К истории создания информационно-измерительных, вычислительных и управляющих комплексов для космических исследований в СССР (вклад учёных Ленинградского политехнического института имени М.И. Калинина)

А. Ю. Глебовский, В. М. Иванов

Роль космических проектов в развитии фундаментальных и прикладных наук

«... Человек должен стремиться за пределы достижимого.
Иначе, зачем небеса?»
Роберт Браунинг
поэма «Андреа делъ Сарто», строка 98

Существенными стимулами и источниками научно-технического прогресса служат усилия и достижения в военных областях, связанных, в частности, с созданием новых способов дальнего обнаружения и дистанционного слежения за объектами, ориентирования на местности, созданием систем управления движением средств доставки грузов и боевыми действиями. Исследования в военно-технических областях способствовали развитию важнейших направлений фундаментальных и прикладных наук, в том числе ядерной физики, оптики, акустики, кибернетики, теории автоматического управления, теории связи и кодирования, криптологии, информатики, логистики и др.

Плодами оборонных научных исследований стали открытия, позволившие создать широкий спектр новых источников энергии, материалов, технологий, видов транспорта, вычислительных, телекоммуникационных, робототехнических и интеллектуальных систем, применение которых в глобальном масштабе в мирных целях трудно переоценить. Достаточно вспомнить, что первые электромеханические (Z3 в Германии, Магк-1 в США) и электронные (ENIAC в США) компьютеры были созданы для решения баллистических задач - расчётов траекторий снарядов при стрельбе, а впоследствии и траекторий ракет.

Достижения ракетных технологий открыли эру освоения космического пространства в научных и практических целях, раскрыли новые горизонты для фундаментальных геофизических, метеорологических, экологических и астрофизических исследований, позволили создать новые виды спутниковой связи и геопозиционирования.

В конце 60-х гг. в рамках проекта DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) в США при участии трёх ведущих университетов создавалась оборонная сеть ARPAnet [16]. Группа аспирантов под руководством профессора Леонардо Клейнрока в университете UCLA (Лос-Анжелес) разработала архитектуру пакетных сетей на основе иерархии протоколов, на которой базируется современная сеть Интернет [17].

Середина прошлого века проходила в условиях идеологического и военно-политического противостояния США и СССР, что обусловило их жёсткое соперничество в стратегически важных областях науки и техники, в первую очередь, связанных с развитием ракетно-ядерного потенциала и космических технологий этих стран [7,14].

Новость о запуске в СССР первого ИСЗ 4 октября 1957 г. комментировалась в американской печати как их национальное унижение. Последовавшие затем в СССР новые удачные космические старты и, особенно, орбитальный полет Ю.А. Гагарина, стали для США новыми сюрпризами. В ракетной технике обе страны в то время были примерно на одинаковом уровне. Однако неожиданным для Запада стало то, что, несмотря на, казалось бы, явное отставание в электронной технике, СССР располагал некими «секретными» эффективными средствами обработки траекторных измерений в реальном времени, необходимыми для обеспечения многократных успешных запусков ракет-носителей.

Завеса секретности была снята лишь в начале 90-х гг., и в отдельных ведомственных материалах появились краткие упоминания о работах того периода, выполнявшихся в ЛИИ им. М.И. Калинина на кафедре и в ОКБ, возглавляемых профессором Т.Н. Соколовым [3]. За последние 20 лет опубликованы полдюжины посвящённых этой теме изданий, в том числе сборники воспоминаний участников событий [4, 8, 9].

Для широкого круга читателей наиболее интересна фундаментальная монография [10]. Она уникальна по широте охвата, воспитательной роли для молодого поколения, глубине рассмотрения и литературной манере изложения материала. На титульном листе приведено её полное название: «Учебное пособие по работе и жизни, или занимательная документальная повесть о том, как молодёжь опытно-конструкторского бюро Ленинградского политехнического института под руководством профессора Т.Н. Соколова создала первую отечественную систему автоматизированного управления ракетными войсками стратегического назначения». Были также изданы корпоративные летописные публикации с описанием основных вех развития НПО «Импульс» и личных достижений его сотрудников [5, 6].

