История развития кафедры и научные школы

Достижения в области отечественной авиации, ракетно-космической техники, морского флота, наземной техники в значительной степени определяются применением автономных систем управления, основой которых являются гироскопические системы. Становление научной школы "Гироскопические системы" в МГТУ относится к началу 30-х годов, когда конструкции отечественных самолетов стали настолько совершенными, что стали возможны полеты на дальние расстояния, на больших высотах, в облаках и тумане. Для таких полетов нужны были приборы автономной ориентации и автоматические системы управления, что, в свою очередь привело к необходимости подготовки специалистов по авиационным приборам и системам. Такая подготовка была поручена МВТУ им. Н.Э.Баумана, где в 1933г. было начато обучение по специальности "Авиационные приборы", а несколько позже (в 1938 г.) организована одноименная кафедра. В связи с постоянно изменяющимся содержанием подготовки специалистов несколько раз менялось и название кафедры.

Для ведения учебного процесса по авиационным приборам и системам были приглашены опытные специалисты Г.В.Щипанов, Я.И.Соловьев, Е.Б.Левенталь из промышленности и научные работники С.С.Тихменев, Г.О.Фридлендер, Н.Н.Чернов. С первых же лет существования специальности сложился высококвалифицированный коллектив преподавателей, владеющих знанием современной техники и методиками научной и педагогической работы. На кафедре были разработаны и начали читаться лекции по новым в те годы курсам "Авиационные приборы". "Прикладная теория гироскопов", "Автопилоты".

Высокая квалификация преподавателей и фундаментально поставленная подготовка специалистов по авиационным приборам и системам позволили заложить основы научной школы, которую в дальнейшем успешно развивали первые выпускники кафедры, в числе которых были будущие видные ученые и руководители научно-производственных коллективов: Н.А.Пилюгин. Е.Ф.Антипов, Е.В.Ольман, И.А.Михалев, Д.С.Пельпор, Н.П.Никитин и другие.

Б.В.Булгаков(1900-1952)

Большая заслуга в становлении научной школы принадлежит первому заведующему кафедрой "Авиационные приборы" проф. Георгию Владимировичу Щипанову (1903 - 1953); выпускник Ленинградского политехнического института, он многие годы работал в промышленности и пришел на кафедру с должности технического директора одного из заводов авиационною приборостроения. Понимая необходимость развития научных исследований в области авиационных приборов и систем, Г.В.Щипанов много внимания уделял проведению на кафедре научных исследований. Его первыми аспирантами были Е.Ф.Антипов, Н.А.Пилюгин, A.C.Майоров, В.П.Чумаков.

В 1939 г. кафедру возглавил один из крупных ученых-механиков, профессор МГУ, член-корреспондент АН СССР Борис Владимирович Булгаков (1900-1952). По его инициативе, вызванной расширяющимся применением гироскопической техники в авиации и морском флоте, усиливается механико-математическая подготовка выпускников и аспирантов кафедры. Монография Б.В.Булгакова "Прикладная теория гироскопов" (1939) явилась основополагающим трудом, на многие годы вперед определившим преподавание основ теории и развитие научных исследований в области гироскопической техники.

В 1948 г. заведующим кафедрой "Авиационные приборы" становится д.т.н., проф. Сергей Сергеевич Тихменев (1886 - 1964). Окончив с отличием механико-математический факультет МГУ С.С.Тихменев затем увлекся авиацией, стал одним из первых российских летчиков. Заинтересовавшись устройством и эксплуатацией существовавших тогда авиационных приборов - магнитных компасов, тахометров, термометров, указателей скорости и других, он начинает работать над совершенствованием этих приборов являясь научным консультантом ряда предприятий авиационной промышленности. Свой богатый опыт С.С.Тихменев обобщил в монографиях "Теория авиационных приборов" (1940) и "Элементы точных приборов" (1956). С.С.Тихменев много внимания уделял сохранению высокого научно-педагогического потенциала кафедры как основы развития ее научной школы. В связи с этим в конце 40-х - начале 50-х годов им были приглашены на кафедру ее выпускники, руководители приборостроительных предприятий И.А.Михалев и Д.С.Пельпор, а также аспиранты кафедры Е.А.Никитин и В.А.Бауман.

Развитие ракетно-космической техники выдвинуло новые специфические задачи ориентации, управления и навигации, что потребовало не только выпуска специалистов более широкого профиля, но и разработки новых научных и методических основ их подготовки.

С 1962 г. эту работу возглавил заведующий кафедрой д.т.н., проф. Д.С.Пельпор, а с 1988 г. его преемник д.т.н. проф., С.Ф.Коновалов. За это время на кафедре были разработаны новые фундаментальные курсы "Теория гироскопов и гиростабилизаторов", "Элементы гироскопических устройств". "Инерциальные системы навигации", "Автоматическое управление летательными аппаратами". "Электронные устройства гироприборов", "Вычислительная техника в гироскопических системах", а также ряд курсов по проектированию и испытанию гироскопических приборов и систем.

