Участие чл.-корр. АН СССР Н.Я. Матюхина в создании первых АСУ ПВО и ВК специального назначения

А.В. Тамошинский

50-е годы XX столетия отмечены стремительным развитием науки и техники во всех областях жизнедеятельности человечества. Это развитие получило название научно-технической революции. Создавались принципиально новые технологии, разрабатывались новые типы самолётов, ракет, спутников, подводных лодок, радиолокационных станций, завоевывала позиции атомная энергетика.

Всеми этими сложнейшими комплексами надо было эффективно управлять!

Необходимо было (и есть) автоматизировать наиболее трудоёмкие процессы управления (сбор и обработку больших объёмов информации, оценку сложившейся обстановки, выработку рекомендаций по управлению объектами, быстрое доведение управляющих распоряжений до исполнителей, контроль за ходом исполнения и др.), которые человеком решаются за недопустимое время и с низкой эффективностью. Возникла проблема создания так называемых автоматизированных систем управления (АСУ).

Разработка и создание первых АСУ осуществлялась там, где возможности человека по управлению были фактически исчерпаны. В вооруженных силах это наведение истребителей на воздушные цели, управление зенитно-ракетными комплексами, управление специальным (ядерным) оружием и др.

Необходимо отметить также политический аспект, сыгравший свою роль в истории развития АСУ ПВО.

Противостояние двух систем, двух лагерей – капиталистического и социалистического, известное как состояние «холодной войны», непрерывно усугублялось.

В ответ на разработку американского СЭИДЖа (система противовоздушной обороны) остро встала задача создания эффективных средств противоракетной обороны (ПРО), противовоздушной обороны (ПВО) и систем управления этими средствами в нашей стране.

Для решения этих задач Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР было принято решение о создании в Министерстве радиопромышленности специального научно-исследовательского института.

Постановление № 361-232 вышло 17 марта 1956 г.

В нем было предписано создать на базе отдела № 4 НИИ-20 (ныне ЯРТИ), СМУ-101 при заводе № 37 и московской телевизионной филиал-лаборатории (МТФЛ) головной институт НИИ-101 (ныне Научно-исследовательский институт Автоматической Аппаратуры (НИИ АА) имени академика В.С. Семенихина).

Для размещения института было выделено здание (около 10 тыс. кв. метров) в Уланском переулке д. 2а, в центре Старой Москвы, в нескольких минутах ходьбы от станции метро “Кировская”.

Почему на базе отдела № 4 НИИ-20?

В отделе к тому времени проводился ряд работ по тематике ПВО, такие как разработка аппаратуры для снятия помех с экрана индикатора кругового обзора (ИКО) радиолокационной станции (РЛС) с целью облегчения работы оператора при визуальном сопровождении или ручном съёме координат цели (дальности, азимута); аппаратуры для передачи радиолокационной информации на командный пункт (КП) истребительно-авиационного полка (ИАП) или истребительно-авиационной дивизии (ИАД) от РЛС кругового обзора; аппаратуры съёма, передачи и приёма данных (АСПД) по телеграфным каналам связи.

Для решения задачи наведения истребительной авиации (ИА) на самолеты противника, а также целераспределения и целеуказания средствам зенитно-ракетного комплекса (ЗРК) проводились соответствующие работы.

Руководил отделом Шорин Георгий Леонидович. Отличительной особенностью коллектива была молодость (лишь у троих возраст в 1956 году превышал 40 лет), технический профессионализм, творческий энтузиазм.

Георгий Леонидович был признанным научно-техническим лидером проводимых в отделе работ. Эрудиция, широкий технический кругозор, умение быстро отбирать оптимальные решения снискали ему заслуженный авторитет в коллективе. Могучего телосложения, высокого роста он был интеллигентным, высококультурным, добродушным человеком.

Шорин Г.Л. был назначен первым директором НИИ-101, главным инженером – Попов Н.Л.

Перед институтом впервые в практике радиопромышленности была поставлена задача создания автоматизированной системы не только для отдельного района, а для войск ПВО в целом.

