Версия для печати

К 100-летию со дня рождения вице-президента АН СССР Б.Н. Петрова

К 100-летию со дня рождения вице-президента АН СССР Б.Н. Петрова.

Академик Борис Николаевич Петров был крупным ученым в области автоматического управления и выдающимся организатором науки: академик-секретарь Отделения механики и процессов управления АН СССР, вице – президент АН СССР, председатель Совета по международному сотрудничеству в области исследований и использования космического пространства при АН СССР («Интеркосмос»). В 1947–1951 гг. – и.о. директора ИАТ АН СССР, зав. кафедрой МАИ. Многие годы – главный редактор журнала «Известия АН СССР. Техническая кибернетика». Он - один из основоположников отечественной космонавтики, работавший с ведущими деятелями советского ракетостроения и космонавтики – С.П.Королевым, В.П.Глушко, М.К.Янгелем, В.Н.Челомеем, В.Ф.Уткиным, М.Ф.Решетневым, В.П.Мишиным, Н.А.Пилюгиным. Действительный член Международной академии астронавтики, член нескольких иностранных академий наук.

Борис Николаевич Петров родился 11 марта 1913 г. в Смоленске. Вскоре после революции в нашей разоренной войной стране вспыхнула эпидемия тифа, от которой умерли и его родители. Закончив в 1930 г. школу, Борис Николаевич работал счетоводом в колхозе, затем был принят в московское фабрично-заводское училище им. С. Орджоникидзе, стал токарем, в 1933 г. поступил в Московский энергетический институт. Учился блестяще, дипломный проект он писал под руководством академика Виктора Сергеевича Кулебакина.

В 1939 г. направлен на работу в Комитет телемеханики и автоматики АН СССР, на базе которого позже В.С. Кулебакиным был создан Институт автоматики и телемеханики АН СССР (ИАТ), ныне Институт проблем управления им. В.А.Трапезникова РАН, где Б.Н.Петров прошел путь до академика, с 1947 по 1951 гг. он возглавлял Институт.

Когда началась Великая Отечественная война, Борис Николаевич взялся за проблему автоматической браковки изделий, был создан станок локального обмера, сортировки и отбраковки гильз. Научные основы построения автоматических контрольных устройств были освещены в монографии, написанной В.А. Трапезниковым, Б.Н. Петровым, И.Е. Городецким и А.А. Фельдбаумом уже после войны. Это был первый в мировой научной литературе труд, где обобщались достижения в области автоматизации контроля размеров и геометрической формы изделий массового производства.

Борис Николаевич в 1944 г. создал в МАИ новый курс лекций «Автоматика мотора и винта». Результаты были доведены Б.Н. Петровым до инженерных методик проектирования и расчета новых по тем временам систем регулирования турбокомпрессорного наддува, скорости вращения винта поршневого двигателя и пр. Впервые было получено математическое описание авиационного поршневого двигателя как объекта регулирования, а так же описание герметической кабины пилота, как объекта поддержания давления в ней. Б.Н. Петровым была организована лаборатория при кафедре, в которой можно было на макетах и подлинных образцах изучать поведение элементов систем регулирования и регуляторов в целом.

В 1945 г. Борис Николаевич, ему тогда было 32 года, защитил диссертацию на тему «Анализ автоматических копировальных систем», где он предложил оригинальную теорию построения автоматических копировальных систем широкого класса и новые принципы построения высокоточных копировальных систем для изготовления сложных изделий. Ему сразу была присуждена ученая степень доктора технических наук. Известный советский математик академик Николай Николаевич Лузин писал: «Представленная диссертация... имеет высокие достоинства, позволяющие рассматривать ее как выдающееся среди других работ явление».

Борис Николаевич создал метод структурных преобразований схем автоматических систем и разработал адекватный математический аппарат – алгебру структурных схем. Работы в области интегрирования нелинейных дифференциальных уравнений привели к открытию, которое Лузин, ставший вторым учителем Бориса Николаевича, назвал «феноменом Б.Н. Петрова».

Б. Н. Петров — один из основоположников теории инвариантности, а также один из организаторов и идейных руководителей всесоюзных совещаний по теории инвариантности, и надо понимать – в каких условиях он проявлял эту научную активность. Дело в том, что после опубликования в 1939 г. статьи сотрудника Института автоматики и телемеханики профессора Г.В.Щипанова в научной и партийной печати развернулась идеологическая критика теории инвариантности, которая была объявлена вредной и идеалистической. Г.В. Щипанов был уволен из Института, ему было категорически запрещено включать в лекции идеи инвариантности и все работы по теории инвариантности были прекращены.

