Про знаменитого авиаконструктора академика А.Н. Туполева рассказывали такое: он мог подойти к опытной машине, внимательно рассматривал конструкцию, а затем тыкал пальцем и говорил: «Сломается здесь!». А теперь представьте, что перед вами не один сложный трехмерный технический объект (каковым является самолет), а несколько десятков, и не стационарных, а движущихся… Вам же, как Андрею Николаевичу, следует за считанные мгновения точно определить место дефекта. Легендарная туполевская интуиция не поможет: она просто не успеет сработать. Выходит, что задача невыполнима?
Нет, выполнима. Но, во-первых, силами большого междисциплинарного научного коллектива, к светлым головам которого должны будут присоединиться золотые руки асов инжиниринга. А во-вторых, не для отдельно взятого самолета или поезда, а почти для «всего, что шевелится»: объектами удалённой диагностики могут быть самые различные творения человеческого разума. Столь же широк круг задач, решаемых, в принципе, подобными методами. Исследователи нескольких институтов СО РАН, а также ОАО «Российские железные дороги» и инновационных компаний объединили усилия в междисциплинарном проекте с длинным, но точным названием: «Разработка научных основ, создание и внедрение оптико-информационных методов, систем и технологий бесконтактной диагностики динамических процессов для повышения эффективности и безопасности в энергетике, промышленности и на транспорте».
Увеличение точности и полноты получаемой информации при диагностике и моделировании процессов в энергетике, промышленности и на транспорте сегодня крайне необходимо. Причём как для совершенствования технологий, так и для создания и верификации современных методов численного моделирования. Важнейшим условием развития таких исследований является метрологическое обеспечение экспериментов средствами невозмущающих измерений и контроля. Их ключевой элемент — современные решения на основе оптико-информационных технологий, обеспечивающие точность, надежность и простоту применения таких систем. Если говорить проще, то во всем мире интенсивно идет поиск новых способов управления аэродинамическими характеристиками летательных аппаратов и снижения расхода топлива, создаются инновационные энергетические технологии (связанные, в первую очередь, с высокопроизводительным и низкоэмиссионным сжиганием топлива), запускаются передовые химические и тепломассообменные процессы… Перечень, как можно понять, неполон. Всё это требует постоянного совершенствования измерительных методов и создания новых поколений приборов.
Оптическая бесконтактная диагностика — не волшебная палочка для решения всех измерительных и технологических проблем, но достаточно универсальный метод. Он лежит в основе многих решений, прежде всего, в приборостроении. Системы «Полис» применяются для моделирования (в том числе и визуального) в энергетике. На общественном обсуждении проекта в Томске его руководитель, член-корреспондент РАН Дмитрий Маркович Маркович, рассказал о том, что одна из задач, поставленных перед коллективом контрагентами — моделирование потока теплоносителя в реакторной установке перспективного космического корабля (подчеркнув при этом, что речь идёт о конкретном заказе по открытой тематике). «Этот тренд для нашей страны всегда важен — сказал учёный, — Мы надеемся также, что внесем свою лепту в дальнейшее предотвращение аварий, подобных той, что произошла на Саяно-Шушенской ГЭС». В интересах науки и образования созданы различные модификации оптико-измерительных приборов «ПОЛИС». «Семь лет назад у нас в Объединённом институте физики высоких температур РАН была внедрена такая измерительная система — поделился член-корреспондент Алексей Юрьевич Вараксин. — Работа с ней хороша и тем, что специалисты из Новосибирска дописывают программы конкретно под твои задачи и эксперименты». Эксперты нашли у них ряд преимуществ в сравнении с зарубежными аналогами. Помимо таких очевидностей, как русскоязычные инструкции и максимально дружелюбный сервис, это, в частности, высокоэффективные алгоритмы обработки данных и адаптация с учётом параметров конкретных экспериментальных стендов.