Создание такого рода систем должно было учитывать организацию процессов боевого управления войсками ПВО. Необходимо было при разработке специальных радиолокационных узлов обнаружения и наведения, командных пунктов различных звеньев ПВО, системы связи между ними обеспечить увязку различных технических средств (в том числе и созданных в других организациях) в единую автоматизированную систему взаимодействующих технических средств и комплексов, реализующих задачи управления в режиме реального времени.

Первые результаты работы института связаны с созданием АСУ истребительной авиации войск ПВО и управлением зенитно-ракетными комплексами.

Появление самолетов, в том числе истребителей-перехватчиков, летающих со скоростями превышающими скорость звука, привело к тому, что наведение истребителя на воздушную цель офицером наведения с индикатора кругового обзора РЛС стало крайне неэффективным или вообще невозможным.

Цель и истребитель за время наведения, как правило, выходили из зоны видимости одной РЛС и наведение прекращалось. Возникла проблема создания в зоне действия истребительно-авиационных дивизий сплошного радиолокационного поля как минимум в радиусе 400 км и автоматизации процесса наведения истребителя на воздушную цель как по данным “местной” РЛС, так и по данным радиолокационного поля.

Основные целевые функции системы:

• обеспечение оповещения командных пунктов, включая Главный штаб войск ПВО страны, данными о воздушной обстановке на всей территории СССР;
• наведение истребительной авиации на цели противника;
• целераспределение и целеуказание средствам ЗРК.

Система включала в свой состав:

• аппаратуру съёма и передачи по каналам связи координат воздушных целей (X, У, Н) с радиолокационных станций;
• аппаратуру сбора, обработки и отображения информации о воздушной обстановке на электронных индикаторах и планшетах командных пунктов;
• аппаратуру автоматизированного приборного наведения истребителей на воздушные цели по данным РЛС и данным вторичной воздушной обстановки;
• аппаратуру автоматической передачи данных наведения (азимут, скорость, высота) на борт истребителей, аппаратуру связи и передачи данных о воздушных целях.

На первом этапе АСУ ПВО должны были решать рутинные задачи обработки радиолокационных данных (РЛД): усреднение координат цели, пересчёт координат, фильтрация, селекция, трассировка, экстраполяция движения цели, определение курса и скорости.

Системный и технический анализ всех этих задач показал, что их принципиально невозможно реализовать на основе аналоговой техники. Актуальным стала необходимость перехода на дискретные (цифровые) методы построения аппаратных средств на новой в то время полупроводниковой элементной базе.

Были организованы работы по созданию основных аппаратных средств:

• цифровой элементной базы на основе феррит-транзисторных ячеек и элементной базы на транзисторах, так называемых схемах “переключателей тока”;
• вычислительного комплекса “Аргон”;
• центрального запоминающего устройства (ЦЗУ);
• специализированной ЭВМ “Тетива”;
• рабочих мест с буквенно-цифровой индикацией на базе ЭЛТ “Характрон”;
• большого электрооптического экрана на основе следящих систем;
• запоминающих устройств на ферритовых сердечниках с прямоугольной петлей гистерезиса;
• запоминающих устройств на магнитном барабане;
• аппаратуры передачи данных по телефонным каналам связи.

Работы по разработке вычислительной техники возглавил Курбатов Валентин Михайлович.

Было определено два направления разработки ЭВМ:

• вычислительного комплекса “Аргон” для низовых звеньев;
• специальной ЭВМ для АСУ более высокого ранга “Тетива”.

Комплекс “Аргон” состоял из двух функциональных устройств: программно-управляемого спецвычислителя “Колчан” и центрального запоминающего устройства (ЦЗУ) на магнитном барабане.

Аппаратура ВК “Аргон” строилась на помехоустойчивых феррит-транзисторных ячейках, на них были реализованы логические функции И, ИЛИ, ЗАПРЕТ, ТРИГГЕР; сами ячейки строились на транзисторах П15, используемых в импульсном режиме с насыщением. Дополнительно был разработан формирователь импульсов для записи-считывания на транзисторе П601.