Борису Николаевича надо было иметь мужество, чтобы в 1953 году, задолго до «хрущевской оттепели» выступить на Всесоюзном совещании с сообщением, в котором были установлены необходимые условия физической осуществимости условий абсолютной инвариантности. Сейчас эти условия широко известны в мировой литературе как принцип двухканальности Б.Н. Петрова. Открытие принципа двухканальности положило конец утверждениям о физической нереализуемости инвариантных систем и предопределило дальнейшее развитие теории инвариантности.

Борис Николаевич вместе с академиком А.Ю.Ишлинским добился признания первенства работы Г.В. Щипанова, которому был выдан диплом на открытие и премия, правда, когда автора уже не было в живых.

Новые типы автоматических систем, созданные Борисом Николаевичем на основе теории нелинейных инвариантных систем с запаздыванием, комбинированных систем - реализованы промышленностью. Совместно с учениками Б. Н. Петров открыл новый класс систем — системы двукратной инвариантности, дано решение проблемы инвариантности в системах с переменной структурой, сделано обобщение условий инвариантности на случай статистически заданных возмущений, развиты идеи двухканальности в информационных и измерительных устройствах.

В 1950–1960 гг. Борис Николаевич провел широкие теоретические и экспериментальные работы в области нелинейных сервомеханизмов. В результате руководимая им группа разработала основы теории этого класса автоматических систем, развила методы расчета и исследования сервомеханизмов с запаздыванием и с несколькими нелинейностями.

С 1955 г. под руководством и при непосредственном участии Б. Н. Петрова развивались методы построения нелинейных систем автоматического управления с переменной структурой, которые представляют собой качественно новый класс систем управления, обеспечивающих высокую статическую и динамическую точность управления.

В работах Бориса Николаевича и его учеников по теории беспоисковых самонастраивающихся систем дана общая постановка задачи анализа и синтеза систем такого класса, приведена их классификация. Предложена концепция обобщенного настраиваемого объекта. На основе теории инвариантности предложен метод синтеза структуры обобщенного настраиваемого объекта. Разработан метод синтеза алгоритмов адаптации, поставлена проблема оптимизации систем с моделью за счет выбора оптимальной модели. Установлено, что беспоисковые самонастраивающиеся системы являются двухканальными, что позволяет обеспечить двукратную инвариантность. Сформулированы свойства настраиваемой инвариантности и идентифицируемости и показано, что эти свойства можно реализовать в беспоисковых самонастраивающихся системах. Основные результаты этих работ обобщены в монографии Б. Н. Петрова и его учеников «Принципы построения и проектирования самонастраивающихся систем управления» (1972).

Под руководством и при участии Бориса Николаевича впервые в СССР разработаны и созданы самонастраивающиеся системы управления для нескольких классов ракет Главного конструктора И.С. Селезнева.

Дальнейшим развитием теории самонастраивающихся систем стала теория координатно-параметрического управления. В работах, посвященных этой теории, в монографии «Адаптивное координатно-параметрическое управление нестационарными объектами», которую Борис Николаевич увидел лишь в гранках (она вышла в 1980 г.), рассматриваются принципы построения, синтез алгоритмов перестройки параметров объекта, возможности и перспективы развития систем этого класса.

Борис Николаевич возглавлял также новое в теории управления направление, связанное с информационным подходом. Им, его учениками и коллегами введено понятие «порог различимости», которое легло в основу концепции разнообразия состояний системы и метода анализа квантово-механического принципа неопределенности. В монографиях «Информационно-семантические проблемы в процессах управления и организации» (1977) и «Теория моделей в процессах управления» (1978), написанных Борисом Николаевичем совместно с его коллегами, изложены информационные и термодинамические аспекты анализа сложных систем управления.

Известны труды Б.Н. Петрова, посвященные нестационарным системам, синтезу алгоритмов наблюдения неизмеряемых координат системы, алгоритмической процедуре синтеза управлений линейными объектами с произвольными свойствами и неполной степенью наблюдаемости. Большой интерес представляют его исследования по синтезу алгоритмов управления как обратной задачи динамики. Особенность предложенного им метода синтеза состоит в том, что структура алгоритма управления не содержит в явном виде уравнений движения управляемой системы. Моделирование осуществляется самой системой в процессе ее нормального функционирования, что предопределяет адаптивный характер синтезированного алгоритма.

В монографии «Проектирование систем автоматического управления: газотурбинных двигателей» (1980) Борисом Николаевичем, его учениками и коллегами описываются адекватные и в то же время достаточно простые математические модели газотурбинных двигателей, структуры высокоэффективных систем управления с введением дополнительной информации, обладающие свойством двукратной инвариантности, и т. д.

