплекс и радиолокационная станция «ПН» для самолёта ТУ-22К, включая вооружение, разрабатывались в КБ-1 под руководством Шабанова Виталия Михайловича, ставшего впоследствии маршалом, заместителем министра обороны. Мне представилась счаст-ливая возможность в течение длительного времени общаться и работать с этим замечательным человеком, блестящим специалистом и руководителем. Этот период времени был одним из лучших в моей профессиональной деятельности. Он ценил и поддерживал инновационные предложения и способствовал их успешной реализации. Такую же роль в реализации новых идей сыграл Леонид Львович Кербер, который особенно чутко следил за ходом разработки ЦНВУ.
Согласно ТЗ, ЦНВУ, являющийся связующим компонентом комплексной системы самолёта, должен был обеспечить решение следующих задач:
Вычисление и индикация текущих координат местонахождения самолёта в ортодромической системе координат;
Формирование угла доворота на заданный промежуточный пункт маршрута;
Радиолокационная коррекция вычисленных координат по радиолокационному ориентиру;
Расшифровка объекта, видимого на экране индикатора, т. е. вычисление и индикация его ортодромических координат.
Помимо решения перечисленных задач, Техническим заданием предусматривалось выполнение следующих новых требований, связанных с реализацией:
Раздельного управления радиолокационными метками с обеспечением синхронизации;
Совмещённой коррекции курса и счисленных координат местонахождения самолёта.
Ранее отмечалось, что после завершения работ по НА-1, в котором впервые была решена задача управления электронными метками РЛС посредством навигационного вычислительного устройства, работающего в неподвижной, системе координат, привязанной к Земле, теоретические исследования, связанные с поиском способа оптимального управления метками, продолжались. Необходимость их проведения было обусловлена тем, что, как указывалось ранее, предложенный и реализованный в НА-1 способ управления метками, хотя и соблюдал главное условие – обеспечение синхро-низации в процессе управления метками, но не отвечал требованиям оптимального, естественного управления. Метки дальности и пеленга должны управляться раздельно в полярной системе координат. В результате проведённых глубоких теоретических исследований было найдено решение и разработано математическое описание процесса управления радиолокационными метками, удовлетворяющее указанным выше требованиям. Материалы указанной теоретической работы «Методы управления электронными метками на экране индикатора бортовых радиолокационных станций» (Автор: М. З Львовский) были опубликованы в сборниках научных трудов Монинской Военно-воздушной Академии и ЛИИ МАП, а технические решения защищены авторскими свидетельствами на изобретения. Другие научные работы aвтора, посвящённые вопросам комплексирования, также были опуликованы в трудах этих институтов. Результаты научной работы послужили основанием для включения в Техническое Задание на разработку ЦНВУ требования о раздельном управлении радиолокационными метками с одновременным обеспечением их синхронизации. Реализованные в ЦНВУ полученные теорией конечные математические зависимости, обеспечили раздельное управление радиолокационными метками в полярной, естественной для РЛС системе координат при использовании любой развёртки: круговой, секторной, микро плана местности. Благодаря применению в ЦНВУ высоко-точных элементов и рациональных технических решений взаимное влияние при управлении метками было крайне незначительно и не сказывалось ни на качество управления, ни на точность наложения меток на изображение малоразмерных объектов, главным образом в режиме МПМ.
При разработке ЦНВУ рассматривались два варианта управления метками:
Позиционное–при этом способе управления отклонение органа управления меткой вызывает пропорциональное смещение метки от первоначального положения;
По скорости-при этом способе управления, в зависимости от величины отклонение органа управления от нулевого положения, меняется скорость перемещения метки.
На основании результатов проведённых исследований предпочтение было отдано второму варианту. Этот выбор был одобрен штурманским составом ВВС. При разработке устройств управления метками по скорости их удалось объединить в единое устройство с одной ручкой (Авторы: М. З. Львовский, Ф. Д. Жаржавский, В. А. Железнов). При этом, управление меткой дальности осуществляется отклонением ручки вверх и вниз, а меткой бортового пеленга–вправо и влево от нулевого (нейтрального) положения ручки, что полностью соответствовало эргономическим требованиям. В то же время, имея две степени свободы, ручка позволяла одновременно управлять обеими метками, что было расценено штурманским составом как серьёзное достоинство предложенного устройства управления метками. Благодаря этому появилась возмож-ность осуществить быстрый одновременный переброс меток в нужный участок экрана индикатора РЛС. Следует отметить, что при разработке новой сложной комплексной системы для самолёта стратегического назначения, содержащего в качестве вычислителя цифровую вычислительную машину (ЦВМ), Главный конструктор комп-лексной системы Е. С. Липин и ведущий разработчик Н. С. Пермиловский также реализовали в системе описанный способ независимого управления метками. Создание программы управления радиолокационными метками базировалось на разработанном aвтором математическом описании процесса управления, имеющего универсальный характер. Перейдём к совмещённой коррекции курса и вычисленных координат место-нахождения самолёта. Интегральные ошибки в вычислении текущих координат местонахождения самолёта возникают вследствие:
Инструментальной погрешности собственно вычислительного устройства и неточности измерений путевой скорости и угла сноса.
