Что древнее - механика или математика? Могут ли материалы чувствовать? Умеют ли лыжи думать? Зачем Российский фонд фундаментальных исследований отдали в частные руки? Обо всем этом главному редактору «АН» Андрею Угланову рассказывает доктор технических наук, академик РАН, заведующий кафедрой «Механика сплошных сред и вычислительных технологий» механико-математического факультета Пермского университета, член Президиума РАН, профессор Валерий Павлович Матвеенко
Не все механики чинят машины
- Валерий Павлович, вы специалист в области механики композиционных материалов. А работаете вы в Перми, где делают авиадвигатели, в которых используются композитные материалы. Эти вещи как-то связаны?
- Механика композиционных материалов далеко не основная часть моих научных интересов в области механики. Не удержусь и приведу одно заключение из своего опыта. Люди, занимающиеся наукой, определяя свою работу, говорят: я — математик, я — физик, я — химик, я — биолог, и собеседники, даже не имеющие отношения к науке, в целом достаточно адекватно оценивают род занятий. А вот я с большой осторожностью говорю, что я механик. Потому что есть большая вероятность, что меня воспримут как автослесаря, специалиста по различным машинам и тому подобное. На самом деле механика — удивительная, многообразная наука и, пожалуй, наравне с математикой, одна из древнейших наук. Они и исторически формировались вместе. Механика ставила задачи перед математиками и широко использовала математику при решении своих задач. На современном этапе эти науки разошлись достаточно далеко. Отражением исторической связи между механикой и математикой являются названия факультетов в классических университетах, в том числе в МГУ. Я имею в виду мехматы — механико-математические факультеты.
- Кроме Питера. Там Матмех. Но это Питер, там все поперек.
- Ну да. И всё-таки о механике. В космосе движения небесных тел и космических аппаратов рассчитывает механика. На Земле при исследовании различных природных процессов: тропических циклонов, смерчей, океанических течений, извержений вулканов, движений тектонических плит и ледников, земного магнетизма и многого другого механика позволила во многом объяснить эти явления и получить полезные практические результаты. Биологические объекты также ставят десятки задач перед механиками. Простейший пример. Любой протез, наряду с функциональными возможностями, должен быть лёгким и надёжным, без механики эти задачи не решить. Современное состояние различных машин, конструкций, сооружений немыслимо без результатов механики. Взять к примеру авиацию. Генеральный конструктор не спроектируют самолёт пока не получит от механиков данных по аэродинамике, прочности, надёжности и многим другим параметрам. Аналогичная ситуация и в других областях. Вместе с тем механики чувствуют себя иногда обделёнными. При создании новых машин, технологий, материалов без механики не обойтись, но она всегда как бы на вторых ролях. Это наносит механике определённый вред. Последнее время нам приходится бороться за сохранение в университетах в номенклатуре специальностей механики и дисциплин, с ней связанных. У меня большое подозрение, что люди, принимающие решения, неадекватно воспринимают механику как науку и путают её со специальностями в инженерных вузах на механико-технологический факультетах.
Я отошёл от Вашего вопроса про композиционные материалы. В этой области я занимаюсь smart-материалами или умными материалами, которые также можно отнести к композиционным материалам. Умные материалы подобно биологическим материалам должны чувствовать, то есть содержать необходимые сенсоры, они должны содержать исполнительные элементы-актуаторы, которые обеспечивают изменение геометрической формы и других необходимых механических характеристик. Кроме этого, возможна интеллектуальная компонента, объединяющая сенсоры и актуаторы. В последнее время с появлением новых технологических возможностей создание различных умных материалов стало реальностью. Примером таких возможностей стали оптоволоконные датчики. Представьте ниточку диаметром 0,1 миллиметра, которая может регистрировать температуру, деформацию и другие физические величины. Такая ниточка может быть встроена в композиционный материал на технологической стадии его изготовления и тогда мы получим материал с чувствительными элементами.
- Но этого явно недостаточно?