Проблемам управления двигательными установками таких летательных аппаратов как баллистические ракеты Б.Н. Петров уделял пристальное внимание всю свою творческую жизнь ученого и инженера. Работы в этой области ввели его в круг творцов практической космонавтики. Полученные им и его коллективом результаты носили основополагающий характер, были реализованы и созданные на их основе системы управления стали составной частью всех крупных жидкостных ракет разработки Главных конструкторов С.П. Королева, М.К. Янгеля. В.Н. Челомея, В.Ф. Уткина. В течение многих лет Борис Николаевич был научным руководителем разработок многих бортовых терминальных систем. Академик В.Н. Глушко отмечал, что в процессе этих разработок были получены фундаментальные для прогресса отечественной космической техники научно-технические результаты. Фундаментальные результаты в области бортовых терминальных систем управления изложены в монографии Б.Н. Петрова и его учеников «Бортовые и терминальные системы управления», вышедшей в свет в 1983 году уже после смерти Бориса Николаевича.

С академиком С.П. Королевым Борис Николаевич начал работать в 50-х годах, выполняя исследования и разрабатывая системы регулирования для первой межконтинентальной баллистической ракеты Р-7 и для предваряющей основную разработку ракеты-лаборатории М5-РД. Б.Н. Петров часто был участником-консультантом на заседаниях знаменитого Совета главных конструкторов, возглавляемого С.П. Королевым. Первые конструктивные результаты в исследовании динамики жидкостных реактивных двигателей (ЖРД) и его электронном аналоговом моделировании были получены Борисом Николаевичем с сотрудниками по просьбе В.П. Глушко в 1950–51 гг. для разрабатываемого стотонного двигателя.

В 1954 г. Институту автоматики и телемеханики постановлением правительства было поручено возглавить исследования в части управления двигательной установкой, разрабатываемой С.П. Королевым межконтинентальной составной двухступенчатой ракеты Р-7. Б.Н. Петров стал научным руководителем этих работ.

Разработка проблемы построения систем управления тягой ЖРД и синхронизации опорожнения баков ракеты сложной архитектуры была остро необходима и сопровождалась немалыми трудностями, которые сопутствовали созданию принципиально новых систем, начиная «с нулевого уровня», без какой- либо предыстории и при полном отсутствии прототипов систем и литературных источников. Соответственно, предпринятые работы отличались большой наукоемкостью.

Работы Б.Н. Петрова и его учеников по методологии разработки математических моделей ЖРД и анализу динамики двигателя как объекта управления и проблемы управляемости ЖРД имели приоритетный характер и составили раздел теории ЖРД, охватывающий ряд принципиально новых задач, возникших при создании ракеты Р-7 и всех последующих крупных жидкостных ракет.

Как динамическое звено ЖРД вошел в состав систем управления тягой, систем регулирования опорожнения баков и синхронизации расходования топлива в ракетах пакетной архитектуры. Разработанная коллективом Б.Н. Петрова методика электронного моделирования ЖРД на аналоговых ЭВМ (цифровых ЭВМ в те годы не было) существенно ускорила нахождение способов борьбы с продольной неустойчивостью ракеты Р-7 , которая была «терра инкогнито» и чрезвычайно мешала продвижению космонавтики. Это было в 1958 г., когда готовились к достижению Луны первой автоматической межпланетной станцией «Мечта», но полеты срывались из-за взрывов ракет. Усилиями большого коллектива ученых и конструкторов природа сложного процесса была разгадана. ЖРД, источник колоссальной энергии, входит в колебательный контур, включающий трубопроводы и конструкцию ракеты. При резонансе ракета разрушалась. Разработанная Б.Н. Петровым методика имитационного моделирования ЖРД позволила существенно ускорить поиск причины катастроф и найти средства парирования их.

При разработке системы регулирования соотношения компонентов топлива ЖРД (РСК) из-за наличия в системе ряда нелинейностей возникали автоколебания дросселя в магистрали компонента. Это опасное явление было устранено после моделирования системы с ЖРД в замкнутом контуре. Впоследствии это явление было исследовано детально теоретически. Руководил этими работами Б.Н. Петров.

В 1954 г. правительством был выпущен ряд постановлений в обеспечение создания межконтинентальной ракеты. Было поручено создать беспоплавковые бортовые измерители уровня компонентов высокой точности. Б.Н. Петров. Было принято решение о построении опытных образцов для ракеты – лаборатории М5-РД емкостного дискретного датчика с мостовой схемой включения. Поисковые работы по прототипу емкостной чувствительной точки были выполнены еще в ИАТ под руководством Б.Н. Петрова с исследованием влияния минусовой температуры на работу датчика и с учетом неопределенности распределения компонентов топлива в баках. Эти работы позже нашли отражение в монографии Б.Н. Петрова и его учеников «Принципы инвариантности в измерительной технике» (1976).

