Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН – учреждение необычное. Созданный 50 лет назад как лаборатория, обслуживавшая другие институты, сегодня он стал полноправным членом академической семьи, успешным как в научном, так и в финансовом плане.
Уникальный институт
Только что образованное Сибирское отделение больше всего нуждалось в оборудовании. 50 лет назад в Институте химической кинетики и горения создали Специальное конструкторское бюро научного приборостроения. Оно не только работало по заказам ученых, но и занималось исследованиями, предлагая технологические решения, не имевшие аналогов в мире.
Кризис начала 90-х мог погубить хозрасчетное СКБ НП, которое было организовано как самостоятельная организация в 1972 г. Его спас председатель Президиума СО РАН академик Валентин Коптюг, добившись для бюро статуса академического института. Однако статус – это еще не финансирование.
– Мы получали тогда считанные проценты от нужных нам средств, – вспоминает директор института профессор Юрий Чугуй, – остальное необходимо было заработать.
Задачу внедрения инноваций в промышленное производство, которая сегодня стоит перед Сибирским отделением, Конструкторско-технологический институт успешно решил еще 20 лет назад. КТИ НП реализует свои разработки от идеи до монтажа под ключ. На это уходит от полугода до полутора лет – фантастический результат, который поражает воображение не меньше, чем хитроумные приборы и передовые технологии.
Руками не трогать
В числе основных специализаций института – разработка бесконтактных методов измерений. На смену линейкам и штангенциркулям ученые призвали свет. Одними из первых заинтересовались предложением атомщики: новый метод решал вопрос геометрического контроля тепловыделяющих элементов – ТВЭЛов. Эти тонкие стержни длиной в несколько метров, в которых находится радиоактивный уран, – сердце атомной станции. Стержни соединяют в большие пакеты, фиксируют в специальных решетках – вот, по сути, главный элемент ядерного реактора. Понятно, насколько важна идеальная форма стержня и решетки: малейшие отклонения ТВЭЛа от оси, небольшая деформация ячейки, где он закреплен, приводят к вибрации внутри реактора, деформации и разрушению стержней.
Много лет контрольные замеры были головной болью атомщиков: медленно, дорого, ненадежно. КТИ НП предложил использовать теневой метод: изучается не сам стержень, а его проекция в проходящем световом потоке, при этом в качестве инструмента используется фотодиодная линейка. Стержни один за другим протягиваются через оптико-электронное устройство, где происходит до 3 300 замеров в секунду. Когда ТВЭЛ выходит из аппарата, уже готово его полное досье – паспорт изделия, причем погрешность результатов измеряется микронами.
Не менее оригинально подошли в КТИ НП и к исследованию дистанционирующих решеток для ТВЭЛов. В конструкции, напоминающей пчелиные соты, – несколько сотен отверстий, в которые вставляются стержни с ураном. Слишком тесное отверстие – на стержне образуется задир, металл будет корродировать; слишком просторное – стержень может вибрировать и даже выпасть. Раньше для исследования ячейки применялся специальный щуп, однако его показания нельзя назвать точными. Инженеры института предложили принципиально новый способ с использованием метода кольцевого структурного освещения. Световые пучки, имеющие форму колец, проецируются внутрь ячейки – каждое кольцо на заданную глубину. Рассеянные стенками, они образуют на выходе картинку, чем-то напоминающую мишень. Если какое-то кольцо оказалось кривобоким, сразу можно указать размер и местоположение дефекта. Новая система оказалась в 3 300 раз эффективнее, чем традиционная. На полное обследование решетки из нескольких сотен ячеек, в каждой из которых производится 12–16 замеров, уходит всего 12 минут!
– Вдумайтесь, мы, институт СО РАН, по сути стали головной проектной организацией корпорации ТВЭЛ Минатома РФ по разработке и созданию средств бесконтактного контроля компонентов тепловыделяющих сборок, – подчеркивает Юрий Чугуй. – Это исключительный случай!