- Да, далее надо наделить материал исполнительными функциями. Есть пьезоматериалы, которые при подаче на них электрического потенциала деформируется или наоборот при их деформировании генерируется электрический потенциал. Встроенные в материал пьезолементы могут выполнять роль сенсоров и актуаторов. Есть сплавы, обладающие памятью формы. Они могут запоминать геометрию, зафиксированную при определённой температуре. Элементы из таких материалов перспективны в качестве актуаторов. Есть и другие материалы, которые при воздействии различных физических факторов меняют свои параметры. Умные материалы открывают новые возможности в технике. Представьте самолёт, у которого профиль крыла может изменяться в зависимости от режима полёта, и это изменение не результат работы сложных механических приводов, а результат свойств материала.
- Все это пока фантастика.
- Отнюдь. Умные материалы уже имеют различные приложения. Мы видим роботов, которые копируют мимику человеческого лица. Умные материалы в авиации, автомобилестроении, на железнодорожном транспорте используются для демпфирования колебаний, обнаружения повреждений, управления геометрией конструкций. Появились горные лыжи, ракетки для тенниса, клюшки для гольфа, которые корректируют свою геометрию в зависимости от действующих на них нагрузок. Есть примеры использования умных материалов для преобразования вибраций в полезную энергию. В Израиле на опытном участке автострады фонари горят за счёт воздействия машин на дорожное полотно.
Гражданский сверхзвук вернётся
- Хочется вернуться к авиации. Я к ней неравнодушен, как выпускник МАИ.
- В 2019 году было создано 10 научных центров мирового уровня, которые реализуют различные проекты. Один из центров сформирован на основе Центрального аэрогидродинамического института для реализации проекта «Сверхзвук». ЦАГИ привлёк к участию в этом проекте МГУ, ЦИАМ, МАИ, ИПМ РАН и Пермский федеральный исследовательский центр УрО РАН, в котором я работаю. Целью этого проекта является получение новых знаний и компетенций, которые будут использованы при проектировании сверхзвукового пассажирского самолёта.
- Они уже были - «Конкорд» и Ту-144.
- Несмотря на то, что аварии оборвали проекты, это были великие достижения в авиации. Специалисты говорят, что эти самолёты обогнали своё время. Появились новые материалы, технологии, электроника и многие страны, в том числе Россия, вернулись к задаче создания сверхзвукового пассажирского самолёта. Инициаторы проекта пригласили меня и моих коллег к работе в составе центра. Одна из пяти лабораторий центра, которой я руковожу, называется «Лаборатория прочности и интеллектуальных конструкций».
- ЦАГИ сейчас находится в довольно тяжелом состоянии. Я дружу с Магомедом Толбоевым, знаменитым летчиком-испытателем. Он рассказывает, что взлетную полосу ЦАГИ и ЛИИ захватывают для какого-то аэродрома. Вы уверены, что ваша работа будет востребована? Или вы знаете что-то, чего мы не знаем?
- Я не знаю, как ЦАГИ связан с аэродромом. Но работая с коллегами из ЦАГИ могу утверждать, что ЦАГИ как научная организация работает в штатном режиме.
И потом есть один показатель, который полностью определяет состояние и перспективы научной организации. Это молодёжь. Я вижу в ЦАГИ много молодых ребят, которые профессиональны, активны и строят на будущее достаточно амбициозные планы.
- Ваши коллеги часто употребляют слова «Интеллектуальная система мониторинга». Что это за зверь такой?
- Цифровизация внедряется в различные сферы. Одной из задач механики является построение цифровой модели проектируемых и исследуемых объектов. Такая модель должна заменить десятки и сотни экспериментов и опытов на этапе проектирования конструкций и тем самым сократить время от идеи до создания реальных конструкций. Цифровая модель должна также обеспечить достоверное прогнозирование состояния моделируемого объекта. При наличии даже совершенных моделей должно быть их подтверждение экспериментом. Одним из вариантов таких экспериментов является мониторинг, обеспечивающий получение необходимой информации о состоянии контролируемого объекта. Интеллектуальный мониторинг означает взаимосвязь цифровой модели и системы измерений. При интеллектуальном мониторинге система измерений строится на основе результатов моделирования. Кроме этого, интеллектуальность в нашей трактовке означает адаптивность цифровой модели. В процессе наблюдения за объектом, на основе сопоставления результатов моделирования и измерения, цифровая модель совершенствуется. Это обеспечивает более достоверное прогнозирование параметров контролируемых систем.
