От планов — к результатам. Общие цели сближают науку и производство.

— Многие институты уже принимают участие в КПНИ (Комплексные планы научных исследований), используя в своей работе компетенции коллег из других научных организаций и университетов. Значит, надо и дальше объединять усилия, в том числе для эффективного применения полученных результатов в реальном секторе экономики. Необходимо формировать механизмы, которые позволят преодолеть межведомственные водоразделы. При этом нужно смотреть в будущее и не столько подсчитывать прошлые заслуги, сколько искать носителей компетенций для решения новых задач. Мир выстраивает эффективность, глядя в будущее, — рассказывал Сергей Григорьевич. — Так давайте определим, куда мы хотим идти, и поймем, что у нас для этого есть и чего не хватает.

— Да, так часто говорят. Но существует не менее важный, причем невосполнимый ресурс — время. Денег на науку дают не так много, как хотелось бы, значит, надо продуманно выбирать цели и, конечно же, объединять усилия и компетенции. Как найти партнеров? Посмотрите темы госзаданий, на которые уже выделены ресурсы по Программе фундаментальных научных исследований государственных академий наук. Не случайно я использовал термин “ресурсы”. Это ведь не только выделяемая зарплата и даже не площади и оборудование. Это на порядок более дорогостоящий ресурс — научные школы, знания, умения и навыки, которые передаются от одного поколения ученых к другому. На нас — ответственность за сохранение, развитие и эффективное использование этого бесценного ресурса. Конечно же, речь идет о сильных научных коллективах. 

— Разумеется. Необходимым условием научно-технологических прорывов являются глубокие фундаментальные исследования. В конкурентной среде, а наука — это конкурентная сфера деятельности, уровень компетенций подтверждается уровнем публикаций, научно-технологических решений и эффективностью приложений, в том числе в социально значимых областях, а также в сфере обороны и безопасности. 

— Для этого мало находиться в тренде развития своей научной дисциплины. Нужно опережать. Сегодня это немыслимо без междисциплинарных исследований. Об этом говорит и наш опыт. Развиваемая в Институте физики прочности и материаловедения новая концепция, основанная на многоуровневом подходе к разработке материалов, по сути, является междисциплинарной. Развитие этого подхода требует привлечения компетенций многих научных дисциплин, таких как физика, химия, нелинейная механика, электронная теория, пластичность и прочность материалов, нанотехнологии, информационные технологии, биология и даже медицина. Это еще не полный перечень. Это направление, получившее название “мезомеханика”, было предложено основателем нашего института академиком В.Е.Паниным. Суть в том, что свойства материала и его приложения определяются сложным, как правило, нелинейным взаимодействием элементов его внутренней структуры на разных масштабах. Иерархия таких структурных уровней и определяет физико-механические, химические и медико-биологические свойства материалов. То, что наш институт стоял у истоков этой парадигмы, обусловило его авторитет и конкурентоспособность в области науки о материалах. Достаточно сказать, что только за последние 4 года нашими сотрудниками опубликованы 17 статей в журналах Nature Publishing Group. Да и в целом по удельному количеству публикаций в журналах, индексируемых в базе Web of Science, мы находимся в первой десятке среди всех институтов, подведомственных ФАНО России. Кстати, издаваемый институтом журнал “Физическая мезомеханика” (Physical Mesomechanics) является одним из наиболее высокорейтинговых в России. Он издается в кооперации с издательством Springer-Nature и входит в число мировых журналов-лидеров в данной области. В период с 2013-го по 2016 годы импакт-фактор журнала (по данным Web of Science) вырос в 4 раза: от 0,541 (IF2013) до 2,244 (IF2016), при этом индекс Хирша издания вырос более чем вдвое — с 8 (2013) до 17 (2016). Наш журнал включен в квартиль Q1 в категории Materials Science, Characterization and Testing. 

— Это частый вопрос. Все рассуждают примерно так: публикации — это хорошо, индексы цитирования и рейтинги тоже, но все ждут от науки новых технологий и продукцию, которые будут развивать экономику твоей страны. С этим следует согласиться. В Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации отмечается, что глобальные изменения в организации научной, научно-технической и инновационной деятельности приводят к возникновению такого значимого для научно-технологического развития фактора, как сжатие инновационного цикла. 