– Нам действительно повезло, что судьба нас связала с такой высокотехнологичной отраслью, как атомная, – продолжает Ю. Чугуй. – Она ставила и ставит перед нами задачи, при решении которых после фундаментальных исследований мы разрабатывали аппаратуру, представляющую интерес для многих отраслей промышленности. Вот один из примеров. Более 10 лет назад мы разработали, создали и внедрили на заводе химконцентратов три образца низкокогерентной интерферометрической системы для 3 3D-контроля глубины и профиля дефектов ТВЭЛ. Идея оказалась настолько плодотворной, что нам удалось буквально «ворваться» в нанообласть. В результате родился комбинированный прибор, который очень востребован в институтах СО РАН: интерференционный микроскоп-нанопрофилометр (заведующий лабораторией – А. Поташников, руководитель разработки – Евгений Сысоев, оба – кандидаты технических наук). Благодаря использованию в качестве опорных объектов атомно-гладких зеркал, изготовленных в Институте физики полупроводников СО РАН под руководством члена-корреспондента А. Латышева, а также оригинальных алгоритмов обработки измерительной информации нам удалось впервые в мире получить рекордное по глубине разрешение – около 50 пикометров, что позволяет различать атомные слои на поверхности полупроводниковых структур. Пилотный образец прибора применяется в институтах СО РАН при решении задач наноинженерии и, надеемся, будет востребован в промышленности для измерения микро- и нанорельефа поверхностей.
Надо сказать, что активное взаимодействие КТИ НП с другими институтами СО РАН приносит ощутимые плоды. Сегодня около десятка созданных коллективом КТИ НП систем и приборов успешно используются коллегами при проведении научных исследований. Участвовал Конструкторско-технологический институт научного приборостроения и в проектах класса mega-science: разработана технология штамповки специализированных дифракционных оптических элементов на терагерцовый диапазон и создана линейка дифракционных линз для лазера на свободных электронах.
– Обычная оптика не выдерживает мощного терагерцового излучения, которое испускает лазер на свободных электронах (ЛСЭ), – начинает плавиться, – поясняет заместитель директора по научной работе КТИ НП кандидат физико-математических наук Михаил Ступак. – Нужно было разработать технологию создания так называемых дифракционных элементов, работающих на просвет, из подходящих материалов, чтобы они были достаточно тонкими и функционировали как линзы. Мы выбрали наиболее подходящий для данного спектрального диапазона материал – полипропилен, отработали технологию прецизионной штамповки из полипропилена профилированных листиков тонких пластин, выполняющих миссию фокусирующих линз. Исследователи на станциях ЛСЭ новой оптикой довольны. Теперь решаем еще ряд задач в этой области – в рамках интеграционного проекта разрабатываем для станции ЛСЭ и Института ядерной физики уникальный спектрометр нарушенного полного внутреннего отражения. Но производство не имеющих аналогов приборов невозможно без серьезных фундаментальных исследований.
Для «сверки часов» при проведении этих исследований КТИ НП активно участвует в международных научных мероприятиях, например, в 2009 году институт выступил организатором 9-го Международного симпозиума по измерительным технологиям и интеллектуальному приборостроению в Санкт-Петербурге. Кроме россиян, в нем приняли участие более 200 специалистов из 20 стран дальнего зарубежья. Интеграция в международное сообщество способствует и заключению контрактов. Так, лазерные круговые генераторы изображений, разработанные совместно с Институтом автоматики и электрометрии, были поставлены в научные центры Германии, Италии и КНР.
Пока стучат колеса
Кажется, атомная промышленность и железная дорога – далекие друг от друга отрасли. Однако проблемы у них одни – измерения. У железнодорожников контроля требуют колеса и провода контактной сети. Истирание даже одного колеса грозит катастрофой – при переводе стрелок истонченный обод может проскользнуть между двумя рельсами, и сход состава с пути неминуем. Заметить дефект рабочему-обходчику трудно. Обследование в ремонтном депо даст результат, но вагон будет выведен из строя на несколько дней. Вот если бы удалось сделать замеры прямо в пути… И КТИ НП нашел выход!