- Вы участвовали в создании двигателя ПД-14?
- При создании двигателя ПД-14 была реализована программа работ, в которой участвовали институты Сибирского отделения РАН, Уральского отделения РАН, Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН. Ряд работ выполнялись в нашем Институте механики сплошных сред УрО РАН. Надеюсь, что и мы внесли свою лепту в создание этого двигателя. Впереди задачи, связанные с разработкой нового двигателя ПД-35. Генеральный конструктор ОАО «Авиадвигатель» Александр Александрович Иноземцев говорит – ребята, мне нужны мозги. Так что впереди интересная работа.
- Чем ПД-14 отличается от зарубежных аналогов?
- Я не специалист по авиационным двигателям, чтобы ответить профессионально на поставленный вопрос. Однако утверждаю — мы можем гордиться тем, что в новейшей истории России это первый двигатель для пассажирских самолётов, не уступающий по ключевым показателям зарубежным аналогам. В процессе создания двигателя были разработаны и реализованы новые технологии, решены десятки научных и инженерных задач. Приведу лишь один пример. Мои коллеги из Института сверхпластичности РАН совместно с создателями двигателя разработали уникальную технологию изготовления полой лопатки вентилятора для двигателя. Это одна из ответственных деталей. Эта технология нарушила монополию ведущего мирового производителя авиационных двигателей — компании Rolls-Royce. Технология защищена 25 патентами в странах Европы, Америки и Азии.
- А к космосу вас привлекают?
- Наши результаты достаточно универсальны. Если корпус ракеты выполнен из композиционных материалов, то разрабатываемые системы интеллектуального мониторинга могут быть адаптированы к таким конструкциям. Наши результаты публикуются, уверен, что создатели ракетной техники знают возможности механики. Мои коллеги по институту, которые занимаются гидродинамикой, выполнили ряд интересных проектов, связанных с исследованием поведения жидкости в условиях микрогравитации. Эти работы важны для технологий в условиях невесомости. Были реализованы уникальные эксперименты на орбитальной станции «МИР» и на зарубежных космических аппаратах.
Ставим на молодежь
- Поговорим о состоянии российской науки. По сообщениям с «научного фронта» создается впечатление, что она в загоне. Вы не академик-теоретик, вы, можно сказать, академик у станка, практик. Как вы оцениваете ее состояние?
- О состоянии российской науки можно говорить бесконечно. Сообщения с научного фронта зависят от источников, информирующих об этом фронте. Не буду говорить о проблемах, которые у всех на слуху. Меня больше всего напрягает бесконечная череда преобразований. Большие дела тем более в науке не любят суеты. Мы морально и организационно тяжело переживали переход институтов из РАН, сначала в ФАНО, а затем в Министерство науки и высшего образования. Понять необходимость этих преобразований я пока не могу. На мой взгляд, планируемого эффективного союза или хотя бы взаимодействия между РАН и Министерством не получилось.
- А что с финансированием?