С.С.Тихменев(1900-1952)

Опыт преподавания и результаты научных исследований сотрудников кафедры были обобщены в более чем 100 монографиях, учебниках и учебных пособиях, среди которых особое место занимает учебник "Гироскопические системы" в трех томах, выпущенный под редакцией Д.С.Пельпора двумя изданиями (1972, 1988).

Научная школа "Гироскопические системы" развивалась и крепла трудами ее последователей, многие из которых, возглавляя творческие коллективы промышленных предприятий, научных и учебных заведений, способствовали развитию отечественной космонавтики, авиации, ракетной и наземной техники. За достигнутые успехи выпускники кафедры Н.А.Пилюгин, Е.Ф.Антипов, Е.В.Ольман, В.А.Рудницкий, Н.П.Никитин, Н.В.Маркичев, В.И.Феодосьев, П.М.Кириллов, В.С.Митяев, Ю.М.Сазыкин были удостоены Ленинской премии. Высшие научные звания присвоены Н.А.Пилюгину - академик АН СССР, В.И.Феодосьеву - член-корреспондент АН СССР, В.Ф.Журавлеву - член корреспондент РАН. За период существования научной школы кафедрой подготовлено 19 докторов наук и около 200 кандидатов наук.

В развитии научной школы "Гироскопические системы" можно выделить четыре основных направления: 1) системы инерциальной навигации; 2) системы автоматического управления летательными аппаратами; 3) приборы ориен-тации и гиростабилизаторы; 4) элементы гироскопических приборов.

В отличие от радиотехнических и астрономических инерциальные системы навигации, разработка которых вылилась в самостоятельное направление, автономны, что определяет их перспективность. Возникновение этого научного направления связано с заявкой на авторское свидетельство под названием "Навигационный прибор для регистрации пройденного пути и скорости", поданной Л.М.Кофманом и сотрудником МВТУ Е.Б.Левенталем в 1932 г. Суть изобретения состояла в обеспечении с высокой точностью горизонтальности осей чувствительности акселерометров, установленных на платформе гировертикали с интегральной коррекцией. Эта схема дала начало так называемым кардановым инерциальным системам. Аналогичное изобретение в Германии было сделано годом позже, а в США инерциальная навигация начала развиваться лишь в конце 40-х годов.

Н.А.Пилюгин(1908-1982)

Начало разработки другого класса инерциальных систем - бескарданных - связано с именем выдающегося выпускника кафедры Николая Алексеевича Пилюгина (1908-1982), под руководством которого в середине 30-х годов были разработаны и испытаны чувствительные элементы этих систем - самописец угловых скоростей (жирограф) (его дипломная работа), а также самописец линейных ускорений (акселерограф). С помощью этих приборов исследовалась серьезнейшая проблема авиации того времени - штопор самолетов. Жирограф и акселерограф устанавливали непосредственно на борту самолета и в условиям штопора измеряли и записывали значения угловых скоростей и линейных ускорений по трем ортогональным осям. потом на земле проводили расшифровку записей и определяли по соответствующим алгоритмам параметры движения самолета. С созданием малогабаритных и быстродействующих вычислительных машин сложные вычислительные опе-рации стали проводить в реальном масштабе времени непосредственно на борту движущегося объекта.

С развитием в конце 40-х годов отечественной ракетно-космической техники Н.А.Пилюгин по настоятельному предложению С.П.Королева становится Главным конструктором систем автономного (инерциального) управления ракетами-носителями. Коллектив ученых под его руководством добивается достижений самого высокого уровня. Большой вклад в разработку и создание инерциальных систем управления ракетно-космическими комплексами внесли также выпускники кафедры, работавшие под руководством А.А.Байкова.

Задачами следующего этапа в развитии инерциальных систем стали: разработка алгоритмов функционирования, поиск причин и оценка погрешностей определения координат и скорости и формирование требований к элементам этих систем.

Первый теоретический анализ схемы Кофмана - Левенталя (без учета вращения Земли) провел в 1937 г. Б.В.Булгаков. В 1940 г. С.С.Тихменев обратил внимание на необходимость учета переносных ускорений, вызванных вращением Земли. В дальнейшем исследованием различных вопросов, связанных с созданием инерциальных систем, занимались многие преподаватели, сотрудники и выпускники кафедры: Г.О.Фридлендер. С.С.Тихменев, Л.И.Ткачев. П.В.Бромберг, Е.А.Никитин, В.С.Магнусов, А.К.Неусыпин, О.С.Салычев и другие. В результате были разработаны схемы построения, алгоритмы функционирования, теория погрешностей, изучены вопросы комплексирования и фильтрации шумов инерциальных систем. Результаты теоретических исследований обобщены профессором кафедры П.В.Бромбергом в монографии "Теория инерциальных систем навигации" (1979).