Машинисты даже не замечают, как поезд проезжает один из 54 пунктов, расположенных по всей стране, от Калининграда до Находки. Ведь датчики находятся прямо на шпалах. На каждое колесо направлено несколько лазерных лучей, а отраженный сигнал тут же записывается и передается на ближайший пункт контроля. Разработанное в Конструкторско-технологическом институте программное обеспечение позволяет восстановить профиль каждого колеса, и на первой же станции персонал получает четкие указания: в каком вагоне какую колесную пару требуется проверить и при необходимости заменить.
Автоматическая лазерная система контроля «Комплекс» работает и в жару, и в стужу, в грязи и почти занесенная снегом, а поезда при этом даже не притормаживают – замеры могут производиться на скорости до 60 км в час. Аналогичные системы есть и за рубежом, но там вагоны медленно прокатывают по испытательному стенду в депо.
– Мы предлагаем только уникальные разработки, – подтверждает профессор Юрий Чугуй. – Когда заказчик приходит к нам, он видит приборы, которые не купишь за границей, а если и есть аналоги – мы делаем лучше и гораздо дешевле.
От вокзала до космодрома
В день, когда журналистов пригласили в Конструкторско-технологический институт, там происходило важное событие: представители заказчика, ОАО «Информационные спутниковые системы» им. Решетнёва, принимали стенд для определения центра масс крупногабаритных изделий.
В безвоздушном пространстве, где нет нужды заботиться об аэродинамике, космические станции и спутники ощетиниваются телескопами, антеннами и солнечными батареями. Управлять такой «космической каракатицей» гораздо труднее, чем, например, автомобилем. Неверно поданый импульс двигателей легко может пустить весь комплекс в штопор или отправить в глубины вселенной. Чтобы рассчитать траекторию движения, необходимо точно знать, где расположен центр масс спутника. Вычислить его даже для отдельной штанги – непростая задача, учитывая, что современные композитные материалы позволяют делать конструкции всё длиннее и легче.
– На данном стенде можно определять центр масс штанг весом от 4 до 80 килограммов и длиной до 7 метров, – рассказывает представитель заказчика. – Но длина не столь существенна, как масса: раньше мы не работали с объектами легче 25 килограммов.
Штанга движется, вращается, и все параметры замеряются в динамике. Конструкторы космической техники уже прогнозируют, что срок службы спутников (сейчас «гарантия» на космический аппарат составляет семь лет) увеличится в разы.
Космическая тема традиционно близка сотрудникам института. В лаборатории технического зрения под руководством доктора технических наук Аристарха Ковалева, бывшего в свое время одним из ведущих разработчиков Сибирского отделения РАН по теме «Аксай» (создание первого тренажера для космонавтов), ведутся работы в области когнитивного зрения.
Дело в том, что восприятие человеком окружающего мира невооруженным глазом и с помощью оптических приборов существенно отличается, так как в первом случае данные, полученные зрением, обрабатывает мозг с учетом предыдущего опыта, и в результате человек воспринимает окружающее пространство чуть-чуть по-другому. Это «чуть-чуть» может привести к катастрофе, например, при дозаправке самолета или космического аппарата в воздухе в ночных условиях, когда пилот руководствуется приборами ночного видения и... ошибается.
Кстати, каждый из нас мог убедиться в разности восприятия на сеансах 3 3D-фильмов – вспомните дискомфорт, ощущаемый при просмотре. А. Ковалеву удалось этот дискомфорт полностью устранить и сделать макет стереоскопической бинокулярной системы, полностью аналогичной системе человеческого восприятия, с эффектом реального взгляда на ближние и дальние объекты. Таким образом, становится возможным создание интеллектуального тренажера нового поколения для летчиков и космонавтов, после которого не придется переучиваться на реальной технике. И это будет не первой технологической революцией, совершенной при участии Конструкторско-технологического института научного приборостроения.
Иван Федоров
Журнал «Новосибирск – одна семья», зима/9