Столь же широко применяется семейство лазерных доплеровских систем диагностики многофазных потоков «ЛАД-0**». Компьютер, обрабатывающий и визуализирующий данные, может размещаться в произвольном месте (даже в другом городе), а физические эксперименты — проводиться в удалённом режиме: на полигонах, в закрытых либо опасных зонах. Системы «ЛАД-0**» используются и в дистанционном образовании. Кстати, первые мощные отечественные полупроводниковые лазерные излучатели видимого диапазона были разработаны соавторами проекта совместно с группой академика Жореса Ивановича Алфёрова и Физико-техническим институтом им.А. Ф. Иоффе РАН. Созданные системы вошли в состав первичного Государственного специального эталона единицы скорости воздушного потока России ГЭТ-150-2012 (ВНИИМ, г.Санкт-Петербург), а результаты международных сличений первичных национальных эталонов Японии, Кореи, России, Сингапура, США и Тайваня доказали, что отечественный вышел на лидирующие позиции в мире. «Первичные государственные эталоны — это святая святых, куда обычно никого не пускают»,— подчеркнул доктор технических наук Владимир Генриевич Меледин. Приборы линейки «ЛАД-0**» и различные системы на их основе работают на петербургском объединении «Силовые машины» (контроль состояния гидротурбин), в Самарском аэрокосмическом университете им.С.П. Королёва (диагностика авиадвигателей), Томском университете (исследования лесных пожаров), в ряде академических институтов (экспериментальные установки по различным тематикам) и промышленных предприятий. Созданные системы используются для учета и технологического контроля горячего и холодного проката в металлургии, имеют класс точности до тысячных долей процента в условиях горячих цехов. Затраты на их внедрение на крупнейших предприятиях отрасли окупались буквально за несколько дней использования, а созданные технологии непрерывно и успешно работают в металлургическом производстве России более 20 лет.
Задачи эффективного и безопасного сжигания углеводородного топлива решены при разработке оптико-электронной системы дистанционной диагностики «Корвет». При этом, подчеркнул доктор технических наук Олег Иосифович Потатуркин, крайне важным и принципиально новым было обеспечение селективности (по факелам) оперативного контроля режимов в многогорелочных энергоблоках. Дело в том, что традиционный подход, основанный на анализе концентраций уходящих в общем потоке дымовых газов, не позволяет определить, какая горелка работает нормально, а какая стала проявлять излишнюю «прожорливость» или наоборот, испытывает недостаток топлива. В последнем случае в большом количестве образуются окислы азота, а это приводит к резкому ухудшению экологической обстановки. Фотоэлектронные «Корветы» за доли секунды фиксируют изменения спектра и частоты пульсаций пламени. Регистрируемая информация позволяет определять особенности работы каждой из находящихся в поле зрения датчика горелок и осуществлять дистанционный контроль процесса горения с односторонним и двухсторонним расположением факелов. Это возможно как в основном, так и переходных (розжиг, затухание) режимах. Первые образцы системы диагностики успешно прошли испытания и опытную эксплуатацию на Уренгойской ГРЭС, а затем созданная аппаратура была внедрена на предприятиях топливно-энергетического комплекса и в научно-исследовательских институтах, начиная от такого гиганта энергетики, как Сургутская ГРЭС-1, и до тепловой станции Академгородка ТС 1 (в рамках Программы «Энергосбережение СО РАН»).
Доктор технических наук Юрий Васильевич Чугуй рассказал о достаточно известном и масштабном технологическом решении, созданном в рамках междисциплинарного проекта — системе бесконтактного контроля геометрии колёсных пар «Комплекс». В основу метода измерения положен принцип самосканирования движущегося объекта сверхбыстродействующими лазерными дальномерами. Неоспоримые достоинства — всепогодность (от минус до плюс пятидесяти), возможность тестировать вагоны «без отрыва от производства» (на скорости до 60 км/час) и высокая надёжность: 98-процентная подтверждаемость регистрируемых дефектов в зимнее время и почти 100-процентная летом.
Главный инженер департамента вагонного хозяйства ОАО «РЖД» Александр Фёдорович Комиссаров признал: «Да, у нас есть зарубежные аналоги, они работают в европейской части России — на Октябрьской железной дороге. Но подтверждаемость и надёжность у них намного ниже, чем у «Комплекса». Фактически у него нет всепогодных аналогов, которые бы надёжно работали в жёстких климатических условиях Сибири и Дальнего Востока: и зимой, и летом, и ночью, и днём, и в мороз, и в жару, и в дождь, и в снег». «Комплексы» служат уже около 10 лет на 15-ти железных дорогах системы ОАО «РЖД» (от Смоленска до Находки), а также в Беларуси и Грузии. О последних двух странах на обсуждении упоминалось мало, а вот в России тестирование проходит около 60 миллионов (!) вагонов в год. Из них отцепляется для проверки до тридцати тысяч. По словам Александра Комиссарова, происходит это так: «Когда поезд прибывает на станцию, осмотрщик к проблемному вагону не идёт. К маневровому диспетчеру из единой системы уже автоматически поступила команда отцепить и вывести из состава этот вагон». Общий экономический эффект от применения «Комплексов» в «РЖД» составил свыше 10 миллиардов рублей. При этом, как отметил Комиссаров, 36-тысячная армия вагонных осмотрщиков подверглась сокращению, но без увольнений с дороги: «мы людей на улицу не выбрасываем». Напомним, что в оценку эффективности системы не входит статистика Грузии и Беларуси, а также крупных собственников вагонов: ОАО «Газпром» и ООО «Новотранс».