Глубокая теоретическая проработка позволила уже в середине 60-х годов приступить к серийному производству авиационных инерциальных систем.

В настоящее время на кафедре ведутся работы, связанные с комплексной обработкой информации в инерциальных системах. Основные научные результаты этой работы отражены в монографии О.С.Салычева "Волновое оценивание погрешностей инерциальных систем навигации" (1992) изданной также в США и Канаде.

Второе направление "Системы автоматического управления летательными аппаратами" возникло в связи с необходимостью автоматической стабилизации углов курса, крена и тангажа при создании тяжелых самолетов (ТБ-1, МИ-2, Я-760, ТБ-7). Преподаватели и аспиранты кафедры занялись разработкой первых отечественных автопилотов АВП-2 (1933) и АВП-12 (1938). В 1942 г. под руководством Е.В.Ольмана была закончена разработка и начался серийный выпуск пневматических автопилотов АП-42 для военно-транспортных самолетов ЛИ-2. ИЛ-12, ИЛ-14. Опыт создания первых отечественных и зарубежных автопилотов нашел свое отражение в монографии Е.В.Ольмана, Я.И.Соловьева. В.П.Токарева "Автопилоты" (1946), Ис-следованию системы самолет-автопилот как системы автоматического регулирования была посвящена книга П.В.Бромберга и Д.С.Пельпора "Автоматическое управление самолетом" (1948).

Развитие высокоскоростной и маневренной авиации (ТУ-95. ТУ-114, Ан-22, Як-28 и др.) потребовало разработки более совершенных автопилотов и автоматических систем захода на посадку. В связи с этим на кафедре под руководством профессоров И.А.Михалева и Б.Н.Окоемова расширяется и углубляется подготовка специалистов по системам автоматического управления летательными аппаратами, а в промышленности под руководством выпускников кафедры И.А.Михалева. Е.Ф.Антипова. Е.В.Ольмана, Е.А.Никитина, Б.Н.Окоемова и других создаются автопилоты АП-15. АП-28, АП-28-И, АП-75, АП-6Е. БСУ-54 и автоматические системы захода самолета на посадку САУ-1Т, САУ-ЗП.

Системы автоматического управления ракетами воздух-воздух и воздух-поверхность были разработаны под руководством Н.П.Никитина, Специфика этих ракет простота, дешевизна - требовала разработки соответствующих теоретических вопросов, в решении которых принимал участие д.т.н. проф. А.К.Неусыпин. Результаты его исследований отражены в монографии "Гироскопические приводы" (1978).

В целях создания современных систем автоматического управления летательными аппаратами были проведены исследования в области фундаментальных теоретических вопросов, связанных с разработкой принципов построения систем автоматического управления, методов анализа, методик проектирования и расчета, стендов для математического и полунатурного моделирования. Итогом полученных научных результатов стал ряд монографий, среди которых необходимо отметить работы И.А.Михалева. Б.Н.Окоемова, М.С.Чикулаева "Системы автоматического управления самолетом" (1987).

В разработке теории систем автоматического управления принимал участие проф. П.В.Бромберг, которым была издана монография "Матричные методы в системах автоматического регулирования" (1978).

Третьему направлению "Приборы ориентации и гиростабилизаторы", связанному с проблемами измерения углов курса, крена и тангажа летательного аппарата, положила начало работа Б.В.Булгакова и С.С.Тихменева "Теория авиагоризонта Сперри с маятниковой воздуходувной коррекцией" (1937), которая предлагала методику исследования инструментальных и методических погрешностей авиагоризонта путем построения траекторий движения вершины гироскопа на горизонтальной плоскости. Пневматические гироприборы обладали низкой точностью и были неудобны в эксплуатации, поэтому началась разработка гироприборов с визуальным съемом показаний на основе электромеханических элементов (гиромоторов, жидкостных уровней, коррекционных двигателей). В создании приборов этого типа - авиагоризонтов (АГК-47, АГИ-1, АГБ-1) и гирополукомпасов (ГПК-48, ГПК-52) - принимали участие Е.Ф.Антипов, Е.В.Ольман, П.М.Кириллов, Д.С.Пельпор, Б.И.Волков и другие.

Приоритет в изобретении поплавкового гироскопа (1949), на основе которого и в настоящее время строятся прецизионные гироскопические системы, принадлежит выпускнику кафедры д.т.н. проф. Л. И.Ткачеву.

В конце 50-х годов, занимаясь исследованием поплавковых гироскопов, д.т.н. проф. Е.А.Никитин создает новое научное направление "Гидродинамика поплавковых гироскопов и акселерометров". Основные резуль-таты его исследований приводятся в монографии "Проектирование дифференцирующих и интегрирующих гироскопов и акселерометров" (1969). В настоящее время это научное направление развивается под руководством проф. С.Ф.Коновалова.