Цели и задачи статьи

К сожалению, все названные выше публикации были выпущены издательствами СПбГПУ и НПО малыми тиражами, которые распространялись по подписке. Они доступны ограниченному контингенту читателей в некоторых научно-технических библиотеках.

Поисковые запросы по англоязычным источникам в Интернет приносят лишь несколько отрывочных сведений о разработанной в НПО системе командного управления космическими объектами Signal [12, 13, рр. 326-331]. Статья в газете Washington Post периода перестройки (15 марта 1998 г.) выражала озабоченность в связи с финансовыми проблемами в НПО «Impuls» и, как следствие, потенциально возможной угрозой развала российской системы противоракетной защиты (!). Вот все, что удалось найти.

Вспоминаются слова проф. Б.Е. Аксенова, заведовавшего кафедрой ИУС в 90-е годы. Он сказал примерно следующее. «В конце 60-х гг. лаборатория телекоммуникаций в ОКБ и группа исследователей по оборонному проекту в США независимо и успешно решили задачу создания пакетных сетей ЭВМ для своих национальных оборонных систем. Теперь разработки DARPA известны всему миру, тогда как наши достижения в этой области опубликованы, в основном, лишь в ведомственных отчётах».

В целом создаётся впечатление, что деятельность проф. Т.Н. Соколова, созданная им научная школа автоматизированного управления сложными распределёнными системами, исторически важные проекты, исследования и результаты, с которых уже давно снят гриф секретности, всё это сегодня остаётся «широко известным, но в узких кругах».

Цель данной статьи - достичь того, чтобы приводимые ниже сведения стали достоянием более широких кругов научно-технической общественности, преподавателей и студентов в нашей стране. Полагаем, что и за рубежом в академических и инженерных кругах эти страницы истории творческой конкуренции стран в областях вычислительной техники и телекоммуникаций тоже могут быть восприняты с интересом.

Здесь не рассматриваются проблемы кооперации и соперничества между родственными и конкурирующими организациями («кафедра Соколова», ОКБ/НПО «Импульс», ОКБ «Радуга», НИИАА, завод им. М.И. Калинина и др.), делавшими общее дело и претендовавшими на получение государственных заказов и на лидерство в выполнении правительственных постановлений. Не обсуждаются детали распределения ролей и личных достижений участников тех или иных проектов. Такие сведения, представляющие ценность в первую очередь для корпоративного информирования, весьма подробно освещены руководителями названных организаций, их ведущими сотрудниками и участниками событий - авторами статей в указанных выше сборниках.

На примере одной из выдающихся отечественных научных школ и научно-производственных организаций изложение концентрируется на принципиальных моментах становления вузовской науки в рассматриваемый период. Прослеживаются закономерности развития и «вегетативного размножения» поколений творческих коллективов.

Отмечена неразрывная связь вузовского обучения с участием студентов в фундаментальных и прикладных исследованиях, в научных семинарах, а также в реальных проектах на кафедрах. Принцип вовлечения студентов в научно-исследовательскую работу, зародившийся в научных учреждениях, созданных около века назад по инициативе профессора Политехнического института А.Ф. Иоффе, и знаменитый творческий «дух Физтеха» были унаследованы кафедрами физико-механического, а затем и радиотехнического факультетов ЛПИ. Наиболее активно студенты привлекались к участию в исследованиях и проектах, выполнявшихся на кафедре и в ОКБ, руководимых профессором Т.Н. Соколовым.

Становление научной школы профессора Т.Н. Соколова

Предваряя празднование 100-летия со дня основания Санкт-Петербургского Императора Петра Великого Политехнического института, были изданы материалы, обобщающие достижения ведущих учёных института. Сборник материалов о научной посоле автоматизированных систем управления (АСУ), родоначальником которой был профессор Тарас Николаевич Соколов, назвали «Стремительный взлёт» [4].