Спецвычислитель (СВ) “Колчан” имел в своем составе концентратор сообщений от группы телеприёмников; в нём было реализовано микропрограммное управление операциями. Основные характеристики:

• система команд – одноадресная;
• число команд – 30;
• разрядность – 18 бит;
• арифметическое устройство с фиксированной запятой;
• оперативное запоминающее устройство на ферритовых сердечниках – 1024 числа;
• постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) команд – 2048 байта;
• быстродействие – 12,5 тысяч сложения в секунду;
• ЦЗУ на магнитном барабане “Ядро” на 1500 строк и 100 дорожек.

Магнитные головки барабана (двойные) обеспечивали одновременную запись и считывание информации. Конструктивно элементы логических схем размещались на платах, платы (до 8-ми штук) устанавливались в кассеты, кассеты (до 24 штук) в стойках-шкафах.

Разработка ФТ-ячеек и СВ “Колчан” была проведена группой специалистов под руководством Щукина Л.Б. В неё входили: Гурвич Е.И., Гурнин В.П., Росницкая Д.З, Домов В.М., Александров А.П., Литвиненко С.А., Некрасова Н.М., Сычугов В.К. и др.

Разработка ЦЗУ “Ядро” выполнена Щуровым А.И. (руководителем группы), Штейном М.Е., Веселовским Л.Л. и др.

Аппаратура электропитания была разработана Скиндером А.Б. (руководитель группы), Волковой Э.А., Цимбалюк И.Л. Конструктивы разрабатывали Пояркова Н.П., Смирнов В.В., Земина М.Н. и др.

В 1963 г. опытный образец ВК “Аргон”, комплект документации на него и стендовая аппаратура были переданы на заводы в г. Минск и г. Пенза и там серийно выпускались.

Работы по созданию ЭВМ “Тетива” проводились коллективом Матюхина Николая Яковлевича.

По достоинству оценивая вклад вышеперечисленных разработчиков в создании средств автоматизации особо следует отметить Н.Я. Матюхина.

Николай Яковлевич, пройдя школу знаменитого И.С Брука по созданию в стране первых вычислительных машин, пришёл в институт с группой талантливых разработчиков Залкиндом А.Б., Росницким О.В., Щуровым А.И.

Н.Я. Матюхин был признанным лидером группы. Под его руководством и при непосредственном участии были созданы целые серии специализированных ЭВМ: “Тетива”. 5Э63, 5Э63-1, 5Э76, 5Э76-Б, которые и в настоящее время «служат» в составе соответствующих АСУ не только в России, но и в ближнем и дальнем зарубежье.

Хотелось бы остановиться на этих работах более подробно.

ЭВМ “Тетива” должна была обеспечить первичную обработку радиолокационной информации. Архитектура ЭВМ соответствовала классической архитектуре Фон-Неймана. Основные устройства: центральное устройство управления (ЦУУ), арифметическое устройство (АУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), долговременное запоминающее устройство (ДЗУ), память программ, устройство связи с внешними устройствами (УСВ).

ЭВМ была построена на СПТ-схемах (схемах переключателей тока). В этих схемах не было ни диодов, ни конденсаторов. Были только триоды и сопротивления. Основу их составляли триоды типа р-n-р (П-15). Для межкаскадных переходов использовались триоды n-р-n (П-11). Они (СПТ) были по тому времени очень быстрыми по переключению.

«Тетива» была первой отечественной ЭВМ с микропрограммным управлением. Долговременное запоминающее устройство обеспечивало большую надёжность и возможность быстрого (при необходимости) изменения.

Оригинальным было решение использовать в АУ прямые коды операндов. Весь мир использовал обратные или дополнительные коды, а здесь – прямые.

Конечно, АУ в прямых кодах “дороже” по схемам переноса, но оно было “быстрым”, так как готовило одновременно три варианта: А+В, А-В и В-А.

Кроме знака результата на выходе старшего разряда формировался признак “>”, “<” или “=”, а главное признак “Сбой”. Он констатировал наличие сбоя в АУ, что всегда было сложно.