Работая над актуальными вопросами развития приборостроения в содружестве с промышленными предприятиями, преподаватели и научные сотрудники кафедры участвовали в создании перспективных образцов гироприборов и гиростабилизаторов, обеспечивая конструкторско-теоретическую часть разработок: динамически настраиваемых гироскопов (Д.С.Пельпор, В.А.Матвеев), гиростабилизаторов кино-, фото- и телеаппа-ратуры (В.В.Фатеев), двухрежимных курсовых приборов для наземных самоходных объектов и гирокомпасов для геофизических скважин (С.А.Шестов, В.А.Бауман). Основные результаты этих исследований обобщены в уже упоминавшемся учебнике "Гироскопические системы" (т.2), а также в монографии Д.С.Пельпора. В.А.Матвеева, В.Д.Арсеньева "Динамически настраиваемые гироскопы" (1988). За участие в разработке и освоении серийного выпуска динамически настраиваемых гироскопов д.т.н. проф. В.А.Матвеев был "удостоен Государственной премии СССР за 1986 г.

Д.С.Пельпор(1910-1996)

Под руководством С.Ф:Коновалова разработан ряд навигационных акселерометров, а также аппаратура и методики для их статических и динамических испытаний; создана теория цифровых акселерометров с широтно-импульсной и релейно-импульсной модуляцией выходного сигнала, теория виброустойчивости акселерометров. Итогом исследовании в этом направлении стала монография С.Ф.Коновалова "Теория виброустойчивости акселерометров" (1991) и учебное пособие С.Ф.Коновалова, Е.А.Никитина и Л.М.Селивановой "Проектирование гироскопических систем" (1980).

Развитие четвертого направления - "Элементы гироскопических приборов" - связано с именем С.С.Тихменева. точнее, с его монографией "Элементы точных приборов" (1956), в которой впервые была проанализирована работа элементов авиационных приборов в условиях вибрации и изменяющихся температур. Инструментальные погрешности гироприборов в основном объясняются несовершенством примененных в них конструктивных элементов, В начале 50-х годов в связи с появлением реактивной авиации и ракетно-космических систем резко возросли требования к точности гироприборов, что потребовало разработки, исследования и применения более совершенных их элементов.

Сам же термин "элементы приборов", общепринятый в настоящее время, был введен С.С.Тихменевым.

В связи с требованиями промышленности на кафедре был введен вначале небольшой, а затем фундаментальный курс "Элементы гироскопических приборов", в подготовке которого принимали участие Д.С.Пельпор, Е.А.Никитин. С.Ф.Коновалов и С.А.Шестов. Так, проф. Е.А.Никитин в 1960 г. основал новое научное направление "Электромагнитный подвес поплавковых приборов". Группой сотрудников кафедры была создана теория, разработаны конструкции и схемы резонансных и активных магнитных подвесов, методики их настройки, определены возмущающие моменты создаваемые подвесом. По инициативе акад. Н.А.Пилюгина на основе разработок кафедры были созданы первые отечественные прецизионные поплавковые гироскопы с магнитным подвесом, позволившие решить сложную задачу автономного азимутального ориентирования мобильных "возимых" ракет. Основные научные результаты, полученные при исследовании магнитных подвесов (1972, 1988), приведены в третьем томе учебника "Гироскопические системы" и в монографии Ю.А.Осокина, В.Н.Герди, Н.Н.Станкевича и др. "Теория и применение электромагнитных подвесов" (1980).

К началу 60-х годов стало ясно, что для создания прецизионных гироприборов необходимо исследовать происходящие в них тепловые процессы. Одними из первых в этом направлении начали работать профессора Е.А.Никитин и С.А.Шестов.

Глубокие научные разработки сотрудники кафедры провели по исследованию гиромоторов, двух- и трехколечных шарикоподшипников, датчиков угла и момента, токоподводов, цифровых систем съема информации и т.д. Подробные сведения об этих элементах приведены в уже упоминавшемся третьем томе учебника "Гироскопические системы" (авторы Е.А.Никитин, С.А.Шестов, B.А.Матвеев).

Научная школа кафедры продолжает развиваться и укреплять связь с промышленностью. На ведущих предприятиях отрасли: НИИ прикладной механики, Раменском приборостроительном КБ, МНПК "Авионика", НПЦ автоматики и приборостроения, ЦНИИ автоматики и гидравлики, ФГУП НПО "Техномаш" созданы филиалы кафедры, на которых студенты проходят практику, выполняют лабораторные работы, курсовые и дипломные проекты.

Кафедра явилась одним из учредителей Международной Академии Навигации и Управления Движением и активно участвует в ее работе. Семеро сотрудников кафедры являются действительными членами академии.