Телеметрические системы «Messina».
Телеметрические системы «Messina» применялись в составе первых в мире боевых баллистических ракет «Фау-2» («А-4»), а также при разработке зенитных ракет «Вассерфаль». Они предназначались для автоматического сбора и передачи на наземный пункт информации о состоянии бортовых систем ракеты. К их появлению и выделению в отдельный вид бортовой аппаратуры привели следующие факторы:
- отсутствие на борту экипажа, способного получить и доложить информацию, в отличие, например, от самолетов;
- неизученность ракетного полета как новой технической области, что приводило к непредвиденным отказам и высокой аварийности;
- частая невозможность установить причины аварий из-за разрушения аппаратов при падениях с большой высоты и взрывах, в том числе, в удаленной и труднодоступной местности;
- значительное усложнение и удорожание создаваемых изделий, что экономически оправдывало установку подобной аппаратуры.
На предшественнике ракеты «Фау-2», известном как «А-3», испытывавшемся в 1937-м году, телеметрическая система еще отсутствовала. Причины неисправностей пытались выяснить по сохранившимся после аварий фрагментам. Позже на ракеты стали устанавливать спасаемые регистраторы, записывавшие данные на бумажную ленту. [1]
При летных испытаниях прототипа «А-5» в 1938-м году на нем уже имелось устройство для передачи данных по радиоканалу, имевшее название «Hell» («Хэль»). [2]
Упоминается несколько разновидностей «Мессины». В немецкой Википедии [2] говорится о вариантах «Messina Ia», «Messina Ib» и «Messina II». В документе [3], кроме того, упоминается «Messina Iс».
Массово применялся только первый вариант, «Messina II» использовалась уже в конце войны, вариант «Messina Ib» дошел до летных испытаний, но устанавливался на ракету всего однажды, а «Messina Iс» не вышла из стадии разработки. Тем не менее, на этих примерах любопытно наблюдать эволюцию технических идей в самом начале развития телеметрических систем, как нового класса аппаратуры.
«Messina Ia».
Телеметрическая система «Messina Ia» (или просто «Messina I», или «Messina») представляла собой усовершенствованную модификацию устройства «Hell». При ее разработке упоминается ключевая роль Института низкотоковой техники Венского технического университета (TH Wien). [2] Она позволяла непрерывно передавать на наземный пункт информацию об изменении четырех параметров, таких, как давление в камере сгорания, давление подачи компонентов топлива, углы отклонения газовых рулей и т.д. [1] Вероятно, набор параметров мог изменяться от полета к полету в зависимости от поставленных задач.
Измеряемые сигналы с помощью потенциометров приводились к диапазону 1...6 вольт. Для передачи данных использовались четыре канала с амплитудной модуляцией, когда величине измеряемого параметра соответствует амплитуда передаваемого высокочастотного сигнала. Глубина модуляции составляла 15%. [4]
Это наиболее простой в реализации, но и наиболее подверженный искажениям и помехам вид передачи данных. На качество сигнала влияла струя раскаленных газов из двигателя, изменение ориентации ракеты во время полета и другие факторы. Поэтому кроме каналов данных имелся также опорный канал, передававший сигнал известной амплитуды, по которому можно было восстановить корректные значения принятых величин. При хорошем прохождении сигнала точность составляла ±3%. [5]
Данные в каждом канале передавались непрерывно, что с более поздней точки зрения выглядит как неэкономное использование частотного ресурса. При таком подходе увеличение числа измеряемых величин привело бы к пропорциональному расширению полосы передаваемого сигнала и сопутствующим проблемам.
Помимо четырех каналов непрерывной передачи данных также имелись четыре канала для передачи дискретных сигналов типа «включено/выключено». В момент срабатывания датчика соответствующий сигнал изменялся; из описания не совсем понятно, как именно: то ли он из немодулированного становился модулированным, то ли скачкообразно менялась глубина модуляции. По этим каналам передавалась такая информация, как момент отключения ракетного двигателя, превышение заданных уровней температуры и вибраций и т.д. Один канал использовался для измерения скорости вращения турбины: после каждых десяти ее оборотов значение в канале менялось на противоположное.