Среди “новинок” надо отметить и так называемый “авторегистр”, обеспечивающий программируемую подмену команд. Этот механизм успешно использовался при рестарте программ для коррекции ошибок, обеспечивая тем самым непрерывность вычислительного процесса – важнейшего качества для систем реального времени. Производительность ЭВМ 20 тыс. опер/сек. (32 тыс. сложений в секунду). Объём оперативной памяти – 1024, разрядность – 18 бит, ПЗУ – 3072 кода, число команд – 70. Сейчас практически во всех компьютерах при начальном включении происходит контроль работоспособности, который заканчивается исполнением определённой мелодии.

В ЭВМ “Тетива” за счёт работы счётчика циклов исполнялась мелодия “Подмосковные вечера”. Ноты использовались и в рабочих программах. По ним определялась работа ЭВМ: “зацикливание” программ и, конечно, “остановы” ЭВМ.

Нельзя не сказать и ещё об одном основополагающем принципе при разработке ЭВМ – обеспечение надёжности. Как позднее говорил Александр Борисович Залкинд, “правая рука” Николая Яковлевича Матюхина: “Главный принцип разработок ЭВМ был «надёжность, надёжность, надёжность и простота ремонта»”.

Конечно, проверки были в соответствии с ГОСТами: на тряску, ударные нагрузки и так далее.

С улыбкой вспоминается, что в КИПе (контрольно-измерительный прибор) был резиновый молоток, которым при профилактических работах “простукивались” конструктивы ЭВМ, выявлялись нарушения контакта. Эффект был весьма положительным. Это нюанс, а надёжность, конечно, обеспечивалась применённой элементной базой, использованием долговременных прошиваемых запоминающих устройств для хранения программ и микропрограмм.

В конце 1960-х годов встала задача координации действий сил ПВО. Необходимо было обеспечить комплексное наведение истребителей авиационного полка и выработку целеуказаний для бригады зенитно-ракетных комплексов на поражение целей противника.

Задача усложнялась, т.к. увеличивалось количество самолётов наведения, наведение должно осуществляться в трёх направлениях на фоне помех.

Было принято решение о создании командного пункта (КП) бригады ЗРК, совмещенного с пунктом наведения истребительного авиационного полка.

КП исполнялся в возимом варианте, т.е. технические средства КП должны были размещаться в автомобильных полуприцепах.

Здесь конструктивные решения оценивались в граммах, миллиметрах, а ре­монтопригодность – в минутах.

Центральным звеном КП был комплекс из двух ЭВМ: основная и резервная.

Главным конструктором ЭВМ и комплекса был назначен Н.Я. Матюхин. ЭВМ получила шифр 5Э63. Позднее была разработана её модификация ЭВМ 5Э63-1.

Размещение в полуприцепах требовало малые установочные размеры и небольшую эксплуатационную площадь. Это достигалось, в том числе, за счёт одностороннего обслуживания.

В основе конструктивного подхода были функционально законченные блоки (устройство управления, арифметическое устройство, оперативная память, долговременное запоминающее устройство, устройство связи с внешними абонентами и др.). Блоки размещались в стойках-стеллажах. Соединения между блоками и стойками осуществлялось посредством соединительных колонок с разъёмами, в которых были и контрольные выходы для практически всех основных сигналов. Для обслуживающего персонала это дополнительное удобство при поиске неисправностей. В ЗИПах закладывались резервные блоки. Всё это обеспечивало высокие параметры коэффициента готовности.

Элементная база – проверенные на ЭВМ “Тетива” схемы на переключателях тока.

Технические характеристики ЭВМ:

• принцип управления – микропрограммный;
• число команд 78;
• производительность – 50 тыс. оп/сек;
• объём ОЗУ – 8 Кбайт;
• объём ПЗУ – 16 Кбайт.

Вычислительный комплекс АСУ состоял из двух ЭВМ: основная и резервная. Информация для обработки поступала одновременно на обе ЭВМ. В случае выхода из строя одной из ЭВМ процесс обработки продолжался на второй. Этим обеспечивалось необходимое время наработки на отказ и высокий коэффициент готовности.

В конце 1960-х годов встала новая проблема разработки АСУ для ПВО больших районов (округов, в целом страны). Разработка ЭВМ и вычислительных комплексов на их основе для АСУ была поручена коллективу Н.Я. Матюхина. ЭВМ получила шифр 5Э76.