Много усилий вложил Б.Н. Петров в создание прецизионного бортового датчика давления в камере сгорания ЖРД. В.П. Глушко наложил жесткие ограничения на погрешность регулирования давления в камере сгорания (КС) ЖРД – ±1%. Поэтому в системе регулирования давления в КС датчик должен был иметь погрешность не более ±0,40,5%. В условиях работы непосредственно на ЖРД в режимах с широким спектром сильных вибраций и больших ускорений и в широком температурном диапазоне создание такого бортового датчика было неслыханной по трудности задачей. И только жесткая позиция Б.Н Петрова дала возможность выбрать из числа конструкторских бюро МАП организацию, которая после длительных технических препирательств согласилась на эту работу. Датчик был создан в ОКБ Главного конструктора Р.Г.Чачикяна для Р-7 и до сих пор работает удовлетворительно. Этот датчик помог разгадать природу продольных колебаний, так как разрешающая способность его выходного потенциометра была намного выше, чем у телеметрического датчика давления.

В коллективе Б.Н. Петрова были проведены первые работы по поиску рациональных характеристик управляющих органов – дросселей СОБ и РСК в магистралях ЖРД. Результаты были переданы в ОКБ СП. Королева и В.П. Глушко, где и были созданы работоспособные конструкции.

Б.Н. Петров взял на себя ответственность за идеологию создания принципиально новых терминальных систем управления расходованием топлива ЖРД, которые существенно повышали энергетику ракеты за счет резкого сокращения гарантийных запасов топлива. Он был научным руководителем работ по таким системам для всех крупных жидкостных ракет, начиная с королевской Р-7, и для всех последующих крупных боевых ракет и ракет-носителей космических аппаратов.

Конструкция новых систем была поручена ОКБ-12 МАП, где под руководством Главного конструктора А.С. Абрамова были созданы опытные и головные образцы систем. В 1952–1954 г.г. под руководством Б.Н. Петрова были выполнены исследования и получены первые конструктивные результаты по (новой по тем временам) системе стабилизации углового положения ракета Р-7 с помощью рассогласования тяг ЖРД боковых блоков. Идея такого типа управления ракетой была высказана академиком В.П. Мишиным.

Важным направлением работ Б.Н. Петрова начиная с 1956 г. было разработка теории и систем управления искусственными спутниками земли (ИСЗ). По инициативе и под руководством академика Д.Е. Охоцимского в нашей стране в те годы начали создаваться гравитационные системы ориентации ИСЗ. Это пассивные системы, не требующие для создания восстанавливающих моментов расхода какого-либо вида энергии. Однако при отделении спутника от ракеты-носителя возникали значительные возмущения, и требовалось разработать простую и экономичную систему предварительного успокоения.

В Институте проблем управления под руководством Б.Н. Петрова была разработана структура и теория оригинальной релейной системы предварительного успокоения, в которой высокая экономичность достигалась путем введения специальной связи, компенсирующей петлю гистерезиса релейной характеристики, и выбором соответствующего соотношения ограничения датчиков угловой скорости и углового положения ИСЗ. В связи с влиянием изгибных колебаний штанги гравитационного стабилизатора на динамику системы и расход потребляемой энергии была поставлена и решена задача коррекции закона управления.

Дальнейшее развитие этого направления связано с разработкой теории и систем управления деформируемых космических аппаратов (ДКА). К последним относятся ИСЗ с присоединенными гибкими элементами (панели солнечных батарей большой площади, выносные радиоантенны). Проблема эта возникла в начале 60-х годов, когда американский спутник «Эксплоурер-1» из-за рассеяния энергии закрутки, вызванной упругостью четырех штырьевых антенн, после вывода на орбиту достаточно быстро потерял устойчивость. С тех пор и до настоящего времени к этой проблеме привлечено пристальное внимание ученых и инженеров во многих странах мира, где разрабатываются подобные ИСЗ. В Институте проблем управления работы в этой области проводились совместно с Научно-производственным объединением прикладной механики (Главный конструктор - академик М.Ф. Решетнев) в связи с разработкой спутников на геосинхронной орбите и систем ориентации для них.