Лучшего названия не придумать! Об этом свидетельствуют творческая биография самого Тараса Николаевича, спектр начатых и поддержанных им новых научных направлений, научные достижения его ближайших последователей и многочисленных учеников (Т.К. Кракау «Т.Н. Соколов» [9, с. 331-337]). Уровень и размах выполненных под его руководством проектов государственного масштаба были высоко оценены и отмечены высшими правительственными наградами. Хронология основных вех становления и развития научной школы Т.Н. Соколова приведена в Приложении и свидетельствует о необычайно высоких темпах ускорения работ во всех направлениях этой плодотворной деятельности.

Начав с кафедры, на которой в 1952 г. было всего 3 преподавателя (позже присоединились 3 инженера), Т.Н. Соколов организовал при ней две проблемные лаборатории - одну из них по тогда новой тематике вычислительных машин «дискретного действия». В них вскоре работали уже около сотни талантливых инженеров и научных работников (1957-1960 гг.). Затем в 1961 г. было создано ОКБ ЛПИ. Начальный контингент из 500 его сотрудников удвоился к 1963 г. Поразительны успехи, достигнутые за первые 10 лет коллективами преподавателей кафедры и сотрудников ОКБ. Спектр теоретических исследований и инженерных разработок стремительно расширялся. Об их чрезвычайно высоком уровне свидетельствуют публикации в выпусках сборников специализированных серий Трудов ЛПИ под редакцией Т.Н. Соколова [1-3].

За первые 4 года была создана серия аналоговых вычислительных машин (АВМ) «Модель1» - «Модель4» для решения систем нелинейных дифференциальных уравнений высокого порядка, позволявших проводить исследования динамики различных подвижных объектов в стыковке с реальной аппаратурой. Развивая направление, сформированное на физико-механическом факультете (см. прил.), кафедра наращивала опыт в области автоматического управления движением самолётов, ракет и торпед, развивала АВМ, следящие системы и динамические стенды [4, с. 12-27.]. Удачный дебют обеспечил потенциал, необходимый для второго витка эволюции кафедры. Назрела необходимость создания автоматизированных систем с цифровой обработкой данных в контуре управления.

Проект траекторных измерений, вычислители «Кварц» и «Темп»

В 1956 г. правительство СССР постановило начать работы по выводу на орбиту ИСЗ с помощью баллистических ракет. Для определения параметров траекторий ракет создавалась цепь измерительных пунктов (ИП), оснащённых радиолокационными станциями (РЛС) разработки ОКБ МЭИ. В эпоху аналоговой техники данные измерений предназначались для отображения координат на осциллографе, но не для их обработки в реальном времени. Соответственно, встала проблема оцифровки, обработки, хранения и пересылки данных в ВЦ. Разработка состыкованного с РЛС «преобразующего, осредняющего и запоминающего устройства» (ПОЗУ) поручалась ЛПИ. Научный руководитель проекта - Т.Н. Соколов, срок ввода системы в эксплуатацию - полтора года.

Задача была решена. Поступающие с датчиков РЛС аналоговые данные траектории летящего объекта (полярные координаты - дальность, угол места и азимут) оцифровывались с привязкой отсчётов к единому времени, усреднялись, сохранялись в ЗУ на магнитной ленте, а затем по каналам дальней связи передавались на ВЦ [3, с.28-30]. Кстати, здесь впервые был применён код Хемминга с исправлением ошибок (Б.Е. Аксёнов [3, с.41-43]). Комплекс обработки результатов траекторных измерений в реальном времени потребовал создания вычислителя, которому дали условное имя «Кварц». Это была первая в стране специализированная ЦВМ на феррит-диодных логических элементах ФДЭ [3, с.41]. Выбор таких, в то время новых, элементов позволил повысить надёжность при меньших габаритах, чем у электронных ламп (транзисторные технологии в СССР ещё только зарождались).

Для ускорения пуско-наладочных работ по распоряжению министра образования РСФСР были привлечены студенты старших курсов факультета. Весной 1958 г. на пяти ИП вдоль траектории полёта ракет-носителей и ИСЗ были установлены машины «Кварц», обслуживаемые преподавателями и студентами. При запуске 15 мая 1958 года 3-го ИСЗ удалось осуществить автоматизацию траекторных измерений. Точность определения дальности до космического объекта достигла 25 м. на расстояниях до 1000 км. [3, с.ЗО].