Для передачи использовался восьмиваттный передатчик с частотой 62,5 МГц. Две четвертьволновые стержневые антенны системы "Мессина» устанавливались на хвостовых стабилизаторах I и III. [2][5]
«Messina Ib».
Параллельно в берлинском Институте вибрационных исследований им. Генриха Герца (IFS) разрабатывался также вариант «Messina Ib», отличавшийся от вышеописанного применением не амплитудной, а частотной модуляции. Система имела шесть каналов данных (плюс один опорный) в которых входные сигналы изменяли частоту модуляции в пределах 200 Гц. [2] Частотная модуляция позволяла получить значительно более помехоустойчивый канал передачи данных. Также имелось 11 каналов для передачи дискретных сигналов.
Система «Messina Ib» испытывалась в полете только один раз. Упоминается ее высокая технологическая сложность. [2]
Любопытно, что для советских клонов германской «Мессины» («Мессина-1» и «Бразилионит») тип модуляции указывается как частотный. Возможно, при их создании могли использоваться наработки именно по этому варианту системы.
«Messina Ic».
О разработке варианта «Messina Ic» под руководством Г.Греттрупа говорится в источнике [3]. Он имел пять каналов для передачи непрерывных данных и пять для дискретных. Входной сигнал в зависимости от его амплитуды преобразовывался в колебания с частотой от 200 до 300 Гц. Эти импульсы запускали генератор передатчика, имевшего частоту 50...60 МГц. В каждом канале имелся собственный высокочастотный генератор; шаг по частоте между каналами составлял 100 кГц. Для каналов дискретных данных вместо плавной модуляции планировалось использовать скачкообразную, либо включение-выключение передачи.
Эта аппаратура не вышла из стадии разработки, однако, отмечается, что команда Греттрупа гордилась своей системой за простоту устройства, небольшой вес и объём, малое количество радиоламп и других компонентов.
«Messina II».
Наиболее сложным и технически совершенным был вариант «Messina II», разработанный Институтом телекоммуникаций Дармштадтского технического университета под руководством профессора Ханса Буша. Он был создан в 1944-м году, несколько раз использовался при запусках «Фау-2», но к тому времени ракета была в целом уже отработана и необходимость в телеметрической системе как таковой, вероятно, стала меньше.
В этой системе впервые был применен принцип передачи нескольких потоков данных в одном канале с временным разделением. Вместо непрерывной передачи параметра использовалась квазинепрерывная, обеспечивающая корректность информации за счет достаточно высокой частоты дискретизации для медленно меняющихся параметров. Повторяющиеся кадры из двенадцати величин циклически следовали друг за другом, одной из величин являлся эталонный сигнал.
Частота дискретизации составляла 500 Гц. Каждый период делился на 12 равных интервалов, на каждом интервале формировался импульс, амплитуда которого была пропорциональна одной из измеряемых величин. В источнике [4] говорится, что мультиплексирование осуществлялось при помощи специальной лампы с расположенными по кругу двенадцатью электродами, между которыми последовательно перемещался электронный луч.
Таким образом, в отличие от вышеописанных вариантов, в одном канале вместо одного параметра могли передаваться сразу одиннадцать.
Первый полет ракеты «Фау-2» с системой «Messina II» состоялся 12 мая 1944 года.
Известные технические данные различных вариантов систем «Messina» приведены в Таблице 1. Использованы источники [2] и [3].
табл1.png
Список источников:
[1] Поленов Д.Ю. Эволюция телеметрии в ракетной технике. «Молодой ученый», №6 2014 г.
[2] https://de.wikipedia.org/ Telemetriesystem_Messina wiki/
[3] Interrogation of Helmut Gottrup Dipl.Ing. Elektromechische Werke. CIOS-XXXI-71.pdf
[4] Hoelzer, Hel.ut. November 10, 1989. Interviewer: Michael Neufeld. NASM-NASM_AudioIt-000003012DOCS-000001.pdf
[5] TRENDS IN GERMAN TELEMETRY SINCE THE 50's. ITC_1984_84-08-1.pdf
Телеметрические системы «Мессина-1» и «Бразилионит».
После капитуляции гитлеровской Германии Советскому Союзу досталось некоторое количество ракет «Фау-2» и телеметрический экземпляр зенитной ракеты «Вассерфаль» с установленной системой «Мессина».