Нежесткость конструкции ДКА порождает новые проблемы в управлении, которые тем значительнее, чем ниже степень конструктивной жесткости и чем выше интенсивность управляющих воздействий. Особенно опасным является взаимодействие регулятора с упругими колебаниями ДКА в случае релейного управления, когда периодически повторяющиеся «ударные» нагрузки управляющего воздействия могут привести к неконтролируемому нарастанию амплитуды упругих колебаний до критического значения, при котором происходит «захват регулятора» и последующая потеря устойчивости движения ДКА. При этом следует отметить, что режимы с релейным управлением занимают значительные отрезки времени полета практически во всех типах ДКА с длительным сроком активной жизни (разгрузка гиродинов, стабилизация углового положения при коррекции орбиты и др.)

Б.Н. Петровым и его учениками была предложена модально-физическая форма математической модели ДКА. Этот тип модели отличается от модальной тем, что здесь все координаты и коэффициенты имеют четкий физический смысл. В связи с этим данная форма модели наиболее удобна для исследования динамики ДКА, как объекта управления, позволяет строить «портрет» динамики объекта и наиболее просто формировать процедуру идентификации параметров и синтез управления.

Предложен также метод анализа релейной системы ориентации одномодального ДКА - метод фазовой биплоскости. Метод позволил понять роль фазовых соотношений во взаимодействии управления с изгибными колебаниями конструкции ДКА и механизм потери устойчивости движения, вызываемой этими колебаниями, определить величину критического значения амплитуды моды, при котором происходит захват регулятора изгибными колебаниями, получить закон распределения случайных значений фазы упругой моды и предложить два типа (амплитудный и фазовый) алгоритмов демпфирования упругих колебаний.

Результаты, полученные под руководством Б.Н. Петрова и при его участии, нашли применение при проектировании и создании систем управления спутников связи на геосинхронной орбите серии «Радуга», серии «Горизонт» и спутников непосредственного телевещания серии «Экран».

Существенный научный вклад внес Б.Н. Петров в создание многоместных пилотируемых кораблей-спутников, автоматических станций, запускаемых к Луне, систем мягкой посадки автоматических аппаратов на Луну.

Над подготовкой полета по проекту «Союз-Аполлон» (СССР–США) в течение более пяти лет работали большие коллективы советских и американских ученых, инженеров, конструкторов в различных областях. Координацию работ советских коллективов осуществлял Совет «Интеркосмос», и Б.Н. Петров, являясь председателем Совета, внес большой личный вклад в решение многочисленных организационных, научных и технических проблем.

Б.Н Петров по праву вошел в состав когорты основоположников отечественной космонавтики. Он участвовал в большинстве пусков в Капустином Яре и Байконуре в период становления и первых работ С.П. Королева по освоению космического пространства. Неоднократно участвовал в работе государственной комиссии по пускам. Многолетний творческий контакт связывал Бориса Николаевича с М.В. Келдышем. Б.Н. Петров участвовал в разработке и обсуждении космических программ нашей страны. В период разработки отечественной многоразовой космической системы Б.Н Петров активно участвовал в формировании облика корабля «Буран».

Академиком Б.Н. Петровым написано около 200 публицистических и научно-популярных статей по крупным научным проблемам, связанным с развитием автоматики, вычислительной техники, автоматизации эксперимента, программного управления космическими исследованиями. Свою педагогическую деятельность он начал в Московском авиационном институте в 1944 г. на кафедре «Автоматическое управление и стабилизация самолетов». С 1950 г. и до последних дней своей жизни он возглавлял эту кафедру, преобразованную позднее в кафедру «Системы автоматического управления летательными аппаратами».

Под руководством Б.Н. Петрова выросли крупные коллективы специалистов, им создана большая научная школа.

Борису Николаевичу Петрову было присвоено звание Героя Социалистического Труда, он был награжден пятью орденами Ленина, орденами Октябрьской Революции, Трудового Красного Знамени, Красной Звезды, удостоен Ленинской премии и Государственных премий СССР. Его деятельность нашла широкое международное признание.

Бориса Николаевича любили его ученики, его коллеги, его старшие товарищи, его учителя. С большой теплотой относились к нему Виктор Сергеевич Кулебакин и Николай Николаевич Лузин, в домах которых Петров и члены его семьи были всегда желанными гостями.

Борис Николаевич получал удовольствие от работы. Прекрасный семьянин. Он был всесторонне образованным человеком, любил художественную литературу, искусство, для художника-любителя его картины - великолепны.

Борис Николаевич Петров умер 23-го августа 1980 г., его имя навсегда останется в анналах отечественной науки об управлении и космонавтике.

Профессор В.Ю.Рутковский

Торжественное юбилейное расширенное заседание Ученого совета ИПУ РАН состоится 18 марта с.г.