В ФДЭ нового поколения были применены германиевые диоды, и надёжность резко возросла. На смену ПОЗУ «Кварц» до 70-х годов изготавливались сотни машин серии «Темп», в том числе для ИП морского базирования, и другие специализированные системы.

Однако, полупроводниковые вентильные детали ФДЭ увеличивали энергетические затраты, зависели от внешнего излучения, требовали сложного монтажа многовитковых обмоток колец, привносили другие нежелательные последствия. От этих недостатков теоретически могли быть свободны «бездиодные» ферритовые элементы.

Создание собственной уникальной высоконадёжной элементной базы

Надёжность и долговечность элементной базы были ключевыми факторами для выполняемых кафедрой проектов. Идея отказа от полупроводниковых деталей с 1959 г. стала основой её разработок. Схемы, предложенные Л. Расселом [14], а позднее С. Йохельсоном [15], на практике оказались неприемлемыми. В 1961 г. на кафедре был создан принципиально новый вид феррит-ферритовых логических элементов (ФФЭ). Изобретение было зарегистрировано в 1964 г. Появились и открытые публикации, в которых описаны варианты ФФЭ с одной и двумя парами информационных сердечников, реализующие, соответственно, функции от двух до четырёх логических переменных [1, с. 127 - 133]. Эти элементы сыграли решающую роль в успешном выполнении кафедрой всех последующих проектов государственного значения, несмотря на то, что у ФФЭ быстродействие принципиально на порядок ниже, чем у ФДЭ, и требуются более сложные источники тактового питания.

Достоинства значительно перевешивали недостатки. Стали доступными одновитковые прошивки сердечников, простой монтаж сквозных обмоток, меньшее число электрических соединений, упрощённая технология производства изделий и меньшая их стоимость. Эти элементы осуществляли неразрушающее считывание, сохраняли информацию при отключении питания, были устойчивы к проникающим излучениям, работали в расширенном диапазоне температур и обеспечивали максимально возможные показатели надёжности - интенсивность отказов < 10'⁹ 1/час. Используя три состояния информационной пары сердечников и трёхфазное тактовое питание, можно было обрабатывать троичную информацию (1, 0, Т), чем достигалось значительное уменьшение объёма оборудования [2, с. 47-54]. На этой элементной базе были созданы специализированные вычислители различного назначения наземного, авиационного и морского базирования [4, с. 129].

Однако в полной мере все перечисленные выше преимущества ФФЭ удалось реализовать лишь с переходом от конструктивно обособленных логических элементов к скомпонованным из них функциональным блокам - феррит-ферритовым платам (ФФП). Предпосылки для этого были созданы в 1960-61 гг. при выполнении проекта по разработке наземно-бортового комплекса «Микрон» для управления баллистическими ракетами [9, с. 335 - 336]. Был предложен целый ряд нововведений. Главное, была выдвинута и практически реализована концепция конструктивной интеграции функциональных компонентов изделия в монолитные, залитые компаундом, специализированные функциональные блоки, названные феррит-ферритовыми платами (ФФП). Фактически это были интегральные схемы ручного изготовления (Ф.А. Васильев [8, с.33-35]). В результате дальнейшего совершенствования схемных, конструктивных и технологических решений и методов алгоритмического проектирования была создана широкая номенклатура (десятки типов) унифицированных ФФП и налажено их серийное производство [10, с. 98] .

О надёжности, прочности, эксплуатационной стойкости и долговечности ФФП продолжают ходить легенды. По словам заместителя Главного конструктора НПО «Импульс» по научной работе профессора Анатолия Михайловича Александрова, за 40 лет не было зафиксировано ни одного явного отказа оборудования эксплуатируемых систем (!).

