Management of preparation of "Energia"

Ground starting complexes of a booster rocket of "Energia" represent a number{line} of the constructions dispersed on the big area that is caused by requirements of their mutual safety of a case of possible{probable} supernumerary situations both inside of constructions, and outside of them, at failure{accident} of a rocket on start.
The structure of a starting complex includes three starting constructions: two regular starts, constructed on the basis of earlier used starting designs for start-up of booster rocket Н-1, and again constructed stand-start.
Storehouses of components of fuel - liquid hydrogen and oxygen - represent spherical capacities with экранно-vacuum isolation. Considering their special explosion hazard, capacities have born{have taken out} on significant distance from the starting device where there is a rocket. Less dangerous components and the compressed gases are located rather close to the starting device. Service is conducted from a mobile tower which "is rolled" on a booster rocket, and its{her} special platforms provide access practically to any unit, including to useful loading. Before the beginning of process of refuelling of a booster rocket this tower allocate{remove} on safe distance.
All pneumo-hydraulic and electric communications{connections} of the ground equipment with a booster rocket are carried out through its{her} end face and a lateral surface by means of the заправочно-drainage mast having mobile platforms on which communications for refuelling are laid, a drainage, and also electric cables of communication{connection} "Earth-board". The mast is a tower power{force} ферменной designs in height about the twenty-storied house. According to the technological schedule these platforms are serially allocated{removed}, and last where the highway of a drainage of hydrogen is located, - after start of engines and the beginning of movement of a rocket. Its{her} weight more than 20 т, and demanded time for tap{removal} - some seconds.
The starting device on which there is a booster rocket and from which it{she} will start, represents a ferro-concrete design with the mechanisms of deduction of a booster rocket located in it{her} and devices of a supply to it{her} пневмо-гадравлических and electrocommunications{electroconnections}. Under it{him} is заглубленный a tray for tap{removal} of gas of impellent installations at start of a booster rocket. For the period of a spadework on start the part газоотводного the channel is closed by the special sliding floor providing safety of the attendants and access to an end face of a booster rocket. At the universal stand-start a tray односкатный, on a starting complex - three газоотхода.
Some seconds prior to start of engines on pipelines through apertures in a launcher streams of water in a zone of a torch of working engines move to reduce acoustic loadings by a rocket. Water delivery at the stand-start is carried out continuously during start and the beginning of flight of a rocket from the general{common} capacity with a stock of water 5 thousand м3. On regular start two capacities with тысячью cubic metre of water which during the moment of start is superseded by the accumulator of pressure in a zone of a torch in some cascades of work are established{installed}.
The automatic system of preparation for start-up coordinates work of all ground and onboard systems. A little сот gauges of onboard system of the centralized control of parameters verify temperature and pressure in various points of a design of a rocket, in compartments and tanks and through the ground equipment support{maintain} these parameters in the set limits.
Prior to the beginning of refuelling a rocket by components of liquid fuel the system пожаро-взрывопредупреждения puts into operation. It{she}, despite of the numerous constructive decisions, allowing to exclude an opportunity of outflow of components of fuel, is called to work in so-called supernumerary situations and to provide safety from possible{probable} formation{education} in compartments of the carrier{bearer} of explosive mixes. In structure of system there are some tens high-sensitivity and exact gas analyzers паров hydrogen, oxygen, kerosene and firemen извещателей, reacting on a flame of hydrogen. The information received from them is processed and analyzed by the specialized digital computer complex. And occurrence of a пожаро-explosive situation suppresses with the onboard and ground equipment of system пожаропредупреждения which submits to necessary compartments gaseous nitrogen, and if necessary - and highly effective extinguishing substance.
Before refuelling of tanks of a rocket by fuel there begins work the monitoring system of refuelling. Specific features of components of fuel, such as, for example, ultralow temperatures, small relative density, and also high requirements on accuracy of measurements (they should be carried out with a margin error all in 10 mm at height of tanks up to 30), have demanded creation for "Energia" unique on the characteristics and opportunities of the monitoring system. For this purpose in each of tanks the capacitor discrete and continuous gauges are established{installed}, allowing to measure a level of fuel on all height of a tank. Their indications through the ground equipment act in automatic system of preparation of rocket firing and are used then for management of process of refuelling, including synchronization of filling. All this allows to avoid not settlement loading on a design of a rocket.