Действительно, каких бы достижений ученые ни добились, мир о них узнает не сразу, а через год-полтора, когда журнал выйдет. Но, к примеру, в Рос­атоме, Роскосмосе эти журналы, скорее всего, и не прочитают. Ходить же, как лотошники, со своими наработками по кабинетам — не нужно ли вам — мягко выражаясь, неэффективно. Более перспективен путь, когда ставится задача, а ученые предлагают решение, если это возможно, или обосновывают проведение новых исследований. В последнем случае все вместе определяют источники финансирования этих работ. Уверяю вас, если задача важная, то финансирование найдется, будь то собственные средства и/или федеральные целевые программы. 

Все перспективные направления исследования подразумевают конкуренцию. Она есть и между учеными, конструкторами, технологами, корпорациями, но ее надо использовать во благо — вместе работать над сложными задачами, умножая свои возможности. Этот подход реализуется нами в форме Комплексного плана научных исследований и разработок. В работе этой сетевой структуры принимают участие не только научные организации, но также университеты, в том числе зарубежные, и промышленные партнеры. Ничто не возникает на пустом месте. Так и в этом случае нами использованы томский опыт кооперации с университетами, практика интеграционных и междисциплинарных проектов Сибирского отделения РАН, опыт участия в ФЦП Минобрнауки “Исследования и разработки…”. В продвижении и реализации этой формы сетевого взаимодействия важная роль принадлежит ФАНО России. Этот вид сотрудничества обсуждался и на Координационном совете Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук. Об этом была информация в газете “Поиск” (№14, 2016). У каждого КПНИ есть организация-координатор, что-то вроде головного института. Причем головной он по одной программе, а по другой — рядовой исполнитель. Нет пожизненно великих. Все определяется набором ключевых компетенций. Важно то, такие планы должны подразумевать получение результатов, превосходящих мировой уровень. 

— Постепенно. Мы около года обсуждали с руководством ФАНО, тщательно прорабатывали документы, регламенты, индикаторы. Никаких новых указов издавать не потребовалось. Это было принципиальное условие. И в конце концов первый пилотный Комплексный план научных исследований приняли — это “Перспективные материалы с многоуровневой иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций”. В число участников входят 10 научных организаций. Широкая география, если идти с востока на запад: Томск, Новосибирск, Омск, Екатеринбург, Пермь, Уфа Москва. Партнерами нашего КПНИ являются 15 вузов и научных организаций из России, Германии, Словении, Израиля, Китая и 15 крупных компаний и корпораций. ИФПМ — организация-координатор и, конечно, главный “ответчик”. 

— Все и раньше работали по своим госзаданиям, просто теперь задействован сетевой принцип взаимоотношений. Мы можем узнавать о научных достижениях коллег уже на стадии получения результатов, а не спустя, как минимум, год. Конечно, результатов, говорящих об эффективности КПНИ, не следует ожидать сразу. Но уже сегодня она видна. Это относится и к приложениям полученных работ. Они разные, касаются ядерной энергетики, транспорта, медицины и освоения космоса. 

— Ну, тот период “затмения” позади. Сегодняшние планы российской космонавтики амбициозны и известны. Для их реализации важное значение имеют новые материалы. Вот вам показательный пример, как полученные фундаментальные знания находят свое приложения, причем в высококонкурентной области. Ведь материалы должны быть с многоуровневой иерархической внутренней структурой, которая должна проектироваться одновременно с конструкцией с учетом специфики нагрузки на старте, в полете и при посадке. Для решения этой задачи в рамках нашего КПНИ развивается направление — многоуровневое динамическое моделирование. На российском сегменте Международной космической станции (МКС) запланирован соответствующий космический эксперимент. Кстати, на основе многоуровневого подхода разработана и передана ракетно-космической корпорации “Энергия” технология нанесения прозрачных многослойных нанокомпозитных защитных покрытий на стекла иллюминаторов космических аппаратов. Такие покрытия не имеют мировых аналогов. Мы — первые здесь! На основе проведенных опытных испытаний принято решение об установке на летные образцы космического корабля “Федерация” иллюминаторов со стеклами с разработанным в ИФПМ защитным покрытием. Это — результат совместной работы ИФПМ с партнерами по КПНИ — Национальным исследовательским Томским политехническим университетом и РКК “Энергия”. 