Что касается принципиально низкого быстродействия ФФЭ (тактовая частота порядка 1000 КГц), то малая скорость их переключения в значительной мере компенсировалась за счёт присущего ферритовым платам параллельно-конвейерного принципа обработки информации. Подобно аналоговым машинам процессоры на ФФП были устроены так, что вычисления выполнялись одновременно всей совокупностью специализированных цифровых аппаратных тактированных модулей (плат), параллельно реализующих схемотехнически «зашитую» в них логику выполнения конкретных операций.

Таким образом, в процессе выполнения этого задания удалось решить принципиально важные и, казалось бы, непреодолимые в существовавших условиях проблемы построения сверхнадёжных распределённых систем автоматического контроля и управления в космических и оборонных областях. В конце 1961 г. произошло важное событие. Для расширения работ по тематике автоматизированных систем боевого управления (АСБУ) в ракетной и космической областях создано опытно-конструкторское бюро Ленинградского политехнического института им. М.И. Калинина (ОКБ ЛИИ). Руководитель и Главный конструктор ОКБ ЛИИ - профессор Тарас Николаевич Соколов.

Направления исследований и масштаб решаемых задач

В 70-е годы сформировались творческие группы, развивавшие под руководством своих лидеров перспективные научные направления, непосредственно связанные с тематикой НИР, выполняемых на кафедре ИУС и в «ОКБ при ЛПИ». Позже сложился ряд признанных научных школ, созданных ведущими профессорами кафедры [9, с. 20], а также образовались две «дочерние» кафедры (см. прил.).

Диверсификация сложившихся на кафедре научных направлений была обусловлена необычайно широким масштабом работ по созданию принципиально новых широкотерриториальных распределённых систем боевого управления, отвечавших предельно жёстким требованиям к их эксплуатационным свойствам.

В 1966 г. Т.Н. Соколов писал в редакторском предисловии к 1-му выпуску упомянутых выше сборников статей: «Развитие больших информационных и управляющих систем в настоящее время идёт в направлении создания логических и вычислительных машин со все возрастающей сложностью логической структуры, с объединением территориально-разнесённых вычислительных устройств каналами связи...» [1, с.З].

Это было сказано за три года до создания в США оборонной сети, породившей глобальную сеть Интернет. Спустя 15 лет цели проекта ARPAnet в очень близкой формулировке были опубликованы в открытом отчёте BBN - подрядчика агентства оборонных исследований DARPA. [16, Ch.II, р. 2]. Отметим, что архитектура широкотерриториальных «пакетных» сетей в её современном виде была воплощена в эталонной модели ISO/OSI лишь в 1984г.

Дело, однако, не столько в том, что концепции создаваемых на кафедре (в дальнейшем в ОКБ) информационных и управляющих систем намного опережали известные нашим разработчикам аналоги того времени. Уникальность её проектов создания иерархической архитектуры широкотерриториальных комплексов специализированных высоконадёжных АСУ заключалась в следующем. Разработка математических и алгоритмических аспектов на всех уровнях иерархии создаваемых на кафедре систем в ходе проектов выполнялась практически одновременно, начиная от исследования среды передачи данных и создания моделей физических каналов связи, методов помехоустойчивого кодирования, упаковки и пересылки данных, способов коммутации, вариантов хранения и отображения результатов, вплоть до алгоритмов приложений. Параллельно в ОКБ проводилось сквозное проектирование всех инженерно-технологических сторон, включая элементную базу, материал ферритовых сердечников, конструктивные модули (плата - блок - стойка - секция), источники питания и аппаратуру.

Таким образом, в отличие от той же ARPAnet широкомасштабные проекты кафедры и ОКБ, такие как создание АСБУ, охватывали в комплексе все аспекты и стороны решаемой проблемы и, соответственно, требовали творческого участия многих специалистов высокой квалификации из различных областей - физиков, радиотехников, технологов, схемотехников, системотехников, математиков, программистов, и др.