After the termination{ending} of refuelling the mentioned systems together with ground provide down to start regulation среднебаковой temperatures to within one degree and a level переохлажденных components of fuel. It is necessary to tell, that during all prestarting operations parameters of a rocket and ground systems are adjusted{regulated} and if necessary displayed on boards of operators.

Циклограмма works of a control system of a booster rocket

The scheme{plan} (циклограмма) reveals in a "legible" kind only from CD-version

With end of refuelling of a rocket by fuel action is entered with onboard and ground complexes of independent management. Such complex is capable to provide completely an automatic mode prestarting checks of all onboard equipment of a rocket, to execute prestarting operations, to carry out start of engines and management of systems and a rocket at independent flight. Before rocket firing operative data of the flight task who specify earlier the placed file of the information on start-up are brought in memory of the computer of an onboard control system. For example, actual temperature of fuel, last data on метеоусловиям. After that the continuous automatic operating mode of a rocket begins. On set a cyclogram various systems join, performance of commands{teams} of a complex of independent management is supervised.
At failure detection (are supervised a little сот operations) in system of preparation of start-up the command{team} of the automatic termination{discontinuance} of preparation stands out. Performance of the further operations is cancelled also a complex of independent management comes to an initial condition. However depending on the moment of delivery of a command{team} of the termination{discontinuance} of preparation probably decision-making and on recurrence of prestarting operations, but already with shift of the moment of start-up on time. If the command{team} is generated after so-called "irreversible" operations (shooting from a rocket of ground electro-pneumocommunications, delivery of a command{team} on start of engines, and others) regenerative works are already necessary. And to provide safety of their carrying out, it is necessary to carry out and plums of fuel from tanks.
During prestarting operations onboard a rocket onboard sources of power supplies join. Together with them the control there begins system of emergency protection of engines. By means of special оптико-electronic system of an aiming gyroscopes are resulted{brought} in starting position. Before start of engines of the second step the system дожига emissions of not reacted hydrogen joins. The system пожаро-взрывопредупреждения continues the control of a condition of the gas environment over compartments of a launcher and possible{probable} ignition паров hydrogen after rocket firing and if there will be a necessity, is capable to submit to a corresponding{meeting} compartment gaseous nitrogen.
Safety of work of engines of the first and second steps is watched{kept up} by system of emergency protection. In its{her} structure - gauges of temperature, pressure, turns{turnovers} турбонасосного the unit and other critical parameters of engines, and also усилительно-преобразующая the equipment and the digital computer complex processing the information from gauges of all eight engines. At a deviation{rejection} of parameters of any engine the established{installed} limits the command{team} on deenergizing of the emergency engine stands out and by that the opportunity of its{his} destruction is excluded.
Unlike traditional schemes{plans} of onboard systems of independent management in flight the system operates also all onboard complex. It{she} distributes{allocates} between all consumers the electric power received at the first step from batteries, and on the second - from турбогенераторного a source of a current, supervises over an expenditure of fuel and adjusts{regulates} work of all engines, operates automatics of branch of missile stages and a payload, includes and switches modes and switches off all adjacent systems.
High degree of automation, application of the advanced mathematical methods of formalization of technological processes of preparation and start-up - the basic features of a ground complex of a booster rocket of "Energia".
The system of automated management is constructed by a starting complex by a hierarchical principle and has three levels with total amount of given out commands{teams} and accepted signals more than hundred thousand. The first level is connected directly with a rocket and acts in a role ⌠дирижера ■ in relation to systems of the second, and in some cases and the third level. Any process in systems of the bottom level cannot begin without a command{team} or the sanction of a highest level, and only it{he} can give out commands{teams} on agencies of a rocket till the moment of start of engines.