- Финансирования всегда мало. Мы в разы уступаем передовым странам по оснащенности научным оборудованием. Правда многие разделы механики не так уже критично зависят от наличия дорогостоящего оборудования. Мы получаем не только теоретические, но и экспериментальные результаты на мировом уровне. Когда речь идёт о финансировании, то важны не только абсолютные показатели, но и структура распределения финансирования, которая имеет важное значение как для развития науки, так и для развития страны. Для науки крайне важна смена поколений. Нужен постоянный приток молодёжи. Для обеспечения этого притока в Перми многое делается. В школьные годы я занимался в Станции юных техников. Их современный аналог — кванториумы. Я привел туда внука — там есть всё для научного и технического творчества. Мы работаем со школьниками в рамках проекта школы РАН. У наших академических институтов базовые кафедры в университетах, где мы активно привлекаем студентов к исследовательской работе. Какой результат на выходе? Перспективный для науки выпускник института делает свой выбор. Социальная инфраструктура в столице лучше. Бюджетная зарплата в два, а то и в три раза больше. Обеспеченность научным оборудованием лучше. И выбор зачастую не в пользу Перми. Мы любим сравниваться с зарубежными странами. Там наука не только в столицах. Кроме этого отток талантливых людей из региона не способствует их динамичному развитию.
- Академик Семенов в беседе со мной говорил, что напрасно школьников учат грамматике, это лишнее знание, потому что компьютер или смартфон сам подскажет, как правильно писать то или иное слово. И что не надо учить детей писать ручкой, потому что они все равно потом будут писать на клавиатуре. Это правильный подход?
- Даже если он и правильный, то его реализация должна быть разумной. Дело не только в грамматике. Скоро многие забудут таблицу умножения. Зачем языки учить? Программы перевода постоянно совершенствуются. Проблемой взаимодействия нашего интеллекта и компьютеров нужно основательно и профессионально заниматься. Я не могу писать статьи на компьютере. Когда я пишу ручкой, у меня предложения строятся иначе. Смартфон исправит ошибки, но при расстановке знаков препинания может изменить смысл предложения. И вообще если не тренировать мускулы, они потеряют свои возможности. А интеллект — это более тонкий инструмент, и главное не утерять его со временем.
- Правительство разрабатывает стратегию развития науки до 2030 года. Российскую академию наук и самих академиков к этому не подключили. Почему так? Министерство образования и науки не верит, что академики что-то понимают в науке?
- На законодательном уровне за Российской академии наук закреплены экспертные функции. Однако серьёзные проекты проходят мимо этого экспертного сообщества. Сказать, что Академию совсем устранили от разработки стратегии развития науки до 2030 года не совсем верно. При разработке программы фундаментальных исследований я принимал участие в разделе, связанном с механикой. Надеюсь, что РАН с опорой на институты будет совершенствовать экспертные функции, а чиновники Министерства образования и науки проанализируют историю РАН и осознают, что пренебрегать таким экспертным сообществом не на пользу развития науки.
- Я слышал, что во всем мире такая проблема.
- Мы часто смотрим на динамично развивающейся Китай, который в организации науки многое скопировал от Академии Наук СССР. Наши китайские коллеги в одном из докладов на Президиуме РАН рассказывали о том, что правительство Китая регулярно проводит встречи с представителями Китайской Академии Наук, на которых обсуждаются различные вопросы, связанные с развитием страны.
- Российский фонд фундаментальных исследование РФФИ существует с 90-х годов и являлся государственной структурой, которая очень помогала молодым ученым. Благодаря финансированию их разработок РФФИ они не уехали на Запад, а двигают именно нашу науку. И вот РФФИ перешел в частные руки, в так называемый Российский научный фонд. Какую цель преследовал этот шаг и каким вы теперь видите будущее наших молодых ученых в свете этой реформы?
- Мне такое объединение непонятно и представляется неправильным. Каждый фонд выполнял свою роль. Разные конкурсы, разные экспертные сообщества. Два фонда всегда лучше, чем один. В нашем институте гранты РНФ и РФФИ дополняли друг друга и предоставляли разные возможности. В существующих сценариях РФФИ давал больше возможностей для начинающих исследователей. Сумеет ли РНФ восполнить эту функцию? Для исследователей, работающих в регионах у РФФИ были региональные конкурсы с паритетным финансированием проектов. Важным элементом этих конкурсов была равноправная экспертиза. Регион при этом мог проводить свои интересы, а РФФИ гарантировал научное качество проектов. Не хотелось бы потерять такие конкурсы.