В 1945-м году специалистами НИИ-20 была начата работа по изучению и восстановлению трофейной документации радиотехнических устройств ракеты «Фау-2», в том числе, и телеметрической системы. В отделе управления («У») была создана лаборатория «Д», в задачи которой входило освоение трофейной измерительной техники, курирование создания новых отечественных систем и приборов и разработка специальных устройств для проведения измерений на всех этапах испытаний ракет. В результате работ была подготовлена к использованию бортовая и наземная телеметрическая аппаратура, в отечественной литературе обычно называемая «Мессина-1», а также отвечающая советским стандартам документация по ее испытаниям и эксплуатации. [1]
Для проведения испытательных запусков в рамках исследования трофейной техники была собрана партия ракет «Фау-2» из германских комплектующих. В течение октября-ноября 1947 года на полигоне Капустин Яр проведено 11 пусков этих ракет, в трех случаях применялась телеметрическая система «Мессина-1». С ее помощью измерялось отклонение газовых рулей, давление в камере сгорания, давление подачи кислорода и спирта, давление пара на входе в турбину, время включения двигателя. Пункт приема информации был организован в вагоне специально созданного для проведения испытаний поезда.
По результатам испытаний отмечена безотказная работа системы «Мессина-1» и рекомендовалось ее дальнейшее использование при увеличении передаваемого объема информации. [2]
Одновременно с изучением и освоением трофейной техники перед НИИ-20 была поставлена задача по воспроизведению радиотелеметрической системы «Мессина» отечественной промышленностью. К концу 1948 года такая система была создана, она получила обозначение «Бразилионит», ее главным конструктором в НИИ-20 был Г.И. Дегтяренко.
В целом, с технической точки зрения она являлась копией «Мессины», созданной с использованием отечественных материалов и комплектующих. Основным отличием было увеличение количества каналов для непрерывной передачи информации с 4 до 8, вероятно, за счет исключения четырех дискретных каналов. Дискретная же информация теперь передавалась в тех же каналах, что и непрерывная, в виде коротких импульсов на основном сигнале.
В некоторых источниках утверждается, что системы «Мессина-1» и «Бразилионит» использовали частотную модуляцию. Возможно, это неточность авторов, имевших в виду частотное разделение каналов.
Некоторые технические параметры телеметрической системы «Бразилионит»:
- годы разработки: 1947 - 1948;
- тип модуляции: амплитудная;
- входной сигнал: 0...6,2 В;
- количество каналов: 8 смешанного типа (непр. + дискр.)
В 1948-м году была собрана первая партия ракет «Р-1», представлявших собой созданную отечественной промышленностью копию «Фау-2». Запуски проводились с полигона Капустин Яр в течение сентября – ноября 1948-го года. Из двенадцати собранных ракет десять были оснащены телеметрической системой «Бразилионит». [3]
К тому времени уже стала очевидной тупиковость систем с частотным разделением каналов из-за невозможности значительно увеличить количество передаваемой с изделия информации. Следующая партия ракет «Р-1» была оснащена более совершенной системой «Дон» с времяимпульсным типом модуляции. Однако, после того как разработчики столкнулись с необходимостью исследования возникающих во время полета вибраций, «Бразилионит» оказался вновь востребованным. Его архитектура с непрерывной передачей данных позволяла получать гораздо больше информации о вибрациях, чем времяимпульсные системы, изначально создававшиеся под измерение медленно меняющихся параметров. Позднее, уже в 1950-х годах «Бразилионит» был дополнен специальными датчиками и преобразователями и некоторое время использовался для исследования вибраций, пока не был вытеснен специализированными системами. [1]
[1] Кукушкин М.А. История создания и развитие в СССР космических телеметричес-ких средств (вторая половина 1940-х – 1970-е гг.) https://vietmag.org/s020596060036578-7-1
[2] Докладная записка Н.Д. Яковлева и других И.В. Сталину о результатах пусков ракет Фау-2. https://www.kosmonavtika.com/bibliographie/documents/28111947.pdf
[3] Черток Б. Е. Ракеты и Люди. Книга 1, глава 6.