Refusal of traditional programming and transition to declarative representation of knowledge of technological process of preparation of start-up has allowed to exclude the programmer as the intermediary between operating computer and the director of a problem{task} - the process engineer. The information in the form of графомодели is entered into the электронно-computer directly.
As rules of functioning of all models are uniform, that, using operating computers, it was possible to create the universal automatic device which under indications of a current condition of gauges, agencies of a booster rocket and commands{teams} of systems of the second level provides automated management of preparation of a booster rocket to start-up.
Realization of this approach has sharply increased reliability of management and has provided an opportunity of operative modification in it{him}. Productivity of stages of new process in comparison with traditional, accepted for computers, has raised{increased} in 10-100 times.
The law of management of prestarting preparation considers also many supernumerary situations, and it{he} not only registers{records} them, but also prompts as to leave them. At least more than five hundred supernumerary situations have turned to their parryings regularly incorporated in the program.
Operators of top level of management are behind boards with three color displays and give out, if there were delays on separate operations in systems of the second and third levels, no more than 3-5 commands{teams} for transition to the next process. All rest of the time they supervise a course of technological process according to on displays.
In the technological schedule of prestarting preparation certain reserve time for elimination of possible{probable} malfunctions is provided. Such reserve time has been incorporated and in the schedule of start-up of "Energia". Happens so, that it{him} have been compelled{forced} to use in May, 1987
During захолаживания a tank gaseous hydrogen one of agencies "завис" in an intermediate condition also has ceased to react to commands{teams} of management. During this moment the flexibility incorporated in an automated control system also was necessary. Not interrupting all other processes on nine remained tanks and other parallel operations, have allocated the site of technological process connected with "зависшим" by an agency. Under the special program made by a technical management{manual}, have lead trouble-shooting test by definition of a true condition of this agency, and then it{he} has been translated{transferred} by the certain commands{teams} in the necessary position. During submission in a tank of liquid hydrogen - some more additional commands{teams}, and it{he} are precise on them have reacted. As precisely worked and further.
Following important problem which should be solved, especially for the first start-up, reception in real time information on parameters pneumatichydraulic and other schemes{plans} of a rocket was. For this purpose three systems of the second level were used. The first is based{founded; established} on a principle of remote measurement that has allowed technologists-developers to watch{keep up} continuously a course of change of parameters during preparation with documenting the most important sites. In two other systems the principle of telemeasurements with documenting process of preparation and the subsequent processing of the information in real time for its{her} conclusion to displays is incorporated.
Special class control systems make, measurements and the control of storehouse of components of fuel and gases. They provide their storage, and during refuelling operate submission on an input{entrance} of a booster rocket. They differ from the automated control system of a starting complex that functions of management and the control over them are incorporated in one system on the basis of specially developed microprocessor. The algorithm of their work is programmed by methods traditional for computers, and then these programs are brought in constant memories directly at the cosmodrome that creates a basis for operative entering the necessary changes arising during prestarting preparation.
The greater{big} help in a supply with information of heads of preparation of start-up was rendered by system of technological TV. It{she} provides remote visual survey practically any external unit of a rocket and elements of the ground equipment.
The same system carried out the visual control over tap{removal} of the ground equipment from a rocket directly ahead of start-up and during its{his} moment, and also supervised start of impellent installations and an initial site of flight of "Energia" and "Buran".

Original version of the text

Управление подготовкой "Энергии"

Наземные стартовые комплексы ракеты-носителя "Энергия" представляют собой ряд сооружений, рассредоточенных на большой площади, что обусловлено требованиями их взаимной безопасности на случай возможных нештатных ситуаций как внутри самих сооружений, так и вне их, при аварии ракеты на старте.
В состав стартового комплекса входят три стартовых сооружения: два штатных старта, построенных на базе ранее используемых стартовых конструкций для пусков ракеты-носителя Н-1, и вновь построенный стенд-старт.