Ошибок измерения курса из-за ухода курсовой системы.
При уходе гирополукомпаса на один градус в час ошибка в определении местонахождения самолёта при полёте на расстоянии 1000км составляет более 15км и она соизмерима с инструментальной погрешностью. В период создания ЦНВУ единственным реальным способом позиционной коррекции вычисленных координат местонахождения самолёта являлось применение радиолокационной коррекции. В связи с этим были начаты исследования по поиску эффективного способа одновременной коррекции ошибок в определении координат местонахождения самолёта и курса с помощью радиолокационных коррекций.
Достигнутые результаты теоретических исследований, посвящённых этой проблеме, были изложены в научной работе автора «Совмещённая коррекция курса и координат местонахождения летательного аппарата (ЛА)» опубликованной в сборнике научных трудов Лётно-исследовательского института МАП. В этой теоретической работе показана возможность осуществления одновременной (совмещённой) коррекции счисленных координат местонахождения самолёта и курса путём выполнения последо-вательно двух радиолокационных коррекций. Рассмотрены условия взаимного расположения самолёта и двух радиолокационных ориентиров, при которых достигае-тся наилучший результат коррекции, а также выведены конечные формулы для вычисления составляющих поправок. В работе рассмотрены два варианта совмещённой коррекции:
Путём двух последовательных радиолокационных коррекций соответственно по двум ориентирам, выполняемых обычным способом c применением устройства управ-ления метками;
Путём радиолокационной коррекции по первому ориентиру обычным способом и радиолокационной коррекции по второму ориентиру с использованием курсозадатчика курсовой системы.
С завершением второй фазы коррекции в обоих вариантах вычисленные поправки вводятся в текущие показания курса и координат местонахождения самолёта. Следует отметить, что в качестве точечных ориентиров для коррекции могут быть использованы радиомаяки и соответственно бортовые радиотехнические средства навигации. Указанная теоретическая работа стала основой для реализации в ЦНВУ режима совмещённой коррекции курса и координат местонахождения самолёта, причём в качестве же способа его осуществления был выбран второй вариант. Как и в предыдущем случае, технические решения, связанные с осуществлением совмещённой коррекции, защищены авторскими свидетельствами на изобретения. Следует также отметить, что позже при создании нового компьютеризированного комплекса Е. С. Липин (Главный конструктор комплекса) и О. А. Артюховский применили подобный двухпозиционный метод коррекции для устранения ошибок инерциальных систем, используя для этой цели астрономическую систему навигации. Как и в предыдущих вычислителях НБА и НА-1 в ЦНВУ основной, решаемой вычислителем задачей является преобразование координат из полярной в прямоугольную систему координат и наоборот – из прямоугольной в полярную. Кроме того, в ЦНВУ осуществляются арифмети-ческие операции и операции масштабирования. Для преобразования координат в ЦНВУ использован векторный построитель, аналогичный используемому в НБА. В отличие от последнего в нём применены более точные синусно-косинусные трансформаторы, а в качестве потенциометров, включённых в их обмотки, использованы 20-ти оборотные реверсивные потенциометры, отличающиеся высокой точностью и разрешающей способностью. Этот потенциометр, изобретённый А. А. Прозоровым и В. А. Железновым, по своему замыслу и техническому воплощению не имел аналогов. Заметную роль во внедрении в производство этого потенциометра сыграл П. А. Гудков, механик-самоучка, создавший серию специальных станков, осуществляющих намотку тонкого высокоомного провода на проволочный каркас.
Здесь необходимо указать на важное достоинство ЦНВУ – наличие в его составе блока программирования координат радиолокационных ориентиров и промежуточных пунктов маршрута. Блок, представляющий набор 20-ти оборотных потенциометров, позволял непосредственно на борту самолёта перед вылетом запрограммировать координаты необходимого числа опознаваемых радиолокационных ориентиров и промежуточных пунктов
Центральное навигационное вычислительное устройство – ЦНВУ
маршрута, используя для установки значений координат собственные счётчики индикатора ЦНВУ. Это был первый случай применения устройства программирования в навигационно-вычислительных устройствах и было высоко оценено лётным составом ВВС.
Для проведения настройки и испытаний в заводских условиях и условиях эксплуа-тации была разработана специальная контрольно-проверочная аппаратура КПА-ЦНВУ. Как указывалось выше, ЦНВУ вошёл в штатное оборудование самолётов стратеги-ческого назначения: бомбардировщика-ракетоносителя ТУ-22К и дальнего разведчика-целеуказателя ТУ-95РЦ. Серийное производство ЦНВУ и КПА-ЦНВУ осуществлял приборостроительный завод «ТЭМП». Продолжительность серийного выпуска более 10 лет. В течение этого времени ЦНВУ подвергался многократной модернизации, связанной с улучшением его эксплуатационных и тактических и эргономических характеристик. По показателям надёжности ЦНВУ относился к числу наиболее надёжных изделий среди бортовых устройств аналогичной сложности.