В ней была реализована универсальная система команд, совместимая по основным форматам с системой команд ЕС ЭВМ.

Почему был принят такой подход?

Известно, что к этому времени в нашей стране совместно со странами социалистического лагеря (Германия, Болгария, Венгрия, Польша) были созданы ЭВМ серии ЕС. Ими были оснащены вычислительные центры научно-исследовательских институтов, организаций промышленности и заказчиков.

Использование этих машин для разработки специального программного обеспечения АСУ позволяло ускорить трудоёмкий процесс его создания.

ЭВМ 5Э76 относится к классу машин третьего поколения средней производительности.

Быстродействие её 120 тыс. коротких операций в секунду.

Объём памяти запоминающего устройства 262144 байтов. Регистровая память: 16 универсальных регистров длиной в слово и 1 регистр для операций с плавающей запятой.

Принцип управления микропрограммный.

Объём ДЗУ микрокоманд 1024 144-разрядных слов.

Элементная база – гибридные микросхемы серии 217.

Потребляемая мощность от сети не более 3,5 кВА.

К ЭВМ можно подключать широкую номенклатуру внешних устройств:

• перфокарточные устройства ввода и перфоленточные устройства ввода и вывода;
• печатающие устройства различных типов, в т.ч. АЦПУ ЕС-7030 и ЕС-7932;
• внешние запоминающие устройства на магнитных лентах и магнитных барабанах.

Основными особенностями ЭВМ типа 5Э76 были следующие:

• наличие общего поля внешних устройств;
• возможность прямого доступа процессоров ЭВМ к оперативным запоминающим устройствам других ЭВМ;
• блочная структура запоминающих устройств, обеспечивающая комплектацию ЭВМ блоками ЗУ оперативного и долговременного типов в произвольном соотношении.

Наличие общего поля внешних устройств и доступа к блокам оперативной памяти позволяло создавать многомашинные вычислительные комплексы (до 8-ми ЭВМ) различной производительности. По своей сути это были локальные сети, технический термин для которых появился гораздо позже.

И, наконец, о диагностике комплекса.

В ЭВМ присутствовал так называемый регистр диагностики, который позволял программно имитировать системные ситуации. На базе этого регистра осуществлялся функциональный контроль.

Впервые были применены блоки вторичного электропитания, которые под управлением программы могли плавно изменить напряжение на ±5 %. Это обеспечивало перевод ЭВМ в искусственно “утяжелённые” режимы работы, тем самым выявлялись потенциально ненадёжные элементы.

Оригинальным был и реализованный принцип сохранения информации в ЗУ при отклонении (или отключении) первичной сети. Специальные схемы при отклонении параметров первичной сети от допустимых, вырабатывали упреждающий сигнал. По прерыванию от этого сигнала информация в упорядоченном виде записывалась в ЗУ, что обеспечивало рестарт программы при восстановлении параметров электропитания.

Работы по созданию указанных ЭВМ и систем Николай Яковлевич Матюхин вёл вместе со своими коллегами и учениками: А.Б. Залкиндом, И.И. Пеленовичем, Е.Г. Сталиным, В.С. Ильиным, Д.З. Росницкой, А.В. Тамошинским, Г.П. Назаровой, А.В. Маркиным, В.Н. Райковым, В.Н. Никифоровым, В.П. Харитоновым и др.

В дальнейшем, когда тематика АСУ ПВО была передана в другие организации, а институт переориентировался на разработку глобальных систем управления, Н.Я. Матюхин возглавил разработку вычислительных комплексов для территориальной системы обмена данными, обеспечивающей эффективный обмен между объектами по различным видам каналов связи.

Обладая высочайшим интеллектом Николай Яковлевич Матюхин принес инженерную культуру в разработки. Он создатель, инициатор развития и внедрения систем автоматизированного проектирования в стране.

Лауреат Государственной премии, доктор технических наук, профессор Н.Я. Матюхин в 1979 г. был избран членом-корреспондентом академии наук СССР.

Его школа живет и сейчас в разработках, проводимых в НИИ Автоматической аппаратуры им. академика В.С. Семенихина.

Об авторе: д.т.н., гл. инженер НИИ АА
13 марта 2014