Хранилища компонентов топлива - жидких водорода и кислорода - представляют собой шаровые емкости с экранно-вакуумной изоляцией. Учитывая особую их взрывоопасность, емкости вынесли на значительное расстояние от стартового устройства, где стоит ракета. Менее же опасные компоненты и сжатые газы расположены относительно близко к пусковому устройству. Обслуживание ведется с мобильной башни, которая "накатывается" на ракету-носитель, а ее специальные площадки обеспечивают доступ практически к любому узлу, в том числе и к полезной нагрузке. Перед началом процесса заправки ракеты-носителя эту башню отводят на безопасное расстояние.
Все пневмо-гидравлические и электрические связи наземного оборудования с ракетой-носителем осуществляются через ее торец и боковую поверхность посредством заправочно-дренажной мачты, имеющей подвижные площадки, по которым проложены коммуникации для заправки, дренажа, а также электрические кабели связи "Земля-борт". Мачта - это башня силовой ферменной конструкции высотой с двадцатиэтажный дом. В соответствии с технологическим графиком эти площадки поочередно отводятся, а последняя, где расположена магистраль дренажа водорода, - после запуска двигателей и начала движения ракеты. Ее масса более 20 т, а требуемое время на отвод - несколько секунд.
Пусковое устройство, на котором стоит ракета-носитель и с которого она стартует, представляет собой железобетонную конструкцию с расположенными в ней механизмами удержания ракеты-носителя и устройствами подвода к ней пневмо-гадравлических и электросвязей. Под ним находится заглубленный лоток для отвода газа двигательных установок при запуске ракеты-носителя. На время подготовительных работ на старте часть газоотводного канала закрывается специальным выдвижным полом, обеспечивающим безопасность обслуживающего персонала и доступ к торцу ракеты-носителя. На универсальном стенде-старте лоток односкатный, на стартовом комплексе - три газоотхода.
За несколько секунд до запуска двигателей по трубопроводам через проемы в пусковой установке подаются потоки воды в зону факела работающих двигателей, чтобы уменьшить акустические нагрузки на ракету. Подача воды на стенде-старте осуществляется непрерывно в процессе запуска и начала полета ракеты из общей емкости с запасом воды 5 тыс. м3. На штатном старте установлены две емкости с тысячью кубометров воды, которая в момент запуска вытесняется аккумулятором давления в зону факела в несколько каскадов работы.
Автоматическая система подготовки к пуску координирует работу всех наземных и бортовых систем. Несколько сот датчиков бортовой системы централизованного контроля параметров сверяют температуру и давление в различных точках конструкции ракеты, в отсеках и баках и через наземную аппаратуру поддерживают эти параметры в заданных пределах.
До начала заправки ракеты компонентами жидкого топлива включается в работу система пожаро-взрывопредупреждения. Она, несмотря на многочисленные конструктивные решения, позволяющие исключить возможность утечки компонентов топлива, призвана срабатывать в так называемых нештатных ситуациях и обеспечить безопасность от возможного образования в отсеках носителя взрывоопасных смесей. В составе системы имеется несколько десятков высокочувствительных и точных газоанализаторов паров водорода, кислорода, керосина и пожарных извещателей, реагирующих на пламя водорода. Получаемая от них информация обрабатывается и анализируется специализированным цифровым вычислительным комплексом. А появление пожаро-взрывоопасной ситуации подавляется бортовой и наземной аппаратурой системы пожаропредупреждения, которая подает в необходимые отсеки газообразный азот, а при необходимости - и высокоэффективное гасящее вещество.
Перед заправкой баков ракеты топливом начинает работу система контроля заправки. Специфические особенности компонентов топлива, такие, как, например, сверхнизкие температуры, малый удельный вес, а также высокие требования по точности измерений (они должны выполняться с погрешностью всего в 10 мм при высоте баков до 30 м), потребовали создания для "Энергии" уникальной по своим техническим характеристикам и возможностям системы контроля. Для этого в каждом из баков установлены емкостные дискретные и непрерывные датчики, позволяющие измерять уровень топлива по всей высоте бака. Их показания через наземную аппаратуру поступают в автоматическую систему подготовки пуска ракеты и используются затем для управления процессом заправки, в том числе и синхронизации заполнения. Все это позволяет избежать нерасчетной нагрузки на конструкцию ракеты.