В период разработки и изготовления опытных образцов ЦНВУ имело место много интересных событий, об одном их которых следует рассказать. Достопримечате-льностью большого кабинета Л. Л. Кербера с полукруглым окном была географическая карта мира почти на всю стену, подаренная ему командованием ВВС. Она дейст-вительно украшала кабинет. По всему периметру карты были широкие белые полосы. Однажды я случайно обратил внимание на большое количество каких-то надписей на карте, обрамлённых кружками различного цвета. Однако, не стал выяснять у хозяина кабинета, что значат эти надписи. После окончания очередного совещания Леонид Львович обратился ко мне с вопросом: «Когда ваше ОКБ поставит нам очередной опытный образец ЦНВУ?» Я назвал дату, которая совпадала с директивной. «Пожалуйста, Матвей Зельманович, вот вам ручка и напишите на краю карты эту дату и аккуратно распишитесь.» Теперь я понял, что означают эти надписи на карте. С его разрешения, углубился в чтение и увидел подписи многих весьма заслуженных и уважаемых людей, в том числе известных главных констструкторов. После этого, я спросил Леонида Львовича, а что значит цвет кружка, обрамляющего надписи. Он ответил: «Kрасным-взятое обязательство выполнено, не выполнено синим». «А какое наказание последует, если не выполнено?» – Он ответил: «Штраф – бутылка марочного коньяка». «А если выполнено?» «Коньяк с меня. Для этого, в моём сейфе всегда находится дежурная бутылка коньяка.» Прошло некоторое время и при очередной встрече в Москве Леонид Львович задал мне вопрос относительно поставки образца ЦНВУ, добавив, что ему кажется, что установленный срок истёк. Я ответил, что образец отправлен досрочно и находится на его складе. Позвонил в Ленинград и узнал номер накладной. Ему подтвердили, что образец находится на месте больше двух недель Он был крайне изумлён и одновременно обрадован; подошёл к карте и обвёл мою подпись красным. Затем открыл свой сейф и вручил мне бутылку коньяка. Она хранилась у меня дома до самого отъезда в Соединённые штаты Америки.
Следует заметить, что ОКБ-470 славилось в министерстве своей пунктуальностью. Возвращаясь к Леониду Львовичу, надо сказать, что помимо того, он был блестящим руководителем и специалистом, а также был замечательным психологом и тонким дипломатом. Предлагая разработчику самому определить срок поставки, он тем самым давал ему шанс не усугублять свою вину перед ОКБ А. Н. Туполева, ибо это сказывалось на сроки передачи самолётов заказчику для испытаний. Перспектива быть обведённым синим на видном месте и окончательно прослыть человеком, не выполняющим взятое личное обязательство, оказывало психологическое воздействие и в ряде случаях давало результат. Поэтому, я был далеко не единственным, чья подпись была обведена красным. Я преклонялся перед умом и мудростью Леонида Львовича, аристократом в полном смысле этого слова. Он был человеком, ищущим компромиссы, никого не обижал и категорически не подставлял под удар начальства.
В заключение этой Главы, необходимо отметить следующее:
1. ОКБ-470 являлось пионером в СССР по разработке многофункциональных аналоговых вычислителей и включения их в штатный состав военных и гражданских самолётов, с помощью которых осуществляется комплексирование бортового оборудования. Оно позволило автоматизировать процесс навигации, освободить экипаж от ручных вычислений, а также снизить физическую и психологическую нагрузку, сократить экипаж, расширить тактические возможности, повысить точность навигации и решение тактических задач. Все вычислители благодаря высоким эксплуатационным характеристикам, в том числе по надёжности, получили высокие оценки экипажей военных и гражданских самолётов. Вычислители были освоены серийно и выпускались для разных модификаций самолётов более 10 лет.
2. Достигнутый научный и практический опыт и прогресс в вычислительной технике, позволивший осуществить переход в последующем с аналоговых вычисли-телей на цифровые дали возможность существенно расширить функции бортовых комплексных систем. Это инициировало в дальнейшем проведение большого объёма научных исследований, направленных на поиск оптимальных решений, обеспечи-вающих самое эффективное использование комплексов при решении большого круга тактических задач.
3. Проведённые автором теоретические исследования в области комплексирования в том числе, связанных с обеспечением синхронизации прицельных меток и опуб-ликованных в научных трудах научно-исследовательских институтов МАП и военно-воздушных академий, привлекли внимание в соответствующих научных кругах. Они стали основой написания многочисленных научных работ, нескольких докторских диссертаций и ещё большего числа кандидатских, отличающихся незначительными, второстепенными нюансами.
В 1963г. произошло знаменательное событие: в результате присоединения к ОКБ ряда других аналогичных организаций, в частности серийных заводов, оно было преобразовано в Ленинградское Научно-Производственное Объединение «Электро-автоматика», которое возглавил П. А. Ефимов – Генеральный директор, Главный Конструктор.