О роли личности в истории: система «увидела свет» и прошла обкатку сначала на Западно-Сибирской железной дороге благодаря позиции её начальника Александра Витальевича Целько. Особый вклад в разработку «Комплекса» и его внедрение внёс Сергей Васильевич Плотников. Он возглавил малое предприятие ООО «Сибирский центр транспортных технологий» (ООО «ЦТТ»), которое занимается тиражированием, монтажом и сервисным обслуживанием этих систем. Именно благодаря системам «Комплекс» в непростые 2000-е годы удалось выполнить поручение Владимира Путина и обеспечить вывоз кузбасского угля исправным подвижным составом в объёме до 160 млн. тонн в год. Сейчас в России эксплуатируется более 70 «Комплексов», применение которых позволило заметно повысить безопасность железнодорожных перевозок.
Как писал классик, нельзя объять необъятное. Междисциплинарный проект по оптико-информационным методам бесконтактной диагностики динамических процессов подобен маленькой Вселенной. Из областей знания он не касается, пожалуй, только гуманитарных дисциплин, да и то временно: нисколько не удивят, в перспективе, археологические или социологические приложения. Сегодня же разработки проектантов, кроме научных институтов и вузов внедрены не только в те отрасли, беглый экскурс по которым дан выше. Приборы, установки, системы различного назначения применяются в металлургии, гидро- и тепловой энергетике, на авиатранспорте, а также в интересах обороны и безопасности: например, для оптимизации формы субмарин. И пока государственные мужи собирают по вопросам реиндустриализации и импортозамещения одно совещание за другим, сибирские учёные в кооперации с производственниками решают эту проблему на практике, причём не первый год. Поневоле вспомнилась реплика академика Василия Филипповича Шабанова на одном из таких заседаний: если государство действительно хочет сделать промышленность наукоёмкой, то академические институты должны получить такие же льготы, как Сколково…
Вернемся, однако, к междисциплинарному проекту. Результаты работы в его рамках представлены в 15 монографиях (и монографических главах), 74 патентах (в том числе в 25 зарубежных), в 108 научных статьях рецензируемых изданий, награждены 19 медалями и 24 дипломами. Авторами работы получено 50 актов внедрения, суммарный экономический эффект от практического применения результатов составил более 19 миллиардов рублей. Впечатляющие показатели позволили представить проект на Премию Правительства России, и упомянутое выше общественное обсуждение в Томске являлось одной из необходимых процедур, предусмотренной её регламентом. И вход, и обмен мнениями были свободными: о проекте высказывались учёные, преподаватели (официальную поддержку выразили томские университеты: классический, политехнический и ТУСУР), производственники. Оценки делились на позитивные, особо позитивные и восторженные. А каверзный вопрос прозвучал всего один: «Почему не выдвинули сразу на Государственную премию?»
Авторский коллектив:
1.Маркович Дмитрий Маркович, член-корреспондент РАН, заместитель директора Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН), г. Новосибирск — руководитель работы.
2.Бильский Артур Валерьевич, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник ИТ СО РАН.
3.Меледин Владимир Генриевич, д.т.н., главный научный сотрудник ИТ СО РАН.
4.Наумов Игорь Владимирович, д.т.н., старший научный сотрудник ИТ СО РАН.
5.Борзов Сергей Михайлович, к.т.н., заведующий лабораторией Института автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН), г.Новосибирск.
6.Потатуркин Олег Иосифович, д.т.н.,заместитель директора по научной работе ИАиЭ СО РАН.
7.Чугуй Юрий Васильевич, д.т.н., директор Конструкторско-технологического института научного приборостроения Сибирского отделения Российской академии наук (КТИ НП СО РАН), г.Новосибирск.
8.Целько Александр Витальевич, вице-президент Открытого акционерного общества «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД»), г.Москва.
9.Плотников Сергей Васильевич, к.т.н., директор Общества с ограниченной ответственностью «Сибирский центр транспортных технологий» (ООО «ЦТТ»), г.Новосибирск.
10.Пылев Игорь Михайлович,к.т.н., заместитель главного конструктора по расчетно-экспериментальным работам СКБ «Гидротурбомаш», Открытое акционерное общество «Силовые машины — ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт», г.Санкт-Петербург.
Андрей Соболевский
Фото автора, системы «Комплекс» — предоставлено Ю.В. Чугуем