После окончания заправки упомянутые системы совместно с наземными обеспечивают вплоть до старта регулирование среднебаковой температуры с точностью до одного градуса и уровня переохлажденных компонентов топлива. Нужно сказать, что в процессе всех предпусковых операций параметры ракеты и наземных систем регулируются и при необходимости отображаются на пультах операторов.

Циклограмма работы системы управления ракеты-носителя

Схема (циклограмма) раскрывается в "удобочитаемом" виде только с CD-версии

С завершением заправки ракеты топливом в действие вступают бортовой и наземный комплексы автономного управления. Такой комплекс способен обеспечить полностью автоматический режим предпусковые проверок всей бортовой аппаратуры ракеты, выполнить предпусковые операции, осуществить запуск двигателей и управление системами и ракетой при автономном полете. Перед пуском ракеты в память вычислительной машины бортовой системы управления вносятся оперативные данные полетного задания, которые уточняют ранее размещенный массив информации на пуск. Например, фактическую температуру топлива, последние данные по метеоусловиям. После этого начинается непрерывный автоматический режим работы ракеты. По заданной циклограмме включаются различные системы, контролируется выполнение команд комплекса автономного управления.
При обнаружении неисправности (контролируются несколько сот операций) в систему подготовки пуска выдается команда автоматического прекращения подготовки. Выполнение дальнейших операций отменяется и комплекс автономного управления приходит в исходное состояние. Однако в зависимости от момента выдачи команды прекращения подготовки возможно принятие решения и о повторении предпусковых операций, но уже со сдвигом момента пуска по времени. Если же команда сформирована после так называемых "необратимых" операций (отстрела от ракеты наземных электро-пневмокоммуникаций, выдачи команды на запуск двигателей, и других), то уже необходимы восстановительные работы. А чтобы обеспечить безопасность их проведения, приходится выполнять и слив топлива из баков.
В процессе предпусковых операций на борту ракеты включаются бортовые источники электропитания. Вместе с ними свой контроль начинает система аварийной защиты двигателей. С помощью специальной оптико-электронной системы прицеливания приводятся в стартовое положение гироскопы. Перед запуском двигателей второй ступени включается система дожига выбросов не прореагировавшего водорода. Система пожаро-взрывопредупреждения продолжает контроль состояния газовой среды в отсеках пусковой установки и возможного возгорания паров водорода после пуска ракеты, и если возникнет необходимость, способна подать в соответствующий отсек газообразный азот.
За безопасностью работы двигателей первой и второй ступеней следит система аварийной защиты. В ее составе - датчики температуры, давления, оборотов турбонасосного агрегата и других критичных параметров двигателей, а также усилительно-преобразующая аппаратура и цифровой вычислительный комплекс, обрабатывающий информацию от датчиков всех восьми двигателей. При отклонении параметров какого-либо двигателя за установленные пределы выдается команда на выключение аварийного двигателя и тем самым исключается возможность его разрушения.
В отличие от традиционных схем бортовых систем автономного управления в полете система управляет еще и всем бортовым комплексом. Она распределяет между всеми потребителями электроэнергию, получаемую на первой ступени от батарей, а на второй - от турбогенераторного источника тока, руководит расходованием топлива и регулирует работу всех двигателей, управляет автоматикой отделения ступеней ракеты и полезного груза, включает и переключает режимы и выключает все смежные системы.
Высокая степень автоматизации, применение самых современных математических методов формализации технологических процессов подготовки и пуска - основные особенности наземного комплекса ракеты-носителя "Энергия".
Система автоматизированного управления стартовым комплексом построена по иерархическому принципу и имеет три уровня с общим объемом выдаваемых команд и принимаемых сигналов более ста тысяч. Первый уровень связан непосредственно с ракетой и выступает в роли ⌠дирижера■ по отношению к системам второго, а в некоторых случаях и третьего уровня. Ни один процесс в системах нижнего уровня не может начинаться без команды или разрешения высшего уровня, и только он может выдавать команды на исполнительные органы ракеты до момента запуска двигателей.