Сложились уникальные группы разработчиков программного и аппаратного обеспечения, исследовательские, конструкторские и производственные коллективы, интегральный научно-технический потенциал которых обеспечивал всеобъемлющий подход к выполнению важнейших государственных заказов, ставший на многие годы залогом успешного решения ряда стратегических задач развития отечественной космической техники в фундаментальных исследовательских и в оборонных целях. Созданные Т.Н. Соколовым кафедра ИУС, НПО «Импульс», а также дочерние кафедры и научно-производственные объединения успешно действуют в настоящее время и продолжают развиваться.

Приложение.

Хронология и масштаб релевантных событий[1]

Список литературы

1. Сб. трудов ЛПИ серии “Теория и техника вычислительных устройств” (Выпуск №1). Ред. серии Т.Н. Соколов. Труды ЛПИ № 275. М.—Л., “Энергия”, 1967. - 183 с.
2. Сб. трудов ЛПИ серии “Теория и техника информационных и управляющих систем” (Выпуск №1). Ред. серии Т.Н. Соколов. Труды ЛПИ № 302. Л.: Изд-во ЛПИ, 1970. - 182с.
3.  Дороги в космос. Воспоминания ветеранов ракетно-космической техники. / Сб. статей в 2-х томах. - М.: Изд-во МАИ, 1992.
4. Стремительный взлёт. Становление и развитие научной школы профессора Т.Н. Соколова. / Сб. ст. под. ред. проф. В.С. Тарасова. - СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1995. - 184 с.
5. Михайлов Б.Г., Петухов В.Е., «НПО “Импульс”» и большие информационно-управленческие системы. Научно-технические ведомости СПбГТУ №1 (19). -СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2000. - с. 172-180.
6. На рубеже тысячелетий или «Импульс» вчера, сегодня, завтра. (К 40-летию ФГУП «НПО “Импульс”») / Ред. Михайлов Б.Г., Шпагин С.В. и др. - СПб.: 2001. - 207 с.
7. Черток Б.Е. Ракеты и люди (в 4х томах). Том 3: Горячие дни холодной войны. 3-е изд. - М.: "Машиностроение", 2002. - 527 с.
8. К истории становления “ядерной кнопки” России. / Сб. статей. Авторы-составители: Петухов В.Е., Жуков В.А., и др./ - СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. - 488 с.
9. История информатики и кибернетики в Санкт-Петербурге (Ленинграде). Выл. 1. Яркие фрагменты истории // Сборник под общ. ред. чл.-корр. РАН Р.М. Юсупова; составитель М.А. Вус; Ин-т информатики и автоматизации РАН. - СПб.: Наука, 2008. - 356 с.
10. Яшин А.М., Жуков В.А. АСУ Ракетных войск - дитя ОКБ Ленинградского политехнического института. - СПб.: Изд- во СПбГПУ, 2006. - 344 с.
11. Командно-измерительный комплекс СССР.
12. Boris Evseevich Chertok. “Rockets and People, Volume III, Hot Days of the Cold War”. NASA History Series. 2009. - 796 p.
13. Thomas C. Reed “At the abyss. An insider’s history of the cold war.” Random House. 2007. - 384p.
14. Louis A. Russel. (IBM Corp. N.Y.), Magnetic core circuit. Filed Mar. 5,1957, Ser. No. 644,118. Patent No 2,974,310, patented Mar 7, 1961, United States Patent Office.
15. Saul B. Yochelson “Diodeless core logic circuits”. - NCR IRE, WCRpart4,1960, pp. 82 - 95.
16. A history of the ARPAnet: the first decade. BBN Report No.4799 DARPA, Arlington, VA. 1981.

Примечания.

1. Даты истории кафедры ИУС («Математические и счётно-решающие приборы и устройства»), ФГУП НПО «Импульс» (НПО «Импульс», «ОКБ при ЛИИ», «ОКБ ЛИИ») и ОКБ «Радуга», охватывающие период с октября 1949 г. до 2001 г., подробно представлены в [4, с. 177 - 180] и [6, с. 23 - 29].

Об авторе: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
ag@dcn.icc.spbstu.ru, ivm@imop.spbstu.ru
Материалы международной конференции Sorucom 2014 (13-17 октября 2014)
Помещена в музей с разрешения авторов 23 декабря 2014