Другой, очень показательный пример — решение проблемы применения новых легких сплавов для корпусов космических аппаратов. Элементы конструкции из современных высокопрочных легких алюминиевых сплавов невозможно соединять традиционными сварочными технологиями. Для этого необходимо использовать другой принцип сварки — трением с перемешиванием. Но при новом способе и дефекты швов другие. Обнаружить их, классифицировать, выяснить причины появления и в конечном счете предотвратить возникновение — сложная работа, успешное выполнение которой невозможно без глубоких фундаментальных знаний в области науки о материалах. 

За эту работу в рамках КПНИ отвечает лаборатория ИФПМ под руководством доктора наук Евгения Колубаева. Партнеры — ИФПМ, ТПУ и РКК “Энергия”. Посмотрите, что сделано.

Оказалось, сотрудникам лаборатории удалось найти не только способы выявления необъемных, плоских дефектов с высокой степенью надежности, но и трансформировать свои знания в уже используемый на РКК “Энергия” автоматизированный комплекс диагностики соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием, и дальше — в стандарт РКК “Энергия” по контролю качества таких соединений. 

— Быстро транслировать фундаментальные знания в решение задачи ключевых индустриальных партнеров нам позволило то, что в основе работ — результаты и опыт фундаментальных исследований, — рассказал Евгений Колубаев. — Когда установки для сварки трением с перемешиванием пойдут в производство, наш опыт даст возможность оперативно решать конкретные инженерные задачи, ведь потребуется подбирать режимы для сварки разных материалов — пластика и металла, титана и стали или титана и алюминия. Ноу-хау нашего института — это режим использования ультразвука в процессе сварки. В очень узком диапазоне параметров он позволяет вести сварку трением с перемешиванием — с гарантированным качеством, практически бездефектно. В создании и отладке промышленных установок для этих процессов участвует чебоксарское предприятие “Сеспель”. Работа еще не завершена, но по ней наша лаборатория оформила 4 патента и опубликовала около сотни статей в ваковских журналах, треть из которых входят в Scopus и WoS. 

Такие результаты, как мы убедились, разговаривая с сотрудниками лаборатории, обусловлены не только высокими компетенциями коллектива, но и увлеченностью, с которой работают сотрудники, видя, что их труд нужен, тем более космической отрасли. Всего в команде Е.Колубаева — более 20 человек, большая часть — молодежь. Некоторые, как и он, начинали в ИФПМ, еще будучи студентами, аспирантами, потом защищались и оставались здесь работать. Сам Евгений Колубаев — молодой доктор наук, ему 35 лет. Одновременно он — замдиректора Института физики высоких технологий Томского политеха. 

Скоро РКК “Энергия” в рамках КПНИ подписывает с ТПУ соглашение о повышении квалификации своих сотрудников. Специалисты из подмосковного Королёва пройдут в Томске обучение, проведут серию лабораторных работ, поработают на установках в ИФПМ и вернутся на свое производство с новыми знаниями и, что особенно важно, навыками управления новейшими технологиями сварки. Чтобы транслировать инновационные разработки в производство, а тем более делать это оперативно, надо обязательно заниматься подготовкой кадров.

Кстати, насчет профессионализма. ИФПМ получил от корпорации “Роскосмос” лицензию на право разрабатывать исследовательскую аппаратуру для МКС. 

— К работам с МКС невозможно допускать неподготовленных людей — стоимость станции в 10-12 раз выше стоимости адронного коллайдера, — поясняет директор ИФПМ Сергей Псахье. — Плюс эта громадная сложная конструкция летит со скоростью более 7 км/сек, 

да еще при стыковках и коррекции орбиты вся “колышется” с низкими частотами. В общем, вопросы прочности и надежности материалов с точки зрения конструкторов — одни из ключевых. 