Отказ от традиционного программирования и переход к декларативному представлению знаний о технологическом процессе подготовки пуска позволил исключить программиста как посредника между управляющей вычислительной машиной и постановщиком задачи - инженером-технологом. Информация в виде графомодели вводится в электронно-вычислительную машину непосредственно.
Поскольку правила функционирования всех моделей едины, то, используя управляющие вычислительные машины, удалось создать универсальный автомат, который по показаниям текущего состояния датчиков, исполнительных органов ракеты-носителя и команд систем второго уровня обеспечивает автоматизированное управление подготовки ракеты-носителя к пуску.
Реализация этого подхода резко увеличила надежность управления и обеспечила возможность оперативного внесения изменений в него. Производительность этапов нового процесса по сравнению с традиционными, принятыми для вычислительных машин, повысилась в 10-100 раз.
Закон управления предстартовой подготовкой учитывает и многие нештатные ситуации, причем он не только их регистрирует, но и подсказывает как выйти из них. По крайней мере более пятисот нештатных ситуаций превратились в штатно заложенные в программу их парирования.
Операторы верхнего уровня управления находятся за пультами с тремя цветными дисплеями и выдают, если были задержки по отдельным операциям в системах второго и третьего уровней, не более 3-5 команд для перехода к очередному процессу. Все остальное время они контролируют ход технологического процесса по информации на дисплеях.
В технологическом графике предстартовой подготовки предусматривается определенное резервное время на устранение возможных неисправностей. Такое резервное время было заложено и в график пуска "Энергии". Случилось так, что его были вынуждены использовать в мае 1987 г.
В процессе захолаживания бака газообразным водородом один из исполнительных органов "завис" в промежуточном состоянии и перестал реагировать на команды управления. В этот момент и понадобилась заложенная в автоматизированную систему управления гибкость. Не прерывая всех остальных процессов по девяти оставшимся бакам и других параллельных операций, выделили участок технологического процесса, связанный с "зависшим" исполнительным органом. По специальной программе, составленной техническим руководством, провели диагностический тест по определению истинного состояния этого исполнительного органа, а затем определенными командами он был переведен в нужное положение. Во время подачи в бак жидкого водорода - еще несколько дополнительных команд, и он четко на них отреагировал. Так же четко работал и далее.
Следующей важной проблемой, которую надо было решить, особенно для первых пусков, явилось получение в реальном масштабе времени информации о параметрах пневмогидравлической и других схем ракеты. Для этого использовались три системы второго уровня. Первая основана на принципе дистанционного измерения, что позволило технологам-разработчикам непрерывно следить за ходом изменения параметров в процессе подготовки с документированием наиболее важных участков. В двух других системах заложен принцип телеизмерений с документированием процесса подготовки и последующей обработкой информации в реальном масштабе времени для вывода ее на дисплеи.
Особый класс составляют системы управления, измерения и контроля хранилища компонентов топлива и газов. Они обеспечивают их хранение, а в процессе заправки управляют подачей на вход ракеты-носителя. От автоматизированной системы управления стартовым комплексом они отличаются тем, что функции управления и контроля в них объединены в одной системе на базе специально разработанного микропроцессора. Алгоритм их работы программируется традиционными для вычислительных машин методами, а затем эти программы заносятся в постоянные запоминающие устройства непосредственно на космодроме, что создает основу для оперативного внесения необходимых изменений, возникающих в процессе предстартовой подготовки.
Большую помощь в информационном обеспечении руководителей подготовки пуска оказала система технологического телевидения. Она обеспечивает дистанционный визуальный осмотр практически любого внешнего узла ракеты и элементов наземного оборудования.
Такая же система осуществляла визуальный контроль за отводом наземного оборудования от ракеты непосредственно перед пуском и в момент его, а также контролировала запуск двигательных установок и начальный участок полета "Энергии" и "Бурана".