К КОНКУРЕНЦИИ — ГОТОВЫ!
За годы своего существования Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН прошёл длинный путь — от СКБ НП, которое было создано без малого пятьдесят лет назад как подразделение в составе ИХКиГ СО АН СССР, до собственно КТИ НП, в который и преобразовали в 1991 году конструкторское бюро — тогда уже самостоятельную хозрасчётную организацию в составе СО РАН. Бывало всякое — экономический передел страны и угроза приватизации, распад «пояса внедрения» и, как следствие, перевод в статус госучреждения с небольшим бюджетом, периоды реорганизации, приватизации и реприватизации здания...
Ю. Александрова, «НВС»
Ориентир — новейшие технологии
для базовых отраслей
Сегодня КТИ НП — небольшая (около двухсот человек), но динамично развивающаяся организация, исследования которой ориентированы на создание новых наукоёмких технологий для базовых отраслей российской экономики, приборов и экспериментального оборудования для институтов Российской академии наук. Основными направлениями его деятельности являются проблемы оптики и лазерной физики, в частности, оптика трёхмерных объектов, лазерные и лучевые технологии, информационные оптоэлектронные системы, оптические измерения. Это позволяет, используя новейшие оптические методы и современную электронную базу, производить всевозможные измерения геометрических параметров трёхмерных объектов в различных условиях. В настоящее время оптика и лазерная техника имеют широчайшее применение: системы размерного контроля, технического зрения, оптические измерительные технологии — всё это и многое другое основано именно на них.
Как известно, в лихие девяностые между наукой и производством образовалась большая брешь: отраслевую науку и её прикладные научные организации практически ликвидировали, и внедрением начали на свой страх и риск заниматься собственно академические институты — каждый в своей области деятельности. «Мы сумели выжить, — вспоминает заместитель директора по научной работе к.ф.-м.н. М. Ф. Ступак, — потому что работали на крупные, так называемые базовые отрасли страны, и разрабатывали те изделия, которые действительно были крайне необходимы на ключевых предприятиях этих отраслей. Конкретная работа с заказчиками на заводах, в цехах позволяла исследователям достаточно хорошо понять, что же нужно потребителю, предлагать наиболее эффективные решения и получать продукцию более дешёвым способом».
Много оптоэлектронных измерительных систем находится, в частности, в цехах «полигона» института — Новосибирского завода химконцентратов (это одно из редких высокотехнологичных предприятий в России). Учёные отслеживают, как они работают, и, в случае необходимости, вносят коррективы. У завода с КТИ полное взаимопонимание и доверие: сотрудники института подготовили коллектив, обучили специалистов, что позволяет быстро внедрять технологии и организовывать освоение и использование новой техники. Ведь для того, чтобы конкурировать на мировом рынке атомных технологий, все компоненты должны быть очень высокого качества. Без преувеличения можно сказать, что КТИ НП является головной организацией по разработке, созданию, производству бесконтактных измерительных средств размерного контроля и оснащению ими предприятий топливной компании «ТВЭЛ» атомной отрасли. И это при том, что КТИ НП — институт не отраслевой, а академический. Всё это — доказательства востребованности разработчиков, коллектива сотрудников КТИ НП. А исследователи КТИ НП к конкуренции готовы.
Прорыв
в космическую тематику
Об успешной деятельности Конструкторско-технологического института научного приборостроения свидетельствует и прошедшая недавно комплексная проверка. Вывод — институт достойно выполняет возложенную на него миссию, и доклад директора КТИ НП д.т.н. Ю. В. Чугуя, сделанный на недавнем заседании Президиума СО РАН был оценён очень высоко. Сам Юрий Васильевич о разработках, несмотря на загруженность, готов рассказывать много и подробно, подчёркивая при этом, что достаточно мощный рывок Конструкторско-технологический институт научного приборостроения сделал именно в последние годы. Одна из основных тематик сегодня — космическая. Налажены прочные контакты с российским лидером спутникостроения — Железногорским ОАО «Информационные спутниковые системы имени академика М. Ф. Решетнёва», заключены серьезные договора.
