100 рассказов о стыковке - Владимир Сыромятников

В огромном управленческом отделе Б. В. Раушенбаха, переведенном в ОКБ-1 из НИИ-1 в начале 1960 года, также было много сильных механиков. Я уже упоминал моих коллег В. Бранца и Е. Токаря, а И. Шмыглевский и Б. Скотников внесли большой вклад в разработку теории и практики орбитального сближения. Позднее Бранец и Шмыглевский детально разработали теорию так называемых кватернионов — четырехстепенных матриц преобразования трех угловых координат твердого тела из одной системы координат в другую. Казалось бы, эта чисто математическая избыточность давала лишь возможность при вычислениях обходить подводные камни — так называемые особые точки. Когда несколько лет спустя на борту космических аппаратов появился компьютер, теория стала научным и математическим фундаментом построения и математического обеспечения навигационных задач, решаемых системами управления космических кораблей «Союз–Т» и «Союз–ТМ», их более поздних модификаций.

Приступив к созданию стыковочного механизма, я соприкоснулся с проблемами движения и взаимодействия двух твердых тел, с чего началось мое проникновение в теоретическую сферу. В последующие годы подобные задачи мне приходилось решать применительно к робототехнике и другим комплексным инженерным проблемам, которые относятся и к механике, и к математике — двум фундаментальным научным дисциплинам, взаимно дополняющим друг друга. Помню, как в Алма–Ате, где в начале 80–х проходил Всемирный конгресс по теоретической механике, были расставлены указатели: «На конгресс математиков». Мы пытались протестовать. Нам же резонно возражали: какие вы механики, настоящие механики, механизаторы сельского хозяйства, съедутся только через неделю.

Еще одни узы, на этот раз — брачные, связали меня с теоретической механикой. Получилось так, что моя жена Светлана, как и я окончившая МВТУ и успевшая целый год проработать у «самого» Пилюгина, попала в Лестех и в течение 30 лет преподавала там термех. А начиналось это так. После рождения нашего сына Антона мы жили рядом с институтом, снимая небольшую комнату у дальнего знакомого со звучной фамилией Матюкевич. Когда Антону исполнился год, мы стали рассматривать варианты дальнейшей научной карьеры молодой мамы. В конце августа 1961 года я встретил на улице своего старинного соседа и приятеля Григория Шубина, работавшего тогда заместителем декана. Он сказал, что кафедре термеха как раз срочно требуется ассистент. На мои сомнения о готовности молодой женщины быстро переключиться от пеленок к теоретическим задачам замдекана обещал дать целый месяц на переподготовку. Через неделю, прорешав несколько десятков задач по статике, мы втолкнули перепуганную Светлану в аудиторию, заполненную ее одногодками, студентами–вечерниками. После этого, по меньшей мере в течение года, когда засыпал Антон, нам пришлось провести не один вечер над задачами по статике, кинематике и, конечно, динамике. Повторение — мать ученья. Во время сессий я иногда заходил на кафедру и для ускорения участвовал в приеме экзаменов у студентов, в общем, стал почти членом кафедры. Помню, как на 40–летие жены, когда собрались все ее коллеги, я даже произнес тост за «молодое твердое тело», чем привел в восторг таких же молодых и непосредственных, но уже опытных преподавателей и ученых–механиков.

Заведующий кафедрой А. Г. Пилютик, бывший работник НИИ-88, настойчиво добивался того, чтобы Светлана занималась научной работой и готовилась к защите диссертации. Такова была общая политика в высшей школе, весьма заинтересованной в повышении уровня своих преподавателей. Между прочим, в 1959 году в Лестехе образовали дополнительный «нелесной» факультет, который стал готовить специалистов в области РКТ для такого могучего соседа, каким к этому времени оказался Королев. Мне еще предстоит рассказать об этом подробнее. Для настоящей науки у Светланы не хватало двух качеств: упорства и честолюбия. Много лет спустя я утешал ее: наш сын Антон — это твоя кандидатская диссертация, а дочь Катерина -докторская. Не продвинувшись в науке, Светлана тем не менее стала хорошим преподавателем — темпераментным, заинтересованным и справедливым. В общем студенты, ее любили.

И все?таки главным, что связало меня с задачами теоретической механики, оказалась работа над анализом, синтезом и испытаниями различных механизмов, от сравнительно простых приводов и рулевых машин до целых механических систем. Когда мы приступили к проектированию стыковочного механизма, задача движения и взаимодействия двух твердых тел стала моей первой полномасштабной теоретической разработкой. Для космической стыковки требовалось создать многостепенную амортизационную систему, которая должна гасить энергию, амортизировать столкновение двух многотонных космических аппаратов, двух тяжелых свободных тел. Без математической модели, без системы дифференциальных уравнений здесь не обойтись.

Стыковка начинается с удара одного космического аппарата о другой. Сравнительно короткая фаза стыковки от первого соударения до соединения кораблей связана с динамикой и требует специального анализа. Однако подробная модель динамики стыковки настолько сложна, что разобраться в отдельных деталях оказывается трудно. С полным правом можно сказать, что «за деревьями леса не видно». С другой стороны, нам, конструкторам стыковочного механизма, требовались для расчета более простые и наглядные методы. Если ты не способен разобраться в своем деле, тебя не только перестанут уважать другие, ты потеряешь уважение к себе. Такие соображения заставили меня искать более простые решения.

Теория удара — один из разделов теоретической механики, который начинается с удара материальной точки. Стыковка — это удар двух свободных твердых тел. Поэтому теория, математическая модель движения и взаимодействия при стыковке существенно сложнее. Мне удалось где?то откопать работу известного российского механика и основоположника современной аэродинамики Н. Е. Жуковского, посвященную удару двух абсолютно твердых тел. Его основная идея заключалась в том, чтобы произвольный удар двух тел свести к удару двух материальных точек. Масса этих точек определялась их моментами инерции и геометрическими характеристиками. Таким образом, сложная исходная модель со многими степенями свободы сводилась к существенно более простой приведенной модели.

В классической механике удар определяется как явление, в котором время взаимодействия пренебрежимо мало, а скорости изменяются мгновенно. При стыковке такое предположение очень условно. Более реально рассматривать процесс, когда время взаимодействия конечно. Тем не менее идея Жуковского подтолкнула меня к разработке методов расчленения задачи на более простые составные части, позволившие рассчитывать пространственные амортизационные системы почти как простые, одностепенные амортизаторы.