— Пока ее в космосе смастерить не из чего, — отвечает Псахье, а сам ведет нас к столу, где молодой человек колдует над скелетом какого-то прибора. — Но когда Валерий Рубцов, к.ф.м.н., старший научный сотрудник лаборатории физики упрочения поверхности ИФПМ СО РАН, закончит 3D-принтер для МКС, возможность на станции самим изготовить нужную деталь у космонавтов появится. 

— Ну, в море и космосе просить чего-либо у путников — дурной тон, свое надо возить, — неторопливо отвечает он. — Но когда голова есть, ногам меньше работы. Используя аддитивные технологии, можно и в космосе напечатать то, чего тебе не хватает. Потеряли заглушку, потребовался переходник — на Земле деталь спроектируют, пришлют на МКС компьютерный код, космонавты ее загрузят в принтер и напечатают что требуется. Чуть дольше часа — и вот вам крышка с резьбой, контейнер, кронштейн. Через год наш принтер должен полететь на МКС, для него уже зарезервировано место на грузовом корабле. Но мало сделать устройство — надо научить космонавтов на нем работать. Там ведь невесомость, надо исхитриться, чтобы в этих условиях получилась качественная деталь точной формы и размера, а для этого необходимо придумать свою систему перемещения экструдера, обеспечения герметичности, решить задачу очистки воздуха и фильтрации выбросов — пластик-то плавится, но никакие газы не должны засорять атмосферу станции или космического корабля. По функциям наш принтер, конечно, будет похож на американский — как все велосипеды между собой — но в нем будут использованы новые запатентованные решения. Например, космос предъявляет особые требования к механике, ведь при старте в условиях перегрузки возникают интенсивные вибрации. Обычная техника после такого выходит из строя, а наш принтер должен уверенно функционировать. Вот поэтому в этом проекте в рамках КПНИ участвуют не только ученые, специализирующиеся в различных областях науки о материалах, но и конструкторы, специалисты по позиционированию приводов, электроники, программисты. Работать нам всем приходится, постоянно используя все способы сетевого взаимодействия. Делать что-либо разобщенно, по очереди нет смысла — надо сразу обсуждать возникающие проблемы, находить решения, устранять ошибки. Принтеров для МКС соберут несколько, полетит один. Остальные необходимы для контроля и обучения космонавтов на Земле. 

Еще одно направление для космоса представил Виктор Сергеев, доктор наук, заведующий лаборатории материаловедения покрытий и нанотехнологий ИФПМ, где разработали противометеороидные покрытия для стекол иллюминаторов, о которых мы уже говорили. Коллектив этой лаборатории умеет создавать уникальные многослойные нанокомпозитные прецизионные покрытия сложного состава. 

Вы помните, как страшно, когда камень бьет в стекло движущегося автомобиля? Кажется, кусочек гравия из-под колес впереди идущего грузовика, а опасность какая! Но на Земле камушек летит в вас не быстрее 2 км в секунду. А в космосе? Мчится со скоростью от 30 до 80 км/сек. 

— Когда мы начинали свою космическую деятельность, плотность частиц космического мусора была низкой, — рассказывает Виктор Петрович, — а теперь на высоте 200 км от Земли, там, где летают основные космические аппараты, обслуживающие интересы землян, поток увеличился на порядки! Количество опасных частиц растет катастрофически. Сегодня защита оптики МКС, да и других космических аппаратов стала насущной проблемой. Иллюминаторы ведь не только для того, чтобы космонавты смотрели на Землю, но и для наблюдений с помощью оптических приборов. Смотрите, как выглядит стекло, прослужившее 8 лет на орбите.

— Да. Но эрозия — полбеды. Бывают неприятности посерьезнее. В феврале этого года по краю Cupola – американской части МКС, которая застеклена и сильно выдается над станцией, — ударил микрометеороид, и образовался глубокий кратер — 8-9 мм в поперечнике. Еще одно такое попадание — и тогда… Словом, американцы сокращают работы под Cupola — боятся. 

— Значит, стекло нужно “залечить”. Для таких случаев мы разработали нанокомпозитное многослойное покрытие, которое сделано так, чтобы рассеивать силу удара микрочастиц между слоями. Видите исходное, сильно “потертое” микрометеороидами стекло? А вот такое же после ионно-пучковой обработки и нанесения металлизированного покрытия. Да, достаточно темного, но следом еще несколько просветляющих — и вот результат, можно мелкий чертеж читать, хотя толщина — 16 мм. Это промежуточное стекло, его ставят в иллюминаторы внутренней части МКС, а это внешнее стекло. Такое будет стоять на космическом корабле “Федерация”, который к 2022 году должен быть выведен на орбиту. 

— Для этого мы создаем и технологию, и оборудование. Это еще один космический эксперимент — “Пересвет”. Разработанный нами для использования космонавтами в открытом космосе ионно-плазменный источник “залечит” лунки и микротрещины на стекле иллюминатора. Тем самым мы не только возвращаем прозрачность стеклу иллюминатора, но даже несколько повышаем его прочность. Лабораторные результаты, достигнутые в вакуумных камерах, успешны, и сейчас РКК “Энергия”, мы, все наши партнеры готовимся к эксперименту в космических условиях. Нам надо максимально уменьшить габариты нашего ионного источника, снизить вес и снабдить его автономными источниками питания. Такие задачи по отдельности ни физики, ни инженеры, ни механики, ни материаловеды не решат в одиночку, справиться с ними можно только вместе, располагая глубокими фундаментальными междисциплинарными знаниями о всех процессах, — говорит С.Псахье. Нужен сплав коллективов — целого ряда лабораторий ИФПМ, специалистов РКК “Энергия”, Томского политеха, Томского госуниверситета и его НИИ прикладной математики и механики. 

Мы рассказали только о части космической программы ИФПМ и совсем малой части проектов КПНИ “Перспективные материалы с многоуровневой иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций”. Ведь новые фундаментальные знания и новые формы координации научных организаций, университетов с ключевыми российскими компаниями позволяют объединять компетенции разных областей знаний и эффективно решать задачи, которые востребованы реальной экономикой, конкретными наукоемкими отраслями. 

Кроме того, следует отметить, что подтверждением высокой конкурентоспособности КПНИ являются проекты, выполняемые участниками и партнерами КПНИ и финансируемые по ФЦП ИР. К наиболее значимым проектам следует отнести такой, как “Разработка и создание линейки промышленного роботизированного оборудования на основе мультипучковой электронно-лучевой технологии для высокопроизводительного аддитивного производства крупноразмерных металлических и полиметаллических деталей, узлов и конструкций для ключевых отраслей РФ”. Проект выполняется с Московским государственным университетом, Новосибирским государственным техническим университетом, РКК “Энергия” и ЗАО “Чебоксарское предприятие “Сеспель”. Создаваемые научно-технические заделы позволят обеспечить технологическое лидерство и импортонезависимость России в области высокопроизводительных электронно-лучевых технологий аддитивного производства. Формируется новое научное направление — “локальная микрометаллургия” — открывающее возможность создания материалов со свойствами, не достижимыми в рамках традиционных технологий. Спектр проектов широк и отражает междисциплинарные возможности эффективной интеграции в рамках КПНИ. Это, например, проект на стыке с биомедициной, посвященный разработке наноматериалов, обеспечивающих направленную модификацию биологических сред и потенцирование действия лекарственных препаратов. В области нанотехнологий ведутся работы по проекту, направленному на создание нового поколения бимодальных металлопорошковых композиций на основе нано- и микрочастиц для аддитивных технологий. В интересах освоения Арктики выполняется проект, целью которого является разработка с использованием многоуровневых компьютерных моделей иерархически армированных гетеромодульных нанокомпозитов для применения в узлах трения машин и механизмов, работающих в условиях Крайнего Севера. На пересечении с информационными технологиями в кооперации с российской инжиниринговой компанией “Фидесис” выполняется проект, посвященный разработке программного комплекса для многоуровневого компьютерного моделирования. Здесь разрабатывается инструментарий, который будет использоваться для многоуровневого динамического моделирования космических систем. 

На снимках:  Сергей Псахье, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, директор Института физики прочности и материаловедения СО РАН;