Начало этому сотрудничеству было положено примерно пять лет назад, когда по договору с «решетнёвской фирмой» институт в кратчайшие сроки разработал для неё малогабаритные и дешёвые оптоэлектронные датчики расстояния и на их основе создал автоматический высокоскоростной программируемый измерительный комплекс (более 1000 датчиков), контролирующий геометрию антенны в режиме реального времени (основной разработчик — м.н.с. С. Н. Макаров). Именно после этого было принято решение поручать КТИ НП и более серьёзные работы, в том числе последнюю. Речь идет о разработке, поставке и запуске высокотехнологичного оборудования, по сути, автоматических систем управления технологическим процессом, для климатических испытаний спутников в большой камере (температура, влажность, давление), что предполагает огромный объём работ как в части «железа», так и программного обеспечения.
Договор между фирмой и несколькими соисполнителями, в числе которых и КТИ НП, был заключен на немалую сумму; к концу подходит последний, третий этап выполнения. По мнению руководства ОАО «ИСС имени академика М. Ф. Решетнёва» и СО РАН, эти работы создали благоприятный фон для заключения соглашения о долговременном сотрудничестве. «Надеемся, — говорит Юрий Васильевич Чугуй, — что мы и дальше будем тесно работать с данной организацией в плане внедрения новейших систем. А это значит, наша космическая отрасль будет ещё сильнее и мощнее. Тем более, что мы ведем параллельно ещё несколько договоров с этой фирмой (руководитель работ — зам. директора А. Г. Верхогляд) и предполагаем наращивание исследований в данном направлении».
Справедливости ради надо сказать, что космическая тематика уже давно присутствует в деятельности института. Более 15 лет назад КТИ НП совместно с ИАиЭ СО РАН разработал для аэрокосмической промышленности и научных организаций лазерные генераторы изображений. Первые их образцы CLWS-300/C (для записи прецизионных микроструктур на плоских поверхностях) и CLWS-300/C-М (для синтеза дифракционных структур на криволинейных поверхностях) более десятка лет успешно трудятся на Уральском оптико-механическом заводе, в НПО «Геофизика-Космос», работают на аэрокосмическую отрасль КНР и Германии. А в этом году отправлен в Китай лазерный генератор изображений нового поколения с повышенными точностными и эксплуатационными характеристиками, предназначенный для синтеза микроструктур произвольной топологии в пленках фоторезиста, нанесенных на подложку (руководитель проекта А. Г. Верхогляд, главный конструктор Л. Б. Касторский).
Радикальное повышение точности достигнуто благодаря применению в нем малогабаритного полупроводникового УФ-лазера и непрерывной коррекции в режиме реального времени влияния внешних условий на систему регистрации перемещений. Для специалистов приведем лишь одну характеристику — система синтезирует высокоэффективные дифракционные оптические элементы с погрешностью формирования волнового фронта менее лямбда/100. Все эти работы выполнены совместно с ИАиЭ СО РАН. Кроме лазерных генераторов изображений, здесь следует также упомянуть и уникальный лазерный комплекс микропрофилирования поверхности космических антенн, современную систему управления и контроля устройств Сибирского солнечного радиотелескопа ССРТ и другие.
Надежная измерительная техника —
для институтов Сибирского отделения
Ещё одна тенденция в деятельности КТИ НП — расширение плацдарма работ в области научного приборостроения, что немаловажно и вытекает, собственно, из названия института. Целевое назначение прописано и в уставе — это, помимо прочего, создание уникальных приборов и оборудования для приборного обеспечения научных исследований в институтах. «Наука сейчас шагает семимильными шагами, — замечает Михаил Федорович Ступак, — поэтому, как правило, требуется уникальное приборное обеспечение, которого нет на рынке. Могу сказать, что за последние пять-семь лет мы разработали и поставили более десятка единиц оборудования в институты Сибирского отделения». Среди них — линейка элементов дифракционной силовой оптики для лазера на свободных электронах, система контроля дефектов КРТ-структур для ИФП СО РАН. Наиболее весомый результат — разработка, создание и поставка оптического микроскопа-нанопрофилометра (зав. лаб. к.т.н. А. К. Поташников, руководитель проекта к.т.н. Е. В. Сысоев).
 |
| Интерференционный микроскоп-нанопрофилометр.
|
Принцип действия микронанопрофилометра основан на измерении фазовой функции волнового фронта, рассеянного объектом света. Микроскоп работает в двух режимах. Режим наноизмерений предназначен для измерения высоты рельефа поверхностей высокого класса чистоты с разрешением по глубине менее 0,1 нм в диапазоне от 0 до 50 мкм. В режиме микроизмерений контролируется высота рельефа «грубых» поверхностей в диапазоне от 0 до 10 мм с разрешением по глубине менее 0,1 мкм. Отличительными особенностями прибора являются компактность, высокое быстродействие, устойчивость к внешним вибрациям, высокая степень автоматизации, высококачественный графический интерфейс, широкие возможности настройки микроскопа на разные типы морфологии измеряемых поверхностей, возможность измерения больших площадей путем сшивки результатов отдельных измерений, автоматизированное позиционирование объекта измерения по трём координатам, а также уникальная система хранения и систематизации результатов измерений.
По словам Ю. В. Чугуя, «более десяти лет назад работы в этой области были стимулированы концерном „ТВЭЛ“ Росатома. Перед нами была поставлена задача разработать и создать устройство контроля глубины и площади дефектов на поверхности тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) с субмикронным разрешением. В итоге мы создали три образца, которые сейчас работают в промышленной эксплуатации в ОАО „НЗХК“. А потом решили, что у нас есть серьезные предпосылки для продвижения в нанообласть, появились идеи, как это можно сделать. И мы выполнили НИР с высокой степенью завершенности». Этот факт следует отметить особо, поскольку в институтах всё заканчивается, как правило, действующим лабораторным макетом. Но для КТИ НП это не свойственно, здесь результатом экспериментов в итоге становится опытный образец, и где-то всегда «маячит» заказчик. Важно также то, что образец этот обкатывается уже на территории заказчика, в промышленной линии завода или лаборатории института (это и есть обратная связь!), после чего учёные могут скорректировать и улучшить его технические характеристики.
Атомно-гладкое зеркало
и измерения с пикометровым разрешением
Тот самый микронанопрофилометр был разработан в конце 2010 года. К нему сразу проявил интерес Институт ядерной физики, уже выполняется заказ. Сейчас институт проводит развернутую рекламу этого прибора в надежде на то, что он будет востребован и в других научных отраслях. Кстати, блестящие результаты получены во многом благодаря мультидисциплинарному подходу, положенному в основу создания Сибирского отделения АН СССР. Такое взаимодействие вообще благотворно сказывается на результатах исследований многих институтов — ведь именно на стыке наук часто появляются прорывные результаты мирового значения. Одним из основных элементов интерферометра является атомно-гладкое зеркало, оно создаёт «идеальную» опорную волну, которая интерферирует с рассеянной, причем информация в картине интерференции сохраняется почти на атомном уровне, до одной десятой нанометра, и появляется возможность различить атомные слои, а это десятки пикометров. Атомно-гладкое зеркало создано коллективом сотрудников ИФП СО РАН во главе с чл.-корр. РАН
А. М. Латышевым. Данный результат — разрешение атомных слоев оптическими методами — был признан одним из важнейших и упомянут в докладе президента Российской академии наук Ю. С. Осипова как выдающееся достижение мирового уровня.
«Эта тематика в фундаментально-прикладном плане — одна из визитных карточек нашего института, — подчеркивает директор КТИ НП. — И здесь есть куда развиваться. Данный нанопрофилометр может служить базой для метрологического обеспечения всех нанотехнологий, инструментом для работы на наноуровне. А там возможности его применения могут быть совершенно неожиданными. Дело в том, что высоким разрешением обладают и другие измерительные системы, но они, как правило, контактного типа, а у нас — бесконтактного (это исключает повреждение поверхности)». Есть ещё одно преимущество — данная система достаточно высокопроизводительная. Это означает, что при формировании профиля или 3D-модели объекта требуется в десятки, а иногда даже в сотни раз меньше времени, чем при использовании контактных средств.
Опора — прочный
научно-технический базис
Вот уже многие годы в поле зрения исследований КТИ НП находится оптика трёхмерных (3D) объектов.
«Речь идет о получении информации с помощью оптических средств о геометрии объектов различной природы и формы с размерами от единиц нанометров до десятков и даже сотен метров, — продолжает Ю. В. Чугуй. — Причём, точность определения их геометрических параметров, диктуемая потребностями науки и промышленности, должна быть достаточно высокой — погрешность не должна превышать долей миллиметра для крупных объектов и долей нанометра для микрообъектов.
Чтобы достичь требуемых технических характеристик измерительной системы, нужно иметь адекватную модель взаимодействия света с 3D объектами и на её основе — конструктивную теорию формирования их изображений (проекционных, дифракционных). Теорию простую, физически наглядную и в то же время достаточно точную для промышленных применений. Такая теория разработана нами для 3D объектов постоянной толщины. Она, например, успешно была использована при разработке оптико-электронной системы контроля геометрии керамических изделий для ХК „НЭВЗ-Союз“, что позволило в десятки раз повысить точность измерений. Сейчас, когда к 3D измерительным системам предъявляются порой сверхжёсткие требования, крайне важно иметь надежную теоретическую базу в части формирования изображений 3D объектов с различными конфигурациями и оптическими характеристиками».
Есть у Конструкторско-технологического института научного приборостроения и ещё одно направление, связанное с разработкой измерительных технологий для решения нестандартных задач типа «экстрим». Эти задачи предполагают создание систем, отвечающих экстремальным требованиям, когда, например, требуется одновременно обеспечить и высокую точность, и высокое быстродействие измерений (а это требует восприятия и обработки в реальном времени больших массивов информации с высокой производительностью), либо систем, работающих в далеко некомфортных, промышленных условиях с высоким уровнем вибрации, загрязненности или, что самое сложное, на открытом воздухе
(+/−50° С) и даже в космосе
(+/−150° С). Сюда же можно отнести системы с исключительно высокой надёжностью функционирования в течение длительного времени.
Так, например, для нефтегазовой платформы Сахалинского шельфа (проект «Сахалин-2») КТИ НП разработал и создал не имеющую мировых аналогов оптико-электронную систему измерения смещений и деформаций элементов гигантских механических и инженерных конструкций (платформ, мостов) для круглосуточной работы в течение 30 лет в агрессивных, взрывоопасных средах в широком диапазоне температур
(+/−40° С), в условиях сильных электромагнитных помех. Она имеет высокую эксплуатационную надежность благодаря применению помехоустойчивых алгоритмов обработки информации, непрерывному автотестированию всех аппаратных частей, многократному дублированию ее элементов. С 2006 года система эксплуатируется в режиме контроля смещений подшипников сейсмической защиты. Кстати, немаловажная деталь — эта система «с нуля» была разработана, создана и поставлена всего за восемь месяцев.
Лазерный контроль
на железных дорогах
За время нашей беседы в директорском кабинете было охвачено немало тем, но это, конечно, далеко не полный перечень того, что делается в институте. Много идей, направлений, десятки уже действующих систем и разработок — обо всех рассказать невозможно. Упомянем лишь некоторые из них.
Уже более десяти лет плодотворно развивается «дорожная тематика» в рамках сотрудничества с ОАО «РЖД» и при огромной поддержке начальника Западно-Сибирской железной дороги А. В. Целько. Много лет на железных дорогах страны работает созданная институтом автоматическая лазерная система контроля геометрических параметров колесных пар вагонов «Комплекс». Она предназначена для выявления на ходу поезда износов колес по основным параметрам (толщина гребня, ширина обода и т.д.); если хотя бы один из них нарушен, состав может сойти с рельсов. Принцип действия системы основан на лазерном бесконтактном контроле геометрии движущихся трёхмерных объектов с помощью высокоскоростных триангуляционных датчиков положения (сто тысяч измерений в секунду). На железных дорогах России стоят 54 «Комплекса», которые работают на скоростях до 60 километров в час: поезд, не сбавляя скорости, просто проходит контрольные точки, где с помощью лазерных технологий «сканируются» его колеса, а потом данные со всех передатчиков поступают к оператору. И когда состав приходит на станцию, обходчики действуют не «на глазок», а подходят к конкретному вагону. Тиражирование и обслуживание «Комплексов» осуществляется специально созданным совместным предприятием (ген. директор к.т.н. С. В. Плотников).
 |
| Перегон Крахаль — Инская Западно-Сибирской железной дороги. Выездное заседание НТС института на месте работы системы «Комплекс».
|
В завершающей стадии находится лазерная система бесконтактного измерения износа и дефектов контактного провода и других элементов контактной сети в движении (а это тоже проблема железных дорог), принцип измерения которой основан на структурном освещении. Преимуществами данного метода является автоматическое на скоростях до 60 км/час прямое измерение сечения и износа всех проводов, автоматическое измерение дефектов геометрии проводов, надежные измерения параметров контактного провода в точке подвеса и геометрии подвеса контактного провода. Отличительные особенности системы — оригинальная оптическая схема с системой слежения высоты провода, удаление паразитных засветок атмосферы за счёт использования узкополосных интерфенционных фильтров и быстродействующий оптимальный алгоритм определения дефектов провода.
А что дальше?
Всегда приятно говорить о достижениях и о планах. Первые уже реализованы и бесспорны. Вторые витают в воздухе или уже вполне осязаемы, но в любом случае их результаты пока где-то на подходе. Некоторыми планами на будущее мы и попросили поделиться Ю. В. Чугуя:
— В фундаментальном плане нам предстоят исследования в области конструктивной теории дифракционных явлений на различных 3D объектах, создание физических моделей при размерных измерениях с пикоразрешением (там всё происходит на атомном уровне) и метрологические исследования в этой области, поиск методов повышения поперечного разрешения нанопрофилометров, а также перспективные работы по когнитивному (интеллектуальному) зрению. На последнем остановлюсь чуть подробнее.
Эта тематика сейчас востребована во всем мире, но часть работ закрыта, они финансируются военными. Идея когнитивного зрения состоит в том, чтобы воспроизвести зрение человека, где помимо оптики — сетчатки, хрусталика, роговицы — есть ещё и мозг, при участии которого происходит обработка этой информации, а видение человеческим глазом в корне отличается от «видения» фотоаппаратом (там дальние предметы уменьшаются, а человек, когда смотрит, увеличивает удалённые объекты). Речь идёт о всевозможных 3D дисплеях, тренажёрах для моделирования ситуаций.
 |
| Специалисты оптико-механической промышленности знакомятся с системой когнитивного зрения.
|
Возьмем прибор ночного видения для управления танком ночью. Он сильно отличается от «картинки», которую человек видит непосредственно — как по дальним, так и по ближним предметам. Это может привести к тому, что водитель загонит танк в кювет или стрелок промажет. Особенное значение это имеет, когда происходит дозаправка самолёта, особенно современного истребителя, в воздухе (а летчиков пока обучают на тренажерах, представленных обычной оптикой, машинным зрением). И то, к чему на потребительском уровне многие фирмы уже подошли, так называемое 3D зрение, является своего рода суррогатом, потому что человеческий глаз не может так воспринимать, реально человек видит мир по-другому. Эту теорию зрительного восприятия окружающего мира человеческим глазом разработал в последнее время сотрудник КТИ НП д.т.н. А. М. Ковалёв, в своё время — сотрудник ИАиЭ СО АН СССР, руководитель проекта для Центра подготовки космонавтов. Тогда был создан и успешно работал десятки лет первый лётный тренажер для наших космонавтов.
Чтобы можно было реализовать теоретические выводы в конкретные «железо и оптику», у нас уже имеются все возможности. При хорошем стечении обстоятельств мы рассчитываем в ближайшее время уже сделать макеты, которые могли бы продемонстрировать специалистам соответствующих отраслей преимущества новых современных тренажёров, когда человек с их помощью воспринимает мир так, как видит его собственными глазами.
Чего бы ещё хотелось? Действительно «прорваться в космос», разрабатывать различные бортовые системы измерений, контроля геометрических параметров антенн и других объектов в космических условиях. Но это, конечно, сложнее. Желающих много, работы ведутся, и мы сейчас пытаемся предложить свои технические решения.
И в завершение — выдержка из постановления Президиума СО РАН о результатах комплексной проверки КТИ НП: «Характерной особенностью института является то, что наряду с проведением фундаментальных исследований, серьёзные усилия направлены на создание принципиально новых оптических измерительных, информационных, лазерных технологий (в т.ч. нанотехнологий), систем и приборов. Проводимые в институте исследования обеспечены высококвалифицированными кадрами... Разработки института востребованы на отечественном и мировом рынках наукоёмких технологий... Комиссия считает, что институт занимает ведущие позиции в мире в областях оптики трёхмерных объектов, фундаментальных основ оптических измерений, разработки не имеющих аналогов оптоэлектронных измерительных и лазерных автоматических систем. Получены результаты мирового уровня по применению низкокогерентной интерферометрии в области нанодиагностики, метрологических задач в нанометровом диапазоне, оптической измерительной аппаратуры с субатомным разрешением по глубине».
Что и требовалось доказать.
стр